16
INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 1, No 4, 2011 © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association RESEARCH ARTICLE ISSN 09764259 675 Effect of Cow dung cakes inside basin on heat transfer coefficients and productivity of single basin single slope solar still Hitesh N Panchal 1 , Manish Doshi 2 , Prakash Chavda 3 , Ranvirgiri Goswami 4 1 Research Scholar, Kadi Sarva Vishwavidyalaya University, Gandhinagar, Gujarat 2 Member of Institution of Engineers (MIE) 3 Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, Sankarsinh Vaghela Bapu Institute of Technology, Gandhinagar 4 Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, M L Institute of Diploma Studies, Bhandu, Mehsana [email protected] ABSTRACT Water has always been a source of energy for man. We use solar energy to change salty or brackish water into drinkable water by soar distillation. Natural fresh water resources are being depleted rapidly, as a result of population growth and socioeconomical development. The increasing demand for water puts enormous strain on the underground aquifer, which results in lower water level and increasing salt content. In this communication, an attempt has made to find the effect of cow dung cakes properly arranged on the surface of absorber in single slope single basin solar still during summer climate conditions of month July, 2010. To know quick distillate output difference, experiment has done by use of two identical solar still, one by use of cow dung cakes on simple absorber plate and other steel absorber plate. Facing of solar stills were 30 degree inclination of condensing cover (inner side glass cover) and constant depth of water 0.03 m. The objective of this paper is to know variation in internal heat transfer coefficients like evaporative heat transfer coefficient, convective heat transfer coefficient and radiative heat transfer coefficient as well as output of solar still. Experiments says that, evaporative heat transfer coefficient is higher in case of solar still consisting of cow dung cakes inside the solar still, compare with other heat transfer coefficient and it is also observed that distillate output is higher about 25 % more of solar still having cow dung cakes Keywords: cow dung cakes, solar still, Thermocouple, heat transfer Coefficient 1 Introduction Cow dung (usually combined with soiled bedding and urine) is often used as manure (agricultural fertilizer). If not recycled into the soil by species such as earthworms and dung beetles, cow dung can dry out and remain on the pasture, creating an area of grazing land which is unpalatable to livestock. In many parts of the developing world, caked and dried cow dung is used as fuel. Dung may also be collected and used to produce biogas to generate electricity and heat. The gas is rich in methane and is used in rural areas of India/Pakistan and elsewhere to provide a renewable and stable source of electricity. Cow dung is also used to line the floor and walls of buildings owing to its insect repellent properties for some types of insects (not flies or dung beetles).

Effect of Cow dung cakes inside basin on heat transfer ... · PDF fileEffect of Cow dung cakes inside basin on heat ... The gas is rich in methane and is used in rural areas of India

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Effect of Cow dung cakes inside basin on heat transfer ... · PDF fileEffect of Cow dung cakes inside basin on heat ... The gas is rich in methane and is used in rural areas of India

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 1, No 4, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

675 

Effect of Cow dung cakes inside basin on heat transfer coefficients and productivity of single basin single slope solar still 

Hitesh N Panchal 1 , Manish Doshi 2 , Prakash Chavda 3 , Ranvirgiri Goswami 4 1­ Research Scholar, Kadi Sarva Vishwavidyalaya University, Gandhinagar, Gujarat 

2­ Member of Institution of Engineers (MIE) 3­ Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, Sankarsinh Vaghela Bapu 

Institute of Technology, Gandhinagar 4­ Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, M L Institute of Diploma 

Studies, Bhandu, Mehsana [email protected] 

ABSTRACT 

Water has always been a  source of energy for man. We use solar energy to change salty or brackish  water  into  drinkable  water  by  soar  distillation.  Natural  fresh  water  resources  are being depleted rapidly, as a result of population growth and socio­economical development. The  increasing  demand  for water puts  enormous  strain  on  the  underground  aquifer, which results in lower water level and increasing salt content. In this communication, an attempt has made  to  find  the  effect of  cow dung  cakes  properly  arranged on  the  surface of  absorber  in single slope single basin solar still during summer climate conditions of month July, 2010. To know quick distillate output difference, experiment has done by use of two identical solar still, one by use of cow dung cakes on simple absorber plate and other steel absorber plate. Facing of  solar  stills were  30  degree  inclination  of  condensing  cover  (inner  side  glass  cover)  and constant depth of water 0.03 m. The objective of  this paper  is  to know variation  in  internal heat  transfer  coefficients  like  evaporative  heat  transfer coefficient,  convective  heat  transfer coefficient and radiative heat transfer coefficient as well as output of solar still. Experiments says that, evaporative heat transfer coefficient is higher in case of solar still consisting of cow dung  cakes  inside  the  solar  still,  compare with  other  heat  transfer  coefficient and  it  is  also observed that distillate output is higher about 25 % more of solar still having cow dung cakes 

