Mathematical modelling and validation of the thermal buoyancy characteristics of a mixed mode natural convection solar crop dryer with back up heater
- 1. Kwame Nkrumah University of Science and Technology
Description
This paper presents the modelling and subsequent validation of the thermal buoyancy characteristics for an experimental mixed-mode natural convection solar crop dryer (MNCSCDBH) for three plenum inlet opening to vent outlet opening ratios of 1:1, 1:1.3 and 1:1.5 selected for the purpose of this study. The simulation follows the authors' experimental study on the effect of varying the plenum inlet width and vent outlet width on thermal buoyancy performance of the MNCSCDBH for three different heating scenarios namely; solar heating, back up heating and hybrid heating. Mathematical models, capable of predicting the thermal buoyancy performance of the MNCSCDBH for the three selected heating modes were formulated by coupling energy balance equations on the components of the air-heater with energy balance for the air. The models were based on a one-dimensional steady-state operation of the dryer. A MATLAB code was developed and used to predict the performance of the dryer under no load conditions. The temperature predictions were observed to be accurate within 0.03% to 9.3% for solar heating mode, 0.20% to 7.49% for backup heating mode, and 0.03% to 12.8% for hybrid heating modes, respectively. Even though some discrepancies were found between the experimental performance indicators and their corresponding values predicted by the model as presented in this study, the code can be used in predicting the ventilation performance of the dryer under no load conditions with a general prediction to within 0.03% to 12.8% relative difference of the observed outlet velocity and critical system temperature values. The validation results show that the simulation code can serve as an effective tool for comparing and refining the designs of the MNCSCDBH for optimum drying performance.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
تقدم هذه الورقة النمذجة والتحقق اللاحق من خصائص الطفو الحراري لمجفف المحاصيل الشمسية بالحمل الحراري الطبيعي المختلط التجريبي (MNCSCDBH) لثلاث فتحات مدخل للفتحة الكاملة لنسب فتح منفذ التهوية 1:1 و 1:1.3 و 1:1.5 المختارة لغرض هذه الدراسة. تتبع المحاكاة الدراسة التجريبية للمؤلفين حول تأثير تغيير عرض مدخل الجلسة الكاملة وعرض مخرج التهوية على أداء الطفو الحراري لـ MNCSCDBH لثلاثة سيناريوهات تسخين مختلفة وهي: التسخين الشمسي والتدفئة الاحتياطية والتدفئة الهجينة. تمت صياغة النماذج الرياضية، القادرة على التنبؤ بأداء الطفو الحراري لـ MNCSCDBH لأنماط التسخين الثلاثة المختارة عن طريق إقران معادلات توازن الطاقة على مكونات سخان الهواء مع توازن الطاقة للهواء. استندت النماذج إلى تشغيل المجفف في حالة ثابتة أحادية البعد. تم تطوير رمز MATLAB واستخدامه للتنبؤ بأداء المجفف في ظل عدم وجود ظروف تحميل. لوحظ أن تنبؤات درجة الحرارة دقيقة في حدود 0.03 ٪ إلى 9.3 ٪ لوضع التسخين الشمسي، و 0.20 ٪ إلى 7.49 ٪ لوضع التسخين الاحتياطي، و 0.03 ٪ إلى 12.8 ٪ لأوضاع التسخين الهجين، على التوالي. على الرغم من العثور على بعض التناقضات بين مؤشرات الأداء التجريبية والقيم المقابلة لها التي تنبأ بها النموذج كما هو موضح في هذه الدراسة، يمكن استخدام الكود في التنبؤ بأداء التهوية للمجفف في ظل عدم وجود ظروف حمل مع توقع عام في حدود 0.03 ٪ إلى 12.8 ٪ فرق نسبي لسرعة المخرج المرصودة وقيم درجة حرارة النظام الحرجة. تُظهر نتائج التحقق من الصحة أن رمز المحاكاة يمكن أن يكون بمثابة أداة فعالة لمقارنة وتنقيح تصاميم MNCSCDBH للحصول على أفضل أداء للتجفيف.Translated Description (French)
Cet article présente la modélisation et la validation subséquente des caractéristiques de flottabilité thermique pour un sécheur solaire expérimental à convection naturelle en mode mixte (MNCSCDBH) pour trois rapports d'ouverture d'entrée de plénum à ouverture de sortie d'évent de 1: 1, 1: 1,3 et 1:1,5 sélectionnés aux fins de cette étude. La simulation suit l'étude expérimentale des auteurs sur l'effet de la variation de la largeur d'entrée du plénum et de la largeur de sortie de l'évent sur la performance de flottabilité thermique du MNCSCDBH pour trois scénarios de chauffage différents, à savoir : chauffage solaire, chauffage de secours et chauffage hybride. Des modèles mathématiques, capables de prédire la performance de flottabilité thermique du MNCSCDBH pour les trois modes de chauffage sélectionnés ont été formulés en couplant des équations de bilan énergétique