kaz29Вестник Казахстанско-Британского технического университетаHerald of the Kazakh-British Technical University1998-66882959-8109Казахстанско-Британский Технический Университет10.55452/1998-6688-2024-21-3-281-301kaz29-1389Research ArticleФИЗИЧЕСКИЕ НАУКИPHYSICAL SCIENCESЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДВУХФАЗНОГО ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ИСПАРЕНИИ И КОНДЕНСАЦИИ ВНУТРИ СОЛНЕЧНОГО ДИСТИЛЛЯТОРАNUMERICAL MODELING OF TWO-PHASE HEAT TRANSFER DURING EVAPORATION AND CONDENSATION INSIDE A SOLAR STILLhttps://orcid.org/0009-0008-2941-5775КарлинаЕ. И.KarlinaYe.

магистрант 

050040, г. Алматы

Master student 

050040, Almaty

kelisaveta123@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-9623-5610ЕрдешЕ. Б.YerdeshYe.

магистр естественных наук 

050040, г. Алматы

Master of Natural Sciences 

050040, Almaty

yelnaryerdesh@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-4992-0890БаимбетовД. Б.BaimbetovD.

магистр естественных наук 

050040, г. Алматы;130000, г. Актау

Master of Natural Sciences 

050040, Almaty;130000, Aktau

dynmuhambet@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0005-9596-6944ДжамакеевИ. Б.JamakeyevI.

магистрант 

050040, г. Алматы

Master student 

050040, Almaty

jamakeyev.i@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-4870-3496МоханраджМ.MohanrajM.

профессор 

641 032, Коимбатор

Professor 

641 032, Coimbatore

mohanrajrac@yahoo.co.inhttps://orcid.org/0000-0002-7947-2179БеляевЕ. К.BelyayevYe.

ассоциированный профессор 

050040, г. Алматы;050013, г. Алматы

Associate Professor 

050040, Almaty;050013, Almaty

yerzhan.belyaev@kaznu.edu.kzКазахский национальный университет им. аль-ФарабиКазахстанAl-Farabi Kazakh National UniversityKazakhstanКазахский национальный университет им. аль-Фараби; Каспийский университет технологий и инжиниринга им. Ш. ЕсеноваКазахстанAl-Farabi Kazakh National University; Yessenov UniversityKazakhstanДепартамент инженерной механики Хиндустанского колледжа инженерии и технологийИндияDepartment of Mechanical Engineering, Hindusthan College of Engineering and TechnologyIndiaКазахский национальный университет им. аль-Фараби; Казахский национальный исследовательский технический университет им. К.И. СатбаеваКазахстанAl-Farabi Kazakh National University; Satbayev UniversityKazakhstan202403102024213281301Copyright © Карлина Е.И., Ердеш Е.Б., Баимбетов Д.Б., Джамакеев И.Б., Моханрадж М., Беляев Е.К., 20242024Карлина Е.И., Ердеш Е.Б., Баимбетов Д.Б., Джамакеев И.Б., Моханрадж М., Беляев Е.К.Karlina Y., Yerdesh Y., Baimbetov D., Jamakeyev I., Mohanraj M., Belyayev Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.kbtu.edu.kz/jour/article/view/1389

В данной статье представлен сравнительный анализ двух конфигураций солнечного дистиллятора с использованием лицензированного программного комплекса ANSYS 2023R2 и метода вычислительной гидродинамики (CFD). Для моделирования применена модель VoF (Volume of Fluid), которая позволяет рассчитывать переход жидкости из одной фазы в другую. Следует отметить, что модель VoF способна воспроизводить процессы парообразования исключительно для визуализации, без практического применения численных результатов, что соответствует теоретическим ожиданиям. Актуальность исследования обусловлена глобальным кризисом питьевой воды, что требует повышения эффективности систем опреснения. Данный метод получения чистой воды является одним из наиболее экологически безопасных, что и стало основной причиной выбора объекта исследования. Целью работы является численный анализ и исследование солнечного дистиллятора, сравнительный анализ двух его конфигураций, а также оценка возможных модификаций для повышения эффективности установки. В ходе исследования были смоделированы тепловые потоки внутри установки, а также распределение объемной доли пара и изменение температуры во времени. Полученные результаты демонстрируют более высокую эффективность и производительность двухскатной конфигурации по сравнению с односкатной. Исследование также детализирует физические процессы, происходящие внутри установки, и определяет направления для дальнейшего совершенствования моделирования данной системы в ANSYS.

