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Apr 11, 2023

Investigación experimental sobre un colector solar parabólico utilizando agua

Informes científicos volumen 13,

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 7398 (2023) Citar este artículo

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Un trabajo experimental limitado fue sobre nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT): nanofluido de agua con surfactante en el colector parabólico solar en concentraciones de bajo volumen. En nanofluidos concentrados de alto volumen, la caída de presión se debió más a un aumento en la viscosidad del fluido de trabajo y un aumento en el costo de las nanopartículas; por lo tanto, no es económico. Este informe intentó utilizar el tensioactivo de dodecilbencenosulfonato de sodio (SDBS) en el nanofluido de agua MWCNT concentrado de bajo volumen para establecer una transferencia de calor efectiva en aplicaciones de colectores parabólicos solares. El nanofluido de agua MWCNT estable se preparó a concentraciones de volumen de 0,0158, 0,0238 y 0,0317. Los experimentos se realizaron de 10:00 a 16:00 a caudales de 6, 6,5 y 7 L/min según los estándares ASHRAE. Con un caudal de 7 l/min del fluido de trabajo, tener una diferencia de temperatura mínima entre el fluido de trabajo y el tubo absorbente conduce a una mejor transferencia de calor. La mayor concentración de volumen de MWCNT en el agua mejora la interacción del área superficial entre el agua y las nanopartículas de MWCNT. Esto da como resultado una eficiencia máxima del colector parabólico solar a 0,0317 % en volumen con un caudal de 7 l/min y un 10–11 % más alto que el agua destilada.

El aumento en la demanda de energía y problemas como el calentamiento global y las emisiones peligrosas de combustibles fósiles dieron como resultado un cambio hacia fuentes de energía renovable. La energía solar era una de las opciones prometedoras para satisfacer las necesidades energéticas actuales. La energía solar puede derivarse de colectores solares y células fotovoltaicas. Las células fotovoltaicas convierten directamente la energía solar en energía eléctrica y los colectores solares se utilizan para aplicaciones de mayor temperatura. El colector parabólico es un colector solar de tipo concentrador lineal que funciona a 150–400 °C1. El colector parabólico está formado por un espejo o colector, que refleja la radiación solar y tiene forma de parábola, y un tubo absorbente o tubo receptor, que recibe la radiación del espejo y se sitúa en una posición focal del espejo. El tubo absorbedor transfiere calor al medio de trabajo. Este fluido calentado se utiliza para aplicaciones industriales y de generación de energía. La modificación del tubo receptor y los medios de trabajo mejora la transferencia de calor en un colector parabólico. Modificar el tubo receptor significa cambiar el material del tubo receptor, aplicar un revestimiento térmico en el tubo receptor, modificar el diseño del tubo receptor, cambiar la cara interna del tubo receptor y agregar una cubierta de vidrio efectiva a la cara externa de un tubo receptor. Los materiales de mayor conductividad térmica fueron elegidos para el tubo receptor. El avance del fluido de trabajo se puede lograr mediante la introducción de nanopartículas en el fluido base, y dicho fluido se conoce como nanofluidos. En los nanofluidos, el papel de las nanopartículas es mejorar la transferencia de calor aumentando la conductividad térmica de un fluido de trabajo. Por lo tanto, en los nanofluidos se utilizan nanopartículas de mayor conductividad térmica. Muchos investigadores han trabajado en el efecto de la concentración de volumen de nanofluido, la tasa de flujo de volumen y el material del tubo absorbente en el rendimiento de los colectores parabólicos solares. También se tiene en cuenta la influencia de las condiciones meteorológicas y la intensidad de la radiación solar. Se llevó a cabo una revisión detallada de la literatura sobre los parámetros enumerados anteriormente, que se analizan a continuación. Los experimentos se llevaron a cabo para diferentes revestimientos y materiales del tubo receptor utilizando fracciones de volumen de 0,2 y 0,3% en volumen de aceite de CNT como fluido funcional. Los experimentos se realizaron con un colector parabólico para comprobar el rendimiento óptico y térmico del tubo absorbedor. Descubrieron que el tubo de cobre aspirado cromado negro producía buenos resultados2. El trabajo experimental se llevó a cabo mediante el recubrimiento de nanopartículas CNT de 20 a 40 nm en el tubo absorbente de cobre.