Keywords:  cow dung cakes, solar still, Thermocouple, heat transfer Coefficient 

1 Introduction 

Cow  dung  (usually  combined  with  soiled  bedding  and  urine)  is  often  used  as  manure (agricultural fertilizer). If not recycled into the soil by species such as earthworms and dung beetles,  cow dung  can  dry  out  and  remain on  the pasture,  creating  an area  of  grazing  land which  is  unpalatable  to  livestock.  In many  parts  of  the  developing world,  caked  and  dried cow dung is used as fuel. Dung may also be collected and used to produce biogas to generate electricity and heat. The gas is rich in methane and is used in rural areas of India/Pakistan and elsewhere  to provide a renewable and stable source of electricity. Cow dung  is also used to line the floor and walls of buildings owing to its insect repellent properties for some types of insects (not flies or dung beetles).

Page 2: Effect of Cow dung cakes inside basin on heat transfer ... · PDF fileEffect of Cow dung cakes inside basin on heat ... The gas is rich in methane and is used in rural areas of India

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 1, No 4, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

676 

Figure 1:  Cow dung Cakes used in Experiment 

In central Africa, Maasai  villages have  burned  cow dung  inside  to  repel mosquito.  In cold places, cow dung is used to line the walls of rustic houses as a cheap thermal insulator. Cow dung is also an optional ingredient in the manufacture of adobe mud brick housing depending on  the  availability  of materials  at hand. A deposit  of  cow dung  is  referred  to  in American English as a "cow pie", and in British English as a cowpat . Also known as "cow chips" when dry,  it  is  used  in  the practice  of  "cow  chip  throwing"  popularized  in Beaver, Oklahoma  in 1970  another  game  is  Cow  Chip  Bingo. When  cow  dung  is  made  in  cake  form,  and  then called cow dung cakes. Fig.1. shows cow dung cakes. 

A.A.  El­Sebaii  et.al,  2009  made  mathematical  model  for  an  active  single  basin  solar  still (ASS) with and without a sensible storage material under the basin liner of the still. Sand is used as a storage material due to its availability and used in climate condition of Algeria  in summer and winter conditions. He proved that use of sensible heat storage medium can also increase the distillate output of solar still and also depends on climate conditions of summer and winter. In summer conditions, due to high amount of direct radiations, distillate output is higher  and  for  winter  conditions  due  to  diffused  conditions,  distillate  output  is  lower compared with  summer  conditions.  N.H.A. Rahim,  2003.  A  new  approach  is  proposed  to store  excess  heat  energy  in  horizontal  solar  desalinations  tills  during  daytime  for  the continuation  of  the  process  at  night.  This  technique  divides  the  horizontal  still  into evaporating and heat storing zones and combines the advantages of shallow and deep stills. He  studied  over  one  year  and  exhaustive  data  were  collected,  analyzed  and  presented. To show the effectiveness of the system, its performance was compared with that of the shallow still. The heat storing capacity of the system during the daytime was found to be an average of  35.7%. G. N. Tiwari  et.al,  2007.   Made  thermal models  of  all  types  of  solar  collector­ integrated active solar stills are developed based on basic energy balance equations in terms of inner and outer glass temperatures. They used hourly yield, hourly exergy efficiency, and hourly overall thermal efficiency of active solar stills are evaluated for0.05m water depth. All numerical  computations had been performed  for a  typical day  in the month of 07December 2005  for  the  climatic  conditions  of  New  Delhi  (288350N,  778120E,  216m  above  MSL).

Page 3: Effect of Cow dung cakes inside basin on heat transfer ... · PDF fileEffect of Cow dung cakes inside basin on heat ... The gas is rich in methane and is used in rural areas of India

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 1, No 4, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