sur les composants du réchauffeur d'air avec un bilan énergétique pour l'air. Les modèles étaient basés sur un fonctionnement en régime permanent unidimensionnel du sécheur. Un code Matlab a été développé et utilisé pour prédire les performances du sécheur à vide. Les prévisions de température ont été observées comme étant précises de 0,03 % à 9,3 % pour le mode de chauffage solaire, de 0,20 % à 7,49 % pour le mode de chauffage de secours et de 0,03 % à 12,8 % pour les modes de chauffage hybrides, respectivement. Même si certaines divergences ont été trouvées entre les indicateurs de performance expérimentaux et leurs valeurs correspondantes prédites par le modèle tel que présenté dans cette étude, le code peut être utilisé pour prédire la performance de ventilation du sécheur dans des conditions sans charge avec une prédiction générale comprise entre 0,03 % et 12,8 % de différence relative des valeurs de vitesse de sortie observées et de température critique du système. Les résultats de validation montrent que le code de simulation peut servir d'outil efficace pour comparer et affiner les conceptions du MNCSCDBH pour des performances de séchage optimales.Translated Description (Spanish)
Este documento presenta el modelado y la posterior validación de las características de flotabilidad térmica para un secador de cultivos solar de convección natural de modo mixto experimental (MNCSCDBH) para tres relaciones de abertura de entrada de la cámara impelente a abertura de salida de ventilación de 1: 1, 1: 1.3 y 1:1.5 seleccionadas para el propósito de este estudio. La simulación sigue el estudio experimental de los autores sobre el efecto de variar el ancho de entrada de la cámara impelente y el ancho de salida de ventilación en el rendimiento de flotabilidad térmica del MNCSCDBH para tres escenarios de calentamiento diferentes, a saber, calentamiento solar, calentamiento de respaldo y calentamiento híbrido. Los modelos matemáticos, capaces de predecir el rendimiento de flotabilidad térmica del MNCSCDBH para los tres modos de calentamiento seleccionados, se formularon mediante el acoplamiento de ecuaciones de balance de energía en los componentes del calentador de aire con el balance de energía para el aire. Los modelos se basaron en un funcionamiento unidimensional en estado estacionario del secador. Se desarrolló un código MATLAB y se utilizó para predecir el rendimiento de la secadora en condiciones sin carga. Se observó que las predicciones de temperatura eran precisas dentro de 0.03% a 9.3% para el modo de calefacción solar, 0.20% a 7.49% para el modo de calefacción de respaldo y 0.03% a 12.8% para los modos de calefacción híbridos, respectivamente. A pesar de que se encontraron algunas discrepancias entre los indicadores de rendimiento experimental y sus valores correspondientes predichos por el modelo presentado en este estudio, el código se puede utilizar para predecir el rendimiento de ventilación del secador en condiciones sin carga con una predicción general dentro de 0.03% a 12.8% de diferencia relativa de la velocidad de salida observada y los valores críticos de temperatura del sistema. Los resultados de la validación muestran que el código de simulación puede servir como una herramienta efectiva para comparar y refinar los diseños del MNCSCDBH para un rendimiento de secado óptimo.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- النمذجة الرياضية والتحقق من خصائص الطفو الحراري لمجفف المحاصيل الشمسية بالحمل الحراري الطبيعي مختلط الوضع مع سخان احتياطي
- Translated title (French)
- Modélisation mathématique et validation des caractéristiques de flottabilité thermique d'un séchoir solaire à convection naturelle en mode mixte avec chauffage de secours
- Translated title (Spanish)
- Modelado matemático y validación de las características de flotabilidad térmica de un secador de cultivos solares de convección natural de modo mixto con calentador de respaldo
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3035028541
- DOI
- 10.1016/j.sciaf.2020.e00441
References
- https://openalex.org/W1976848773
- https://openalex.org/W2007424359
- https://openalex.org/W2012206782
- https://openalex.org/W2047384223
- https://openalex.org/W2053828588
- https://openalex.org/W2060102938
- https://openalex.org/W2066200350
- https://openalex.org/W2279520268
- https://openalex.org/W4205407101
- https://openalex.org/W4256184039