El resultado muestra que la modificación de nanopartículas CNT recubiertas en un tubo absorbente al 0,05 % en volumen de nanofluido de Al2O3 con 2 l/min obtuvo una mejora de la eficiencia del colector del 8,6 % en comparación con el agua destilada3. El análisis numérico se realizó sobre el tubo receptor en forma de U del colector parabólico con nanofluido híbrido y fracción volumétrica que varía del 1 al 4%. La simulación se basó en el método Euleriano-Euleriano para simular el flujo de nanofluidos multifásico en la superficie, la interacción cara a cara para la simulación de la radiación y un modelo típico de k-turbulencia utilizado para los cálculos turbulentos. Los resultados mostraron que el tubo receptor en forma de U dio mejores resultados que una tubería estándar con el mismo diámetro hidráulico4. Se ha llevado a cabo una investigación numérica sobre un tubo receptor convergente-divergente con un nanofluido de aceite térmico Al2O3. El tubo receptor de geometría de onda sinusoidal convergente-divergente aumentó el área superficial de transferencia de calor en comparación con un tubo absorbente cilíndrico. Esto resulta en más turbulencia en el flujo. Esta turbulencia mejora la transferencia de calor y la eficiencia del colector5. Los experimentos se han llevado a cabo sobre la influencia del tubo de vidrio que cubre el tubo absorbente en el rendimiento óptico. El tubo receptor consta de un tubo de vidrio en el exterior, lo que mejora la transmisividad con radiación de onda larga y aumenta el rendimiento óptico del colector en comparación con el tubo receptor desnudo. La investigación se realizó variando la concentración en volumen para 0,1, 0,2 y 0,3% en volumen de MWCNT en etilenglicol6. Se ha llevado a cabo una investigación experimental en el tubo absorbente insertando la cinta de clavos torcida. El nanofluido Al2O3–H2O se utilizó como fluido de trabajo en concentraciones de 0,1 y 0,3 % en volumen en un colector solar parabólico. Durante el estudio se consideraron las condiciones de flujo laminar y se analizó la transferencia de calor y los factores de fricción. El resultado concluyó que la presencia de cinta de clavos torcidos en el tubo absorbedor con nanofluidos realiza una transferencia de calor significativa y, al mismo tiempo, aumenta el factor de fricción7. El efecto de la modificación en el tubo absorbente se explica en el estudio de investigación.

Se realizó una investigación experimental con nanofluido de Al2O3-agua en el colector parabólico solar variando la fracción de volumen de 0,05 a 0,5% y el caudal másico de 0,0083 a 0,05 kg/s. La mayor eficiencia del colector solar se logró a 0,05 kg/s con 0,5% vol de Al2O3. La fijación de nanopartículas en el fluido base mejora la eficiencia del colector de 3,4 a 8,54% con respecto al agua8. Se ha llevado a cabo una investigación experimental y numérica sobre el nanofluido de agua MWCNT en un colector solar parabólico en diferentes ubicaciones. El resultado concluyó que las concentraciones de bajo volumen forman un mejor rendimiento termohidráulico para caudales inferiores a 0,2 L/s9. El estudio experimental se realizó con nanopartículas de óxido de grafeno y alúmina al 0,2 % en peso en un nanofluido a base de agua. El caudal del sistema solar parabólico varió de 1 a 5 L/min. La mejor eficiencia de colector del 63,2 % se encontró a 1 l/min usando nanofluido de óxido de grafeno y agua en comparación con agua pura. Este resultado se debió a que las nanopartículas de óxido de grafeno eran más alargadas que las de alúmina y formaban una capa delgada en la superficie interna del tubo absorbente para evitar la formación de burbujas y lograr una mejor transferencia de calor10. Se realizó un análisis numérico de nanopartículas de CuO y Al2O3 al 3% de fracción cuantitativa en agua para un colector solar parabólico. Se adoptó el enfoque de volumen finito para la evaluación utilizando el modelo turbulento k–ε RNG para distintas entradas de calor. El examen numérico confirma que el cambio de temperatura aumentó un 28 % para los nanofluidos de Al2O3-agua y un 35 % para los nanofluidos de CuO-agua a 3 vol%11. El trabajo de investigación anterior brinda información sobre el efecto de diferentes nanopartículas y sus concentraciones en el rendimiento de los colectores solares.