677 

Thermal model of flat­plate collector integrated with active solar still was validated using the experimental  test  set­up  results.  Total  daily  yield  from  active  solar  still  integrated  with evacuated  tube. Hiroshi Tanaka,2009. made basin  type  solar still with  internal and external reflectors was constructed and  then examined  in outdoor experiments  in winter  in Kurume, Japan. The external reflector was inclined slightly forward to make the reflected sunrays hit the  basin  liner  of  the  still  effectively.  The  daily  productivity  of  a  basin  type  still  can  be increased  about  70%  to  100% with  a  very  simple modification  using  internal  and  external reflectors. V.  Velmurugan  and K.  Srithar,  2007  ,  he  integrated  the  Solar  stills with  a mini solar pond. In a mini solar pond, He was found that the optimum value of salinity in the mini solar pond is 80 g/kg of water. Effect of sponge cubes in the still, effect of  integrating mini solar pond with the still and combination of both are discussed. The average daily production of  solar  still  is  found  to  be  increased  considerably, when  it  is  integrated with  a mini  solar pond.  Salah Abdallah  et.al,  2009.  found  that,  there  is  a  strong  need  to  improve  the  single slope  solar  still  thermal  performance  and  increase  the  production  rate  of  distilled  water. Different types of absorbing materials were used to examine their effect on the yield of solar stills. These absorbing materials are of two types: coated and uncoated porous media (called metallic  wiry  sponges)  and  black  volcanic  rocks.  Four  identical  solar  stills  were manufactured  using  locally  available  materials.  The  first  three  solar  stills  contain  black coated and uncoated metallic wiry sponges made from steel quality AISI 430 type, and black rocks  collected  from  Mafraq  Area  in  north­eastern  Jordan.  The  fourth  still  is  used  as reference still which contains no absorbing materials (only black painted basin). The results showed that the uncoated sponge has the highest water collection during day time, followed by  the  black  rocks  and  then  coated metallic  wiry  sponges.  On  the  other  hand,  the  overall average gain in the collected distilled water taking into the consideration the overnight water collections  were  28%,  43%  and  60%  for  coated  and  uncoated  metallic  wiry  sponges  and black  rocks  respectively. B. Selva Kumar et.al, 2008.  made  thermal performance of a  “V” type  solar  still with  a  charcoal  absorber  is  analyzed  and distilled water  collection  output  is estimated.  The  internal  heat  transfer  and  external  heat  transfer  modes  are  studied.  The efficiency  of  the  still  is  estimated  under  four  ways.  The  overall  efficiency  of  the  still  is 24.47% without charcoal, 30.05% with  charcoal, 11.92% with  boosting mirror  and 14.11% with boosting mirror and charcoal. The performance ratio of the still, variation of the Nusselt number (Nu) and the Grashof number (Gr) are presented. The experimental properties of the still  are  also  estimated.  The  experimental  data  for  the  four  studies  under  similar  climatic conditions  are  compared.  The  main  advantage  of  the  “V”  type  solar  still  is  due  to  centre collection and all  the condensation are easily directed  to  the outlet. So  the distilled  yield  is collected  without  any  hindrance.  Abdul  Jabbar  et.al,  2009.  made  many  experimental  and numerical studies, the most important parameters investigated were solar radiation, cover tilt angle, brine depth, and using dyes with the brine. To gives the effect of above parameters on the  productivity  of  the  basin  type  solar  still  using  the  available data  given by  the  different investigators.  The  correlations  developed  illustrate  that  the  still  productivity  could  be influenced by the brine depth alone by up to 33% and by the tilt angle alone by up to 63%. A cover  tilt  angle  of  about 30° gives  the  highest  productivity.  The  still  productivity  could be enhanced  by  adding  dark  soluble  dye  to  the  brine  by  up  to  20%.  The  still  productivity increases with the increase of insulation thickness of the still and the solar radiation received. Salah  Abdullah  et.al,  2008.  found  that,  there  is  a  strong  need  to  look  at  various  possible designs that can be implemented to improve the single slope solar still performance through increasing the production rate of distilled water. Design modifications were introduced to the

Page 4: Effect of Cow dung cakes inside basin on heat transfer ... · PDF fileEffect of Cow dung cakes inside basin on heat ... The gas is rich in methane and is used in rural areas of India

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 1, No 4, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