This research presents a comparative analysis of two solar still configurations utilizing the ANSYS 2023R2 software package for computational fluid dynamics (CFD) simulations. The study employs the Volume of Fluid (VoF) model to simulate phase transitions between liquid and vapor, specifically focusing on vaporization processes. It is important to note that the VoF model used in this study primarily serves to visualize vaporization, with its numerical results aligning with theoretical expectations rather than providing practical applications. The relevance of this research is underscored by the global drinking water crisis, which drives the need to enhance the efficiency of desalination systems. Solar distillation is recognized as one of the most environmentally sustainable methods for producing clean water, making it an appropriate focus for this investigation. The primary objective of this work is to conduct a numerical analysis of the solar still, compare the performance of two different configurations, and evaluate potential modifications to improve the system's efficiency. The study simulates heat transfer processes within the distiller, the distribution of vapor volume fractions, and temperature variations over time. The findings indicate that the dual-slope configuration outperforms the single-slope configuration in terms of efficiency and productivity. Additionally, the research provides insights into the physical processes occurring within the distiller and identifies potential areas for further refinement of the system's modeling in ANSYS.

солнечный дистиллятордвухфазный теплообмениспарение и конденсацияANSYS Fluentчисленный анализsolar stilltwo-phase heat transferevaporation and condensationANSYS Fluentnumerical analysisReferencesPeter H. Gleick Water in crisis: a guide to the world's freshwater resources. – Oxford University Press, 1993. – 473 p.Peter H. Gleick. Water in crisis: a guide to the world's freshwater resources, (Oxford University Press, 1993), 473 p.Global Solar Atlas. URL: https://globalsolaratlas.info/ (өтініш берілген күн 29.04.2024)Global Solar Atlas. URL: https://globalsolaratlas.info/ (date of access 29.04.2024)Abhay Agrawal, Rana R.S., Srivastava Pankaj K. Heat transfer coefficients and productivity of a single slope single basin solar still in Indian climatic condition: Experimental and theoretical comparison // ResourceEfficient Technologies. – 2017. – Vol. 3. – Р. 466–482.Abhay Agrawal, R.S. Rana and Pankaj K. Srivastava (2017) Resource-Efficient Technologies, vol. 3, pp. 466–482. https://doi.org/10.1016/j.reffit.2017.05.003Khadim M. A. A. A., Abd AL-Awahid W.A., Hachim D.M. Review on the types of solar stills // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2020. – Vol. 928. – No. 022046.Mohammad Abd Al Amir Khadim, Wisam A. Abd AL-Awahid and Dhafer M. Hachim (2020) IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 928, no. 022046. https://doi.org/10.1088/1757-899X/928/2/022046.Sampathkumar K., Arjunan T.V., Pitchandi P. Active Solar Distillation – A Detailed Review //Renew. Sustain. Energy Rev. – 2010. – No. 14. – P.1503–1526.Sampathkumar K., Arjunan T.V. and Pitchandi P. (2010) Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 14, no. 6, pp. 1503–1526. https://doi.org/10.1016/j.rser.2010.01.023.Rahul Dev, Tiwari G.N. Characteristic equation of a passive solar still // Desalination. – 2009. – Vol. 245. – P. 246–265.Rahul Dev and Tiwari G.N. (2009) Desalination, vol. 245, pp. 246–265. https://doi.org/10.1016/j.desal.2008.07.011.Al-Karaghoulia A. A., Alnaserb W.E. Performances of single and double basin solar-stills // Applied Energy. – 2004. – Vol. 78. – P. 347–354.Al-Karaghoulia A.A. and Alnaserb W.E. (2004) Applied Energy, vol. 78, pp. 347–354. https://doi.org/10.1016/S0306-2619(03)00005-9.Boubekria M., Chakerb A. Yield of an improved solar still: numerical approach // Energy Procedia. – 2011. – Vol. 6. – P. 610–617.Boubekria M. and Chakerb A. (2011) Energy Procedia, vol. 6, pp. 610–617. