Analysis of exergy in a dimple-roughened solar thermal collector using MATLAB simulation

Abstract In the current study, the performance of a dimple-roughened solar thermal collector (DRSTC) is investigated within a ( $${\text{Re}}_{\text{xx}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mtext>Re</mml:mtext> <mml:mtext>xx</mml:mtext> </mml:msub> </mml:math> ) range that spans from 3000 to 48,000. Under constant solar intensity ( $${I}_{\text{sr}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>I</mml:mi> <mml:mtext>sr</mml:mtext> </mml:msub> </mml:math> =1000 $${\text{Wm}}^{-2}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mtext>Wm</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> ), relative roughness height ( $${e}_{\text{d}}/{D}_{\text{h}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>e</mml:mi> <mml:mtext>d</mml:mtext> </mml:msub> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>D</mml:mi> <mml:mtext>h</mml:mtext> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> ) varied from 0.021 to 0.036, relative roughness pitch ( $$p/{e}_{\text{d}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>p</mml:mi> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>e</mml:mi> <mml:mtext>d</mml:mtext> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> ) from 10 to 20, arc angle ( $${\alpha }_{\text{a}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>α</mml:mi> <mml:mtext>a</mml:mtext> </mml:msub> </mml:math> ) from 45 to 60°, and temperature rise parameter from 0.003 to 0.02, and the proposed model predicts exergy efficiency of the SAH, and the results obtained can be used as reference for the design of new solar thermal systems. The assessment makes use of advanced MATLAB simulations in order to evaluate the exergetic efficiency $${(}\eta_{{{\text{ex}}}} )$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>η</mml:mi> <mml:mtext>ex</mml:mtext> </mml:msub> <mml:mrow> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> of a DRSTC. At lower $${\text{Re}}_{\text{xx}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mtext>Re</mml:mtext> <mml:mtext>xx</mml:mtext> </mml:msub> </mml:math> values, $${(}\eta_{{{\text{ex}}}} )$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>η</mml:mi> <mml:mtext>ex</mml:mtext> </mml:msub> <mml:mrow> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> increases uniformly; however, stabilization and decline occur at higher $${\text{Re}}_{\text{xx}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mtext>Re</mml:mtext> <mml:mtext>xx</mml:mtext> </mml:msub> </mml:math> values. The highest $${(}\eta_{{{\text{ex}}}} )$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>η</mml:mi> <mml:mtext>ex</mml:mtext> </mml:msub> <mml:mrow> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> for the DRSTC is 1.47% under a temperature rise parameter $$(\Delta T/I_{{{\text{sr}}}} )$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>Δ</mml:mi> <mml:mi>T</mml:mi> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>I</mml:mi> <mml:mtext>sr</mml:mtext> </mml:msub> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:math> of 0.0071 $${\text{Km}}^{2}{\text{W}}^{-1}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mtext>Km</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mtext>W</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> for obtaining optimum values of $${e}_{\text{d}}/{D}_{\text{h}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>e</mml:mi> <mml:mtext>d</mml:mtext> </mml:msub> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>D</mml:mi> <mml:mtext>h</mml:mtext> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> = 0.036, $$p/{e}_{\text{d}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>p</mml:mi> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>e</mml:mi> <mml:mtext>d</mml:mtext> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> = 10, and