678 

conventional  solar  still,  involving  the  installation  of  reflecting mirrors on  all  interior  sides, replacing the flat basin by a step­wise basin, and by coupling the conventional solar still with a  sun  tracking  system.  The  inclusion  of  internal  mirrors  improved  the  system  thermal performance  up  to  30%, while  step­wise  basin  enhanced  the  performance  up  to  180% and finally the coupling of the step­wise basin with sun tracking system gave the highest thermal performance  with  an  average  of  380%.  A.E.  Kabeel,  2009A.E.  Kabeel.  used  different surfaces  for  evaporation  and  condensation  phenomenon  play  important  roles  in  the performance of basin type solar still.  In  the present study, a concave wick surface was used for evaporation, whereas four sides of a pyramid shaped still were used for condensation. Use of jute wick  increased the amount of absorbed solar radiation and enhanced the evaporation surface  area..  A  concave  shaped  wick  surface  increases  the  evaporation  area  due  to  the capillary effect. Results  show that average distillate productivity  in day time was 4.1 lit/m2 and a maximum instantaneous system efficiency of 45% and average daily efficiency of 30% were recorded. The maximum hourly  yield was 0.5 lit/h. m2 after solar noon. An estimated cost of 1 litter of distillate was 0.065 $ for the presented solar still. S. Shanmugan et.al,  2008. used a booster mirror (acrylic) is attached with just above the glass cover of solar still, which will reflect solar radiation in excess to water and it is possible to adjust the booster mirror for perfect reflection depending upon the sun moving angle. Low rates of distillation have been observed with the existing unit. A notable result has been observed with a boosted distillation unit  (4.2 L/m 2 /d at 890 W/m 2 max.). The arrangements  have been made by commercial Al sheet material and insulated with a thermocol sheet. 

Cow dung  cakes are  easily  available  in  country  like  in  India,  and evaporative  heat  transfer coefficient  should  be  higher  in  solar  still.  Hence  major  aim  of  this  research  paper  is  to investigate the effect of cow dung on evaporative heat transfer coefficient as well as distillate output of  the solar still. To know above aspects,  two identical solar stills have taken, hence which solar still gives higher output that can be easily determined. 

2. Mathematical Modeling 

Performance of solar still based on productivity, efficiency as well as internal heat and mass transfer  coefficient.  Hence  performance  directly  proportional  to  internal  heat  transfer coefficient and distillate output from solar still. Internal heat and mass transfer coefficient in the solar still based on three parameters called convection,  radiation and evaporation, hence there are  three  heat  transfer coefficient called convective  heat  transfer coefficient,  radiative heat transfer coefficient and evaporative heat transfer coefficient. 

2.1.Convective Heat transfer Action  of  buoyancy  force  due  to  density  difference  of  humid  air  due  to  temperature 

difference  is  the major  reason  behind  the  convective  heat  transfer  coefficient  in  solar  still. The convective heat  transfer coefficient of water surface  to condensing glass cover  is given by : 

) (  g w cw cw  T T h q − =  …………………………………………………………………………(1) 

Heat transfer coefficient  cw h  can be calculate by following equation

Page 5: Effect of Cow dung cakes inside basin on heat transfer ... · PDF fileEffect of Cow dung cakes inside basin on heat ... The gas is rich in methane and is used in rural areas of India

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 1, No 4, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

679 

3 1 

3  ) 10 9 . 268 ( 

) 273 )( ( ) [( 884 . 0 

w g w g w cw 

T P P T T h

− ×

+ − + − =  ­……………………………………………  .(2) 

2.2.Radiative Heat transfer 

Solar energy  is  responsible  for  the  formation of pure water  from  the  solar  still. Radiative heat  transfer  is  also  responsible  through  solar  energy.  Rate  of  radiative  heat  transfer  from water surface to condensing cover is given by: 

) (  g w rw rw  T T h q − =  …………………………………………………………………………(3) 

Radiative heat transfer coefficient  rw h  is given by: 

] ) 273 ( ) 273 [(  2 2 + + + =  g w effect rw  T T h σ ε  …………………………………………………  (4) 

Here, 

4 2 8  / 10 669 . 5  K m W − × = σ  …………………………………………………………………(5) 

1 ) 1 1 1 ( − − + = w g 

effect ε ε ε  ……………………… ………………………………….………(6) 

9 . 0 = =  w g ε ε 

2.3.Evaporative heat transfer 

When solar energy is incident inside the solar still, water evaporates and converted into steam. Hence, evaporative heat transfer is given by following equation 

) (  g w ew ew  T T h q − =  ………………………………………………………………………..(7) 

Evaporative heat transfer coefficient is given by 

) ( ) ( 

10 27 . 16  3 

g w 

g w cw ew  T T 

P P h h

− × × × = −  ………………………………………………………(8)

Page 6: Effect of Cow dung cakes inside basin on heat transfer ... · PDF fileEffect of Cow dung cakes inside basin on heat ... The gas is rich in methane and is used in rural areas of India

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 1, No 4, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

680 

Total heat transfer coefficient from water surface to condensing cover is given by following equation 

ew rw cw w  h h h h + + = 1  ………………………………………………………………………(9) 

2.4. Energy balance 

Figure 2:  Energy flow in Single basin single slope solar still 

When solar energy is incident inside the basin water, heat transfer mechanism starts. Fig.2. Shows the energy flow in single slope single basin solar still. Energy balance equation can be written with following assumption 

1.  There is no vapor leakage in solar still 2.  It is an air tight basin, hence no heat loss. 3.  Heat capacity of cover and absorbing material, insulation is negligible. 4.  There is no temperature gradient across the basin water and glass cover of solar still. 5.  Water level inside the basin maintained at constant level. 6.  Only film type condensation is occurs in place of drop type condensation.