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2011.05.070.Mohamed Elashmawy An experimental investigation of a parabolic concentrator solar tracking system integrated with a tubular solar still // Desalination. – 2017. – Vol. 411. – Р. 1–8.Mohamed Elashmawy (2017) Desalination, vol. 411, pp. 1–8. https://doi.org/10.1016/j.desal.2017.02.003.Al-Doori G. F. L., Moosa I. S., and Saleh A. A. M. Enhanced productivity of double-slope solar still using local rocks // Int. J. Smart Grid Clean Energy – 2019. – Vol. 8(3) – P. 307–312.Al-Doori G.F.L., Moosa I.S., Saleh A.A.M. (2019) Enhanced productivity of double-slope solar still using local rocks, Int. J. Smart Grid Clean Energy, vol. 8 (3), pp. 307–312. https://doi.org/10.12720/sgce.8.3.307-312.Belyayev Ye., Mohanraj M., Jayaraj S. & Kaltayev A. Thermal performance simulation of a heat pump assisted solar desalination system for Kazakhstan climatic conditions // Heat Transfer Engineering. – 2018. – Vol. 40(12) – Р. 1060–1072.Belyayev Ye., Mohanraj M., Jayaraj S. and Kaltayev A. (2018) Heat Transfer Engineering, vol. 40(12), pp. 1060–1072. https://doi.org/10.1080/01457632.2018.1451246Elango C., Gunasekaran N., Sampathkumar K. Thermal modelsofsolarstill –A comprehensivereview // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2015. – Vol. 47. – Р. 856–911.Elango C., Gunasekaran N. and Sampathkumar K. (2015) Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 47, pp. 856–911. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.03.054.Vassilis B., Soteris K., Emmy D. Thermal Solar Desalination: Methods and Systems. – Academic Press, 2016. – 382 p.Vassilis B., Soteris K., Emmy D. Thermal Solar Desalination: Methods and Systems, (Academic Press, 2016), 382 p.Dunkle R.V. Solar water distillation: the roof type still and multiple effect diffusion still // International Developments in Heat Transfer, ASME, Proceedings of International Heat Transfer Conference, University of Colorado. – 1961. – Vol. 5 – P. 895–902.Dunkle R.V. (1961) International Developments in Heat Transfer, ASME, Proceedings of International Heat Transfer Conference, University of Colorado, vol. 5, pp. 895–902.Shukla S.K., Sorayan V.P.S. Thermal modeling of solar stills an experimental validation // Renewable Energy. – 2005. – Vol. 30. – Р. 683–699.Shukla S.K. and Sorayan V.P.S. (2005) Renewable Energy, vol. 30, pp. 683–699. https://doi.org/10.1016/j.renene.2004.03.009.Савельев И. В. Курс общей физики, т. 1. Механика. Молекулярная физика: Учебное пособие. – 2-е изд. перераб. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982. – С. 432.Savel'ev I.V. Kurs obshhej fiziki, vol. 1. Mehanika. Molekuljarnaja fizika: Uchebnoe posobie (Moscow: Nauka. Glavnaja redakcija fiziko-matematicheskoj literatury, 1982), P. 432. [in Russian]Peter William Atkins, Julio De Paula, James Keeler Atkins Physical Chemistry. – Oxford University Press, 2018. – 908 p.Peter William Atkins, Julio De Paula, James Keeler Atkins, Physical Chemistry, (Oxford University Press, 2018), P. 908.Richard C. T. The Principles of Statistical Mechanics. – Courier Corporation, 1979. – Р. 660.Richard C.T. The Principles of Statistical Mechanics (Courier Corporation, 1979), Р. 660.Yakubov S. & Cankurt B. & Maquil T. & Schiller P. & Abdel-Maksoud M. & Rung T. Euler-Euler and Euler-Lagrange approaches to cavitation modelling in marine applications // MARINE 2011 – Computational Methods in Marine Engineering. – 2011. – Vol. 4. – Р. 544–555.Yakubov S. & Cankurt B. & Maquil T. & Schiller P. & Abdel-Maksoud M. & Rung T. IV International Conference on Computational Methods in Marine Engineering (MARINE, 2011), p. 544–555.Yu Liu, Mikael Ersson, Heping Liu, Pär Jönsson, and Yong Gan Comparison of Euler-Euler Approach and Euler–Lagrange Approach to Model Gas Injection in a Ladle // Steel Research International. – 2019. – Vol. 90(5).Yu Liu, Mikael Ersson, Heping Liu, Pär Jönsson, and Yong Gan. Steel Research International, vol. 90(5), no. 1800494 (2019). https://doi.org/10.1002/srin.201800494Amit Kumar CFD Modeling and Validation of a single slope Solar Still: Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Award of Degree of Master of Technology in Energy Engineering / Department of mechanical engineering, Malaviya national institute of technology. – Jaipur. – 2015. – 69 p.Amit Kumar (2015) CFD Modeling and Validation of a single slope Solar Still: Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Award of Degree of Master of Technology in Energy Engineering. Department of mechanical engineering, Malaviya national institute of technology, Jaipur, 69 p.ANSYS. Available online: https://ansyshelp.ansys.com/public/account/secured?returnurl=////Views/Secured/corp/v242/en/flu_th/flu_th.htmlANSYS. Available online: https://ansyshelp.ansys.com/public/account/secured?returnurl=////Views/Secured/corp/v242/en/flu_th/flu_th.htmlANSYS Fluent software license, 23R2, ANSYS, Inc., Satbayev University, Almaty, Kazakhstan.ANSYS Fluent software license, 23R2, ANSYS, Inc., Satbayev University, Almaty, Kazakhstan.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.