Se realizó un estudio experimental con nanofluido de agua MWCNT en un colector parabólico solar. Durante el experimento, la fracción de volumen de MWCNT se convirtió en 0,01 y 0,02 %, la tasa de flujo de agua se varió entre 100 y 160 l/h, y el tensioactivo Triton Xa cien se usó para mejorar la estabilidad de MWCNT. El mayor rendimiento del colector se logró a 0,02 vol% a 160 L/h12. Los análisis experimentales y CFD se realizaron en nanofluidos de SiO2-agua y CuO-agua en colectores parabólicos solares. El caudal volumétrico varió entre 40 l/h y 80 l/h a 0,01 % en volumen de nanopartículas de SiO2 y CuO. La estabilidad de las nanopartículas se mejoró con el tensioactivo de bromuro de hexa-decil-trimetil-amonio. Los resultados experimentales y de CFD concluyeron que el nanofluido de CuO-agua se desempeñó mejor en ambos caudales13. El efecto del surfactante en la estabilidad de las nanopartículas se aborda en los trabajos de investigación anteriores.

El modelo matemático se ha desarrollado con un nanofluido híbrido en un colector solar parabólico. En los nanofluidos híbridos, se utiliza más de un tipo de nanopartícula en el fluido base. Este estudio numérico utilizó de 1 a 4 % en volumen de combinaciones de nanopartículas híbridas de Ag–ZnO, Ag–TiO2 y Ag–MgO en el fluido base Syltherm 800 entre los números de Reynolds 10 000 y 80 000. El estudio reveló que los nanofluidos híbridos son más efectivos que el fluido base y, entre todas las combinaciones híbridas, el nanofluido Syltherm 800 de Ag-MgO al 4 % en volumen tiene la eficiencia térmica más alta14. Se ha realizado un estudio experimental con nanofluido híbrido CuO-MWCNT-agua, y los resultados se compararon con nanofluidos individuales. Las concentraciones de CuO se utilizan al 0,15 % en peso y MWCNT al 0,005 % en peso en sistemas de recolección de energía solar directa. El rendimiento de los nanofluidos se analizó mediante absorción fototérmica. El resultado concluyó que el nanofluido híbrido funciona mejor que los nanofluidos individuales en la transferencia de calor15. Se realizó un estudio numérico del colector parabólico con el nanofluido híbrido Al2O3 (3 vol%)–Syltherm 800, Al2O3 (3 vol%)–Syltherm 800 y Al2O3 (1,5 vol%)–TiO2 (1,5 vol%)–Syltherm 800 . El caudal fue de 150 l/min y la temperatura de entrada fue de 300 a 650 K. Los resultados numéricos confirmaron que los nanofluidos híbridos funcionan mejor que los nanofluidos individuales16. La investigación anterior describe el impacto de los nanofluidos híbridos en la eficiencia del colector solar parabólico.