•  Energy balance for glass cover 

eg rg ew cw rw g  q q q q q t I + = + + +  ) ( ) ( ' α  …………………………………………………..(10) •  Energy balance for basin water

Page 7: Effect of Cow dung cakes inside basin on heat transfer ... · PDF fileEffect of Cow dung cakes inside basin on heat ... The gas is rich in methane and is used in rural areas of India

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 1, No 4, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

681 

cw ew rw w 

w w b  q q q dt T MC q t I + + + = +  ) ( ) ( ' α  ­…………………………………………... (11)

•  Energy balance for basin 

) ( ( ) ( ' 

ss s cb w b  A A q q q t I + + = α  …………………………………………………………..(12)

•  Heat transfer coefficients 

V h g  8 . 3 7 . 5 1 + =  …………………………………………………………………… …..(13)

•  Hourly yield of solar still is given by: 

3600 × = L q m  ew 

w  …………………………………………………………………………(14)

•  Efficiency of solar still is given by 

) (t I q ew = η  ……………………………………………………………………………… ..(15) 

3. System Description 

Figure 3:  Three dimensional model of single slope solar still 

3.1.Experimental set up description 

Figure 2. shows the three dimensional view of single slope solar still. Fig.3 shows the experimental set up single slope solar still It is consists of condensing cover having angle of 30 degree. The bottom surface of solar still was painted carbon black for greater absorptivity.

Page 8: Effect of Cow dung cakes inside basin on heat transfer ... · PDF fileEffect of Cow dung cakes inside basin on heat ... The gas is rich in methane and is used in rural areas of India

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 1, No 4, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

682 

Here experiment is done for various water depths. To avoid spilling of basin water into distillate channel 

Figure 4: Experimental set up of Solar Stills 

and to prevent  the contact of distillate channel with glass cover as well as with water  level, the height of lower vertical side of still was kept at 0.20 m, where as highest vertical side was kept of 0.80 m. The effective basin area of each still  is kept at 1 m x 1 m and it  is made of fiber  reinforce  plastic  of  5  mm  thickness.  It  is  made  of  layers  of  corrugated  sheets  with special chemicals  in such a way that air  is entrapped between its corrugated cavities, which provide  a  higher  desirable water  quality  for  solar  still material. Condensing  cover made of plane glass of 3 mm is fixed to top of vertical wall of stills using a rubber gasket on both side of glass and clamp fixed iron frames made of angles. To ensure the non leakage of vapor to the  atmosphere,  eight  crew  tighten  clamps  are  used  on  still.  The  output  from  the  still  is collected  at  end  of  smaller  vertical  side  of  the  basin.  A  plastic  pipe  is  connected  to  this channel to drain the water into mirror jar. 

3.2.Procedure of measurement 

The  experiment  was  performed  at  Ahmedabad,  India  for  different  depths  of  water.  All experiments started from 10 am morning to 5 pm evening. In each day, experiment one water depth was used. During the experiment, when switching over from one water depth to other , solar  still  remains  idle, minimum  for  a day  to  attain  steady state  condition prior  to  start of experiments for all five depths. The following parameters were measured for every hour.

Page 9: Effect of Cow dung cakes inside basin on heat transfer ... · PDF fileEffect of Cow dung cakes inside basin on heat ... The gas is rich in methane and is used in rural areas of India

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 1, No 4, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

683 

Table 1: Hourly average values calculated using 8 hours experimental data for 0.03 m of water depth having cow dung cakes on absorber plate at 15 th July, 2010 

Sr. No.  Time (Hr) 

Solar Insolation I(t) 

Outer glass cover Temp. Tco 

Inner glass cover Temp. Tci 

Ambient Temperature Ta 

Temp of water Tw 

Distillate mass Mw Kg. 

