مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی عددی عملکرد گذرای هواگرم‌کن ترکیبی خورشیدی جدید شامل ماده تغییرفازدهنده، ماتریس متخلخل و بازچرخش خارجی هوا_ مطالعه موردی شهر بجنورد

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران
10.48311/mme.2026.118635.82923
چکیده
در این پژوهش، عملکرد انرژی و اگزرژی گذرای یک هواگرم‌کن خورشیدی جدید مجهز به ماده تغییر فازدهنده، ماتریس متخلخل و بازچرخش هوا، بر اساس داده‌های اقلیمی شهر بجنورد و با رویکرد تحلیلی–عددی مورد ارزیابی قرار گرفت. معادلات موازنه انرژی اجزای مختلف سامانه به‌صورت تحلیلی استخراج شده و توزیع دماها در امتداد کانال و بر حسب زمان محاسبه شدند. سه پیکربندی شامل سامانه مرجع بدون ماده تغییر فازدهنده وماتریس، سامانه مجهز به ماده تغییر فازدهنده و سامانه ترکیبی دارای ماده تغییر فازدهنده همراه با ماتریس متخلخل بررسی گردید. نتایج نشان داد که استفاده از ماده تغییر فازدهنده موجب کاهش نوسانات حرارتی و تداوم گرمایش در غیاب تابش خورشید می‌شود، به‌گونه‌ای که دمای هوای خروجی حدود ۶ درجه سانتی‌گراد بالاتر از سامانه مرجع باقی می‌ماند. همچنین، افزودن ماتریس متخلخل به ماده تغییر فازدهنده، با افزایش اغتشاش جریان و سطح تماس حرارتی، پاسخ حرارتی سامانه را یکنواخت‌تر می‌کند. بررسی اثر دبی جرمی در سامانه ترکیبی نشان داد که با افزایش دبی از 0.01 به 0.025 کیلوگرم بر ثانیه، بازده حرارتی تجمعی از 48.02% به 65.88% افزایش یافته در حالی‌که بازده اگزرژی تجمعی از 3.58% به 1.82% کاهش می‌یابد، که بیانگر افزایش برداشت حرارت در دبی‌های بالاتر و بهبود کیفیت انرژی خروجی در دبی‌های کمتر است. نوآوری اصلی این مطالعه در بررسی همزمان اثر ماده تغییر فازدهنده و ماتریس متخلخل در یک هواگرم‌کن خورشیدی تحت شرایط اقلیمی ایران نهفته است. نتایج نشان می‌دهد که سامانه پیشنهادی می‌تواند برای کاربردهای عملی در گرمایش هوای ساختمان‌های مسکونی و صنعتی کم‌مصرف انرژی مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Numerical Investigation of the Transient Performance of a Novel Hybrid Solar Air Heater with Phase Change Material, Porous Matrix, and External Air Recycling: A Case Study for Bojnord, Iran

نویسندگان English

Fatemeh Karami
Majid Sabzpooshani
Faculty of Mechanical Engineering, University of Kashan, Kashan, Iran
چکیده English

In this study, the transient energy and exergy performance of a novel solar air heater incorporating a phase change material (PCM), a porous matrix and an air recycling system was investigated based on the climatic data of Bojnord city using an analytical–numerical approach. Energy balance equations for the system components were derived analytically, and local temperature distributions along the channel and over time were computed. Three configurations were considered: a reference system without PCM and porous matrix, a system with PCM, and a combined system with both PCM and porous matrix. Results showed that PCM reduced thermal fluctuations and sustained heating during periods without solar radiation, with outlet air temperature approximately 6 °C higher than the reference system. Moreover, the porous matrix enhanced flow turbulence and heat transfer surface area, resulting in a more uniform thermal response. The analysis of mass flow rate effects in the combined system indicated that increasing the flow rate from 0.01 to 0.025 kg/s raised cumulative thermal efficiency from 48.02% to 65.88%, while cumulative exergy efficiency decreased from 3.58% to 1.82%, demonstrating that higher flow rates enhance heat recovery, whereas lower flow rates improve the quality of the output energy. The main novelty of this study lies in the simultaneous investigation of the effects of a phase change material (PCM) and a porous matrix in a solar air heater under Iranian climatic conditions. The findings suggest that the proposed system can be effectively applied for energy-efficient heating of residential and industrial buildings.

