Numeric simulation and experimental validation for a Novel Trapezoidal Solar Collector

Abstract

In a global warming context, the diversification of the energy matrix is essential for mitigation. Solar devices have begun to play an important role in this sense, flat-plate solar collectors being the most practical device. On the other hand, numerical modeling and experimental validation are important tools for improving the performance of these technologies. In this work, a trapezoidal solar air heating collector for food drying processes was modeled by using the Simusol open-access software, and experimental validation was performed. This particular shape presents a geometrical novelty since no other similar designs were found in the available literature, even in such an application as food drying. Key parameters, such as air temperature, global efficiency, air mass flow, global heat loss coefficient, and useful heat, are determined and discussed. The proposed air collector numerically behaves as expected. The output air temperature reaches about 100 °C, while the peak heat gain is about 900 W, which makes the air heating collector suitable for drying applications. Due to natural convection being the main heat transferring mechanism, low air mass flows were obtained. For the case analyzed here, this last parameter ranges from 0.012–0.016 kg/s for the optimal thermal behavior. The numerical model developed is a reliable tool for designing thermal technologies without extra capital cost; the increase of collecting area leads to a considerable increase in the thermal power output and improves the psychrometric conditions of heated air.

En el actual contexto de calentamiento global, la diversificación de la matriz energética es fundamental para la mitigación. Las tecnologías solares han comenzado a desempeñar un papel importante en este sentido, siendo los colectores solares de placa plana los más prácticos. Por otro lado, el modelado numérico y la validación experimental son herramientas importantes para mejorar el rendimiento de estas tecnologías. En este trabajo, se modeló y validó experimentalmente un colector de aire solar trapezoidal para procesos de secado de alimentos utilizando el software de código abierto Simusol. Esta forma particular se presenta como una novedad geométrica, ya que no se encontraron otros diseños similares en la literatura disponible, ni siquiera en aplicaciones como el secado de alimentos. Se determinan y discuten parámetros clave, como la temperatura del aire de salida, la eficiencia global, el flujo de masa de aire, el coeficiente global de pérdida de calor y el calor útil. Los resultados numéricos del comportamiento del colector fueron los esperados. La temperatura del aire de salida alcanza unos 100 °C, mientras que la ganancia máxima de calor es de unos 900 W, lo que hace que el colector solar sea adecuado para aplicaciones de secado. Debido a que la convección natural es el principal mecanismo de transferencia de calor, se obtuvieron bajos flujos de masa de aire. Para el caso analizado aquí, este último parámetro oscila entre 0,012 y 0,016 kg/s para las condiciones óptimas de funcionamiento. El modelo numérico aquí presentado resulta en una herramienta fiable para el diseño de tecnologías térmicas sin coste adicional de capital. El aumento de la superficie de captación conduce a un aumento considerable de la potencia térmica de salida, así como mejoras en las propiedades psicrométricas del aire calentado.