Performance Enhancement of Double Pass Solar Air Heater Using Activated Carbon Nanoparticles-Coated Absorber Plate for Solar Drying Applications. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF M.Sc Thesis (Mahmoud Fakouri).pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 25 December 2026. Download (9MB)

Arabic Abstract

تتناول هذه الدراسة تحسينات الأداء الحراري في سخان هواء شمسي ثنائي المرور مزوّد بلوح ماصّ مُعالَج بالجسيمات النانوية من الكربون النشط المشتقة من نفايات قشور جوز الهند عند معدلات تدفّق هواء مختلفة. كما تُجرى مقارنة للنتائج التجريبية للوح ماصّ مطلي بالطلاء الأسود لتحديد مقدار الزيادة في الأداء الحراري المحقَّقة باستخدام اللوح المطلي المعدَّل. ويُحَدَّد تركيز الجسيمات النانوية في الطلاء الأسود بنسبة ١٪ فقط، إذ إن زيادة التوصيل الحراري لسائل النانو بعد هذه النسبة لا يكون لها تأثير ملموس في تحسينه، كما أن سائل النانو يصبح غير مستقر. في هذه الدراسة تراوحت معدلات تدفّق الهواء في القناة المستطيلة لسخان الهواء الشمسي ثنائي المرور بين ٠٫٠٢٩ و٠٫١١ كجم/ثانية، بزيادة مقدارها ٠٫٠٢٩ كجم/ثانية في كل خطوة لكلٍّ من اللوح المطلي بالطلاء الأسود التقليدي واللوح المطلي بالجسيمات النانوية من الكربون النشط. ومع زيادة معدلات تدفّق الكتلة من ٠٫٠٢٩ كجم/ثانية إلى ٠٫١١ كجم/ثانية تراوحت الكفاءة الحرارية للوح المطلي بالطلاء الأسود بين ٢٣٫٦٪ و٤٢٫٤٣٪، في حين تراوحت للوح المطلي بالجسيمات النانوية من الكربون النشط بين ٢٩٫١٤٪ و٥٧٫٢٦٪. ومع ارتفاع معدلات التدفّق انخفض أيضًا فرق درجة الحرارة بين هواء المخرج والمدخل من ٣٠٫٥ درجة مئوية إلى ١٣ درجة مئوية للوح المطلي بالطلاء الأسود، ومن ٣٥٫١ درجة مئوية إلى ١٩٫١ درجة مئوية للوح المطلي بالجسيمات النانوية. وهذا يشير إلى أنه على الرغم من ازدياد انتقال الحرارة بالحمل عند معدلات التدفّق العالية وانخفاض الفاقد الحراري، فإن انخفاض زمن مكوث الهواء داخل المجمع يقيّد مقدار الارتفاع الممكن تحقيقه في درجة حرارة هواء المخرج. في المرحلة الثانية، جرى فحص مجففين شمسيين غير مباشرين، يزوَّد كلٌّ منهما بالهواء الساخن من سخان الهواء الشمسي ثنائي المرور المزوَّد إمّا بلوح ماصّ مطلي بالطلاء الأسود التقليدي أو بلوح ماصّ مطلي بالجسيمات النانوية من الكربون النشط، مع تحميل حجرة التجفيف بثلاثة رفوف من شرائح التفاح. وقد حقق النظام المتكامل المزود بلوح مطلي بالجسيمات النانوية من الكربون النشط محتوى رطوبة أقل للمنتج في جميع مواضع الرفوف. وعلى أساس الكتلة الجافة، خفّض النظام المتكامل المعتمد على الجسيمات النانوية من الكربون النشط محتوى الرطوبة في الرف الأول والثاني والثالث إلى نحو ٠٫٠٣ و٠٫٤٩ و٠٫٧٨ كجم ماء/كجم من المادة الجافة، في حين بقيت القيم المناظرة في نظام الطلاء الأسود عند حوالي ٠٫٥٢ و٠٫٩٣ و١٫٣١ كجم ماء/كجم مادة جافة عند الساعة ١٥:٠٠. وعلى أساس الكتلة الرطبة، بلغت محتويات الرطوبة النهائية في وحدة الجسيمات النانوية من الكربون النشط نحو ٣٪ و٣٣٪ و٤٤٪، مقارنةً بحوالي ٣٤٪ و٤٨٪ و٥٧٪ في الوحدة المطلية بالطلاء الاسود. وعلى مستوى النظام الكلي، خفّض تكوين الجسيمات النانوية من الكربون النشط محتوى الرطوبة على أساس الكتلة الجافة من ٥٫٦٧ إلى ٠٫٤٤ كجم ماء/كجم مادة جافة (انخفاض بنسبة ٩٢٪)، في حين وصلت وحدة الطلاء الأسود إلى ٠٫٩٢ كجم ماء/كجم مادة جافة (انخفاض بنسبة ٨٤٪)، كما خفّض متوسط محتوى الرطوبة على أساس الكتلة الرطبة من ٨٥٪ إلى ٣٠٪ مقابل ٤٨٪ .وقد ترافقت هذه المكاسب مع معدلات تجفيف وكفاءات طاقة أعلى، حيث حقق المجفف المعتمد على الجسيمات النانوية من الكربون النشط قدرة طاقة حيوية عظمى قدرها ٢٣٫٥٠ واط ومتوسط كفاءة الطاقة الحيوية بلغ ٢٣٫٣٢٪، مقارنةً بـ ١٦٫٦٢ واط و١٦٫٩٣٪ للنظام المطلي بالطلاء الأسود، مما يؤكد أن سخان الهواء الشمسي ثنائي المرور المطلي بالجسيمات النانوية من الكربون النشط يحسِّن بشكل ملحوظ كلاً من شدة التجفيف والجودة الديناميكية الحرارية لعملية التجفيف الشمس.