1  10:00  400  39  37  18  22  0.0 

2  11:00  463  47  43.2  20  30.2  0.030 

3  12:00  700  50  47.8  22.1  35  0.10 

4  13:00  680  52.5  50.2  23.12  43.6  0.182 

5  14:00  700  51.2  48.6  23.1  46.9  0.240 

6  15:00  600  47.2  45  25  45  0.200 

7  16:00  420  45  41.7  26.2  42  0.190 

8  17:00  150  43  40.6  26.8  39.7  0.179 

Table 2: Hourly average values calculated using 8 hours experimental data for 0.03 m of water depth having cow dung cakes on absorber plate at 15 th July, 2010 

Sr. No.  Time (Hr) 

Solar Insolation I(t) 

Outer glass cover Temp. Tco 

Inner glass cover Temp. Tci 

Ambient Temperature Ta 

Temp of water Tw 

Distillate mass Mw Kg. 

1  10:00  400  42  39  18  25  0.0 

2  11:00  463  49  45.2  20  32  0.039 

3  12:00  700  52  49.8  22.1  37  0.120 

4  13:00  680  54  52  23.12  45  0.192 

5  14:00  700  57  52  23.1  49  0.269 

6  15:00  600  54.2  48  25  51  0.240 

7  16:00  420  48  42.5  26.2  45  0.220 

8  17:00  150  45  42  26.8  42  0.190

Page 10: Effect of Cow dung cakes inside basin on heat transfer ... · PDF fileEffect of Cow dung cakes inside basin on heat ... The gas is rich in methane and is used in rural areas of India

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 1, No 4, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

684

•  Outer glass cover temperature •  Inner glass cover temperature •  Vapor temperature •  Water temperature •  Ambient temperature •  Distillate output •  Solar insolation 

Water, glass and vapor temperatures were recorded with help of calibrated copper constantan thermocouples and digital temperature indicator having least count of 0.1 degree Celsius. The ambient temperature was measured by calibrated mercury in glass thermocouple having least count  of  1  degree  Celsius.  The  distillate  output  was  recorded  with  help  of  calibrated Pyranometer of  least  count  of  2 mW/cm 2. Table 1  and Table  2  represent  the  data  recorded without and with cow dung cakes inside the solar still. 

4. Result & Discussion 

It  is well known fact  in solar desalination that  the amount of distillate output gained will be higher for the higher temperature of evaporative surface and lower for the condensing surface. In  other  words,  higher  value  of  evaporative  surface  temperature  and  lower  value  of condensing surface  temperature  leads  to  rise  in distillation output. Experiment  is  conducted from,  to  investigate  the effect of cow dung cakes on heat  transfer and productivity of  solar still. 

Hourly  measurements  were  made  for  various  thermocouple  put  at  various  locations  for temperatures  like  hot water  temperature,  vapor  temperature,  inner  glass  cover  temperature and  outer  glass  cover  temperature.  Experiments,  starts  from  morning  10  am  and  ends  at Evening 5 pm. Readings  have  taken  in Ahmedabad. Table 1  shows the  readings of various thermocouples, mass of distillate output, solar insolation and time interval of One hour from 10  am  to  5  pm  shows  in  simple  solar  still.  Table  2  shows  same  variables  but  solar  still consists of cow dung cakes. 

Figure  5  shows  the  comparative  analysis  of  solar  stills.  Fig  shows  that  solar  still  possess higher  distillate  output  at  2  pm,  means  up  to  2  pm  distillate  output  is  increases  and  it  is gradually decreases after 2 pm. highest output at particular date  is 0.129  liter  for  solar  still having steel absorber plate and 0.139 liter for cow dung cakes. Because the cow dung cakes used  as  a  energy  storing materials,  hence  due  to  energy  storing  ability,  distillate  output  is higher.  Higher  distillate  output  possess  higher  evaporative  heat  transfer  coefficient.  Hence figure 5 graph between evaporative heat transfer coefficient and time

Page 11: Effect of Cow dung cakes inside basin on heat transfer ... · PDF fileEffect of Cow dung cakes inside basin on heat ... The gas is rich in methane and is used in rural areas of India

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 1, No 4, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

685 

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 

Time (Hr) 

Distil

late o

utpu

solar still having steel absorber plate solar still having cow dung cakes 

Figure 5: Comparative analysis of distillate output of solar stills having steel absorber plate and cow dung cakes 

0 2 4 6 8 10 12 14 16 

10:00 

11:00 

12:00 

13:00 

14:00 

15:00 

16:00 

17:00 

Time (Hr) 

evap

orative he

at 

tran

sfer coe

fficien

t (watt 

per meter squ

are) 

solar still having steel absorber plate 

solar still having cow dung cakes 

Figure 6: Comparative analysis of evaporative heat transfer coefficient of solar stills having steel absorber plate and cow dung cakes 

Figure 6  shows  the comparison of evaporative heat  transfer coefficient of  solar  still  having steel  absorber  plate  and  cow  dung  cakes.  Every  person,  who  works  in  area  of  solar  still always try to increase the evaporative heat  transfer coefficient,  hence  in this research work, comparison  is  made  and  it  is  shown  in  graph  that,  evaporative  heat  transfer  coefficient  is higher in cow dung cakes compared with steel absorber plate. In cow dung cakes, uniformly distributed  at  entire  absorber  plate,  and  due  to  physical  property,  called  porosity,  solar radiation  falls on  them as well  as water, hence evaporative  heat  transfer coefficient will be higher, evaporation is higher and distillate output will be more.