کلیدواژه‌ها English

solar air heater؛ Phase change material (PCM)؛ Porous matrix؛ Cumulative energy and exergy analysis؛ Analytical&ndash
numerical approach
[1] P. Verma, A. Saxena, and L. Varshney, “A critical review on thermo-hydraulic performance of wire screen matrix packed solar air heaters,” Distrib. Gener. Altern. Energy J., vol. 35, no. 2, pp. 75–110, 2020.  DOI:10.13052/dgaej2156-3306.3521
[2] A. Ahmadkhani, G. Sadeghi, and H. Safarzadeh, “An in depth evaluation of matrix, external upstream and downstream recycles on a double pass flat plate solar air heater efficacy,” Therm. Sci. Eng. Prog., vol. 21, p. 100789, 2021.  DOI:10.1016/j.tsep.2020.100789
[3] V. K. Chouksey, A. Singh Yadav, S. Raha, V. Shrivastava, and S. P. Shrivas, “A theoretical parametric analysis to optimize the bed depth of packed bed solar air collector,” Int. J. Green Energy, vol. 19, no. 7, pp. 775–785, 2022.
[4] A. F. Ismail, A. S. Abd Hamid, A. Ibrahim, H. Jarimi, and K. Sopian, “Performance analysis of a double pass solar air thermal collector with porous media using lava rock,” Energies, vol. 15, no. 3, p. 905, 2022.  DOI:10.3390/en15030905
[5] H. Farzan and E. H. Zaim, “Thermal analysis of a new double-pass solar air heater using perforated absorber and porous materials: An experimental study,” Therm. Sci. Eng. Prog., vol. 38, p. 101680, 2023,  DOI:10.1016/j.tsep.2023.101680
[6] R. Fattoum, A. Hidouri, M. El Hadi Attia, M. Arıcı, and M. Ammar Abbassi, “Optimization of solar air heaters performance using parallel porous wire mesh: energy, exergy, and enviro-economic analyses,” Therm. Sci. Eng. Prog., vol. 48, p. 102385, 2024,  DOI:10.1016/j.tsep.2024.102385
[7] M. Palacio, C. Ramírez, M. Carmona, and C. Cortés, “Effect of phase-change materials in the performance of a solar air heater,” Sol. Energy, vol. 247, pp. 385–396, 2022.  DOI:10.1016/j.solener.2022.10.046
[8] G. Verma, S. Singh, S. Chander, and P. Dhiman, “Numerical investigation on transient thermal performance predictions of phase change material embedded solar air heater,” J. Energy Storage, vol. 47, p. 103619, 2022. DOI:10.1016/j.est.2021.103619
[9] A. K. Singh, N. Agarwal, and A. Saxena, “Effect of extended geometry filled with and without phase change material on the thermal performance of solar air heater,” J. Energy Storage, vol. 39, p. 102627, 2021.  DOI:10.1016/j.est.2021.102627
[10] P. GaneshKumar et al., “Exploring the thermal performance of a solar air heater with a V-corrugated
and shot-blasted absorber plate comprising nano-enhanced phase change materials,” J. Energy Storage, vol. 77, p. 109955, 2024.
[11] S. K. Chaurasiya and S. Singh, “High power and energy density of a wavy PCM unit embedded in a solar air heater utilizing fractional porous media,” Appl. Therm. Eng., vol. 236, p. 121843, 2024.
[12] S. L. Sharma and A. Debbarma, “Advancement in solar air heater with integrated PCM-based thermal energy storage system,” Int. J. Green Energy, vol. 21, no. 14, pp. 3330–3366, 2024.
[13] Rubitherm Technologies GmbH, “Phase Change Material,” Rubitherm, [Online]. Available:
 https://www.rubitherm.com/en/pcm.html. [Accessed: Sep. 2025]
[14] W. H. McAdams, Heat Transmission, 3rd ed. New York, NY, USA: McGraw-Hill Book Co., 1954.
[15] K. Sopian, M. A. Alghoul, E. M. Alfegi, M. Y. Sulaiman, and E. A. Musa, “Evaluation of thermal efficiency of double-pass solar collector with porous–nonporous media,” Renew. Energy, vol. 34, no. 3, pp. 640–645, Mar. 2009,
[16] N. S. Thakur, J. S. Saini, and S. C. Solanki, “Heat transfer and friction factor correlations for packed bed solar air heater for a low porosity system,” Sol. Energy, vol. 74, no. 4, pp. 319–329, Apr. 2003,  DOI:10.1016/S0038-092X(03)00153-1
[17] R. Moradi, A. Kianifar, and S. Wongwises, “Optimization of a solar air heater with phase change materials: Experimental and numerical study,” Exp. Therm. Fluid Sci., vol. 89, pp. 41–49, 2017.  DOI:10.1016/j.expthermflusci.2017.07.011
[18] S. Singh and P. Dhiman, “Thermal and thermohydraulic performance evaluation of a novel type double pass packed bed solar air heater under external recycle using an analytical and RSM (response surface methodology) combined approach,” Energy, vol. 72, pp. 344–359, 2014.
[19] M. Heydar and M. Sabzpooshani, “Performance Evaluation of New Combination External Recycle Flow and Arc-shaped Wire as Artificial Roughness of Solar Air Heater,” Energy Engineering and Management, Vol. 13, no. 2, pp. 112-127, 2023.
[20] P. Dhiman, N. S. Thakur, and S. R. Chauhan, “Thermal and thermohydraulic performance of counter and parallel flow packed bed solar air heaters,” Renew. Energy, vol. 46, pp. 259–268, Oct. 2012,  DOI:10.1016/j.renene.2012.03.032