English Abstract

The study investigates thermal improvements in a double-pass solar air heater equipped with an absorber plate treated with activated carbon nanoparticles derived from coconut shell waste at varying air flow rates. A comparison of experimental results from a black paint-coated absorber is also examined to determine the thermal performance augmentation over the modified coated absorber plate. The nanoparticle concentration on black paint is limited to 1% as the thermal conductivity of the nanofluid has no significant effect on its improvement beyond 1%, and the nanofluid becomes unstable. In the current study, airflow rates for the rectangular duct of the DPSAH ranged from 0.029 to 0.11 kg/s, increasing in steps of 0.029 kg/s for both the conventional black paint and the ACNP absorbers. As the mass flow rates increased from 0.029 kg/s to 0.11 kg/s, the thermal efficiency for the black paint-coated plate ranged from 23.6% to 42.43%, and for the ACNP-coated plate from 29.14% to 57.26%. With increasing flow rates, the temperature difference between the outlet and inlet air streams also decreased, from 30.5°C to 13°C for the black paint absorber and from 35.1°C to 19.1°C for the nanoparticle-coated absorber. This indicates that although at higher flow rates the convective heat transfer increases and thermal losses decrease, the lower air residence time within the collector limits the temperature rise achievable at the outlet. In the second phase, two indirect solar dryers were investigated in which DPSAHs with either the conventional black-paint absorber or the ACNP–coated absorber supplied hot air to a three-tray drying chamber loaded with apple slices. The integrated system with ACNP consistently achieved lower product moisture contents at all tray positions. On a dry basis, the integrated ACNP system reduced the moisture content of the first, second and third trays to about 0.03, 0.49 and 0.78 kgw/kgd, whereas the corresponding values for the black-paint system remained at approximately 0.52, 0.93 and 1.31 kgw/kgd by 15:00 Hrs. On a wet basis, the final moisture contents in the ACNP unit were about 3%, 33% and 44%, compared with roughly 34%, 48% and 57% in the reference unit. At the overall-system level, the ACNP configuration reduced the dry-basis moisture content from 5.67 to 0.44 kgw/kgd (92% reduction), while the black-paint unit reached 0.92 kgw/kgd (84% reduction), and decreased the average wet-basis moisture from 85% to 30% versus 48%. These gains were accompanied by higher drying rates and exergy efficiencies, with the ACNP-based dryer attaining a peak exergy output of 23.50W and an average exergy efficiency of 23.32%, compared with 16.62 W and 16.93% for the black-paint system, confirming that the ACNP-coated DPSAH significantly improves both the intensity and thermodynamic quality of solar drying.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Sathyamurthy, Ravishankar
Committee Members:	Arshad, Hafiz Muhammad Ali and Qureshi, Bilal Ahmed
Depositing User:	MAHMOUD FAKOURI (g202306770)
Date Deposited:	28 Dec 2025 06:35
Last Modified:	28 Dec 2025 06:35
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143901