Page 12: Effect of Cow dung cakes inside basin on heat transfer ... · PDF fileEffect of Cow dung cakes inside basin on heat ... The gas is rich in methane and is used in rural areas of India

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 1, No 4, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

686 

Figure 7: Solar insolation incident on glass cover measured by pyranometer 

Figure 7 shows the change in solar insolation during clear sky conditions (15 th July, 2010). It is observed from the fig that, solar radiation was high at noon and also power gain was varied. It  is  lower  in  the  morning  due  to  low  ambient  temperature  and  lower  solar  radiation  and increases  at  noon  due  to  higher  ambient  temperature  and  higher  solar  radiation  falling  on glass cover. 

0 10 20 30 40 50 60 70 

10:00 

11:00 

12:00 

13:00 

14:00 

15:00 

16:00 

17:00 

Time (Hr) 

Water temperature in 

celcius 

solar still with steel absorber plate solar still with cow dung cakes 

Figure 8: basin water temperature variation in cow dung cake solar still and steel absorber plate solar still 

0 200 400 600 800 1000 1200 

10:00 

11:00 

12:00 

13:00 

14:00 

15:00 

16:00 

17:00 

Time (Hr) 

Solar insolatio

n (W

att 

per m

eter squ

are)

Page 13: Effect of Cow dung cakes inside basin on heat transfer ... · PDF fileEffect of Cow dung cakes inside basin on heat ... The gas is rich in methane and is used in rural areas of India

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 1, No 4, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

687 

0 10 

20 30 40 50 

60 70 

10:00 

11:00 

12:00 

13:00 

14:00 

15:00 

16:00 

17:00 

Time (Hr) 

Vapor Temperature in Celcius 

with steel absorber plate  with cow dung cakes 

Figure 9: Vapor temperature variation in cow dung cake solar still and steel absorber plate solar still 

Figure 8 and Figure 9 shows the variation of water temperature as well as vapor temperature through  typical  day  of  15 th  july,  2010  during  10  am  to  5  pm.  Fig.6  &  7  shows  that,  an increase  in water  temperature  during  early  hours  of  the  day  until  it  reaches  the maximum water  temperature  around  noon. Water  temperature was  around 32 degree Celsius  for  steel absorber plate solar still at early morning and upto 66 degree Celsius at mid noon. For cow dung  solar  still.  Therefore,  at  mid  noon  period,  the  thermal  performance  increased proportionally. This shows that, increase of surrounding ambient temperature of the still and higher  solar radiation. For vapor  temperature,  it was  lower upto 48 degree Celsius  for  steel absorber plate solar still and highest at 64 degree Celsius for cow dung solar still. 

5. Conclusion 

The performance of two identical single slope single basin solar still was investigated. The experimental  result  clearly  shows  that,  thermal  performance  of  cow  dung  solar  still  is considerably higher compared with steel absorber plate solar still. By use of cow dung type solar still  increases distillate output of 25% more compared with steel absorber plate solar still. 

Nomenclature 

Ac –  Area of cover, m 2 Ac –  Area of basin liner, m 2 As —  Area of basin liner, m 2 Ass — Area of solar still sides, m 2 hcw—Convective heat transfer coefficient from water to cover, W/ m 2 /C

Page 14: Effect of Cow dung cakes inside basin on heat transfer ... · PDF fileEffect of Cow dung cakes inside basin on heat ... The gas is rich in methane and is used in rural areas of India

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 1, No 4, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

688 

hw — Convective heat transfer coefficient from basin liner to water, W/ m 2  /C hcb — Convective heat transfer coefficient 

from bottom insulation to ambient, W/ m 2  /C 

hrb — Radiative heat transfer coefficient from bottom insulation to ambient, W/ m 2  /C 

hrw — Radiative heat transfer coefficient from water to cover, m 2  /C 

hew— Evaporative heat transfer coefficient from water to cover, m 2  /C 

h1w— Total heat transfer coefficient from water to cover, m 2  /C 

h1g — Total heat transfer coefficient from cover to atmosphere, m 2  /C 

I(t) — Total solar radiation, W /m 2 Ki — Thermal conductivity of insulating 

material, W/m/C L — Latent heat of vaporization, J/kg Li — Thickness of insulation, m (MC)w — Heat capacity of water mass in 

basin, J/m 2  /C Mew— Distillate output from still, L/m 2 /day Pg — Partial pressure at cover temperature, 

N/m2 Pw— Partial pressure at basin water temperature, 

N/m 2 qcw— Convective heat transfer from water 

to cover, W/m 2 qrw — Radiative heat transfer from water to 

cover, W/ m 2 qew— Evaporative heat transfer from water 

to cover, W/ m 2 qloss — Overall heat loss from water surface 

to ambient through top and bottom, W/ m 2 qcb — Heat transfer from base to ambient by conduction, W/m2 qs — Side heat loss to ambient by conduction, 

W/ m 2 qcg — Convective heat loss from cover to 

ambient, W/ m 2 qrg — Radiative heat loss from cover to 

ambient, W/ m 2 Ta — Ambient temperature, C Tg — Cover temperature, C Tw — Basin water temperature, C

Page 15: Effect of Cow dung cakes inside basin on heat transfer ... · PDF fileEffect of Cow dung cakes inside basin on heat ... The gas is rich in methane and is used in rural areas of India

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 1, No 4, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

689 

Greek α’g — Solar flux absorbed by cover α’w — Solar flux absorbed by basin water α’b — Solar flux absorbed by basin geff — Effective emissivity, dimensionless gg — Emissivity of cover, dimensionless gw — Emissivity of water , dimensionless σ — Stefan­Boltzmann constant ηi — Instantaneous efficiency, % 

6. References 

1.  A.A. El­Sebaii, Yaghmour S.J, F.S. Al­Hazmi, Adel S. Faidah, F.M. Al­Marzouki and A.A.  Al­Ghamdi  Active  single  basin  solar  still  with  a  sensible  storage  medium, Desalination 249, pp 699–706. 

2.  N.H.A.  Rahim,2003,  New  method  to  store  heat  energy  in  horizontal,  Renewable Energy, 28, pp 419–433. 

3.  G. N. Tiwari, Vimal Dimri, Usha Singh, Arvind Chel and Bikash Sarkar G. N. Tiwari et.al, 2007, Comparative thermal performance evaluation of an active solar distillation system,  Int. J. Energy Res.31, pp 1465–1482. 

4.  Hiroshi Tanaka,2009, Experimental study of a basin type solar still with internal and external reflectors in winter, Desalination 249, pp 130–134. 

5.  V. Velmurugan and K. Srithar, 2007, Solar stills integrated with a mini solar pond – analytical simulation and experimental validation, Desalination 216 , pp 232–241. 

6.  Salah Abdallah, Mazen M. Abu­Khader and Omar Badran Salah Abdallah et.al, 2009, Effect  of  various  absorbing  materials  on  the  thermal  performance  of  solar  stills, Desalination 242, pp 128–137. 

7.  B. Selva Kumar, Sanjay Kumar and R. Jayaprakash B.  Selva  Kumar  et.al,  2008, Performance  analysis  of  a  “V”  type  solar  still  using  a  charcoal  absorber  and  a boosting mirror, Desalination 229, pp 217–230. 

8.  Abdul Jabbar N. Khalifa, Ahmad M. Hamood Abdul Jabbar et.al, 2009, Performance correlations for basin type solar stills, Desalination 249, pp  24–28. 

9.  Salah Abdallah, Omar Badran and Mazen M. Abu­Khader Salah Abdullah et.al, 2008, Performance evaluation of a modified design of a single slope solar still, Desalination 219, pp 222–230. 

10. A.E. Kabeel, 2009, Performance of solar still with a concave wick evaporation surface, Energy 34, pp 1504–1509.

Page 16: Effect of Cow dung cakes inside basin on heat transfer ... · PDF fileEffect of Cow dung cakes inside basin on heat ... The gas is rich in methane and is used in rural areas of India

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH, DINDIGUL Volume 1, No 4, 2011 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing Association 

RESEARCH ARTICLE  ISSN ­ 0976­4259 

690 

11. S.  Shanmugan,  P.  Rajamohan  and    D.  Mutharasu,  2008,  Performance  study  on  an acrylic mirror boosted solar  distillation, Desalination 230, pp 281–287.