Mejorar la capacidad de almacenamiento empleando el material de cambio de fase adecuado en los colectores solares. La investigación analizó colectores solares de una sola unidad que usan materiales de cambio de fase (PCM) para calentadores solares de agua y aire, examinando diferentes diseños de sistemas basados ​​en PCM. Se sugirió un sistema eficaz de almacenamiento basado en las aplicaciones17. Un estudio probó el material de cambio de fase de forma estabilizada en un calentador de agua solar sin tanque, mejorando la eficiencia térmica del 66 al 82 %. Los cambios en el caudal tuvieron un impacto mínimo. El análisis de costos mostró un período de amortización de 6 años y una reducción anual de emisiones de CO2 de 5,4 toneladas18. Un estudio investigó el uso de una tubería trasera en colectores solares de tubo de vacío para eliminar las regiones estancadas y mejorar el rendimiento térmico. Los resultados mostraron una disminución del 42 % en las pérdidas de calor y una mejora del 10 % en la tasa de transferencia de calor. Se utilizaron técnicas de regresión para modelar el desempeño del sistema, con un acuerdo razonable con los datos experimentales19. Estos documentos proporcionaron el efecto del tanque de almacenamiento de cambio de fase utilizado en los colectores solares.

La discusión anterior muestra que la nanopartícula MWCNT posee una conductividad térmica más alta en comparación con otras nanopartículas. Se han hecho menos intentos de usar MWCNT y surfactante para mejorar el rendimiento de los colectores parabólicos solares. En el presente trabajo, se intenta mejorar el rendimiento del colector parabólico usando nanofluido de agua MWCNT, y se usó surfactante SDBS para estabilizar MWCNT en el agua destilada. La fracción de volumen de MWCNT se varió como 0,0158, 0,0238 y 0,0317% en volumen, y el caudal de volumen se varió como 6, 6,5 y 7 l/min.

En esta sección se informa de los materiales y métodos utilizados durante la experimentación.

El fluido base: agua destilada y nanopartículas: MWCNT suministrado por Ad-nano technologies private limited Shimoga, Karnataka, India. El MWCNT adquirido se sintetizó utilizando la técnica de deposición química de vapor. La muestra de MWCNT se sometió a múltiples lavados con agua desionizada, seguida de filtración y posterior secado a 80 °C durante 2 h para purificar y eliminar la humedad20. Luego, la muestra MWCNT se preparó para el análisis TEM según los estándares. El TEM es una poderosa herramienta para la caracterización y análisis de nanopartículas en nanofluidos, proporcionando información valiosa sobre su tamaño, morfología, dispersión, estructura cristalina, composición química, interacciones interfaciales y comportamiento bajo diferentes condiciones. Esta información es crucial para comprender las propiedades y el comportamiento de los nanofluidos y optimizar su rendimiento en diversas aplicaciones.

Surfactante: Para estabilizar MWCNT en el agua destilada, SDBS proporcionado por Lob Chemie Pvt. Ltd. Mumbai, Maharashtra, India.

El MWCNT adquirido se caracterizó mediante un microscopio electrónico de transmisión de alta resolución para verificar las características físicas y se muestra en la Fig. 1a. La difusión de MWCNT en el agua destilada se realizó utilizando un baño ultrasónico (Labman Scientific Instruments Pvt. Ltd.) a una frecuencia de 40 ± 3 kHz y se muestra en la Fig. 1b. Para medir temperaturas, se utilizan termopares y un rango de funcionamiento de 0 a 199 °C. La tasa de flujo de volumen del fluido de trabajo se midió con un medidor de flujo de tipo rotatorio con un rango operativo de 1–30 L/min. Para medir la velocidad del viento se utilizó el anemómetro con un rango de 0 a 45 m/s. Las radiaciones solares del día se midieron con un medidor de energía solar y se muestran en la Fig. 1c. El rango operativo de 0–1999 W/m2.

La caracterización, instrumento utilizado para la preparación de nanofluidos y medición de la radiación solar (a) Imagen MWCNT TEM (b) Baño ultrasónico para nanofluidos (c) Medidor de energía solar.

Se consideró un método de dos pasos para la preparación de nanofluidos CNT. Primero, se preparó una solución de tensioactivo utilizando sulfonato de sodio-dodecil-benceno (SBBS), luego se mezclaron nanopartículas de MWCNT con la solución y se mantuvo una relación 1:1 de tensioactivo/MWCNT21,22,23. La solución preparada se aplicó para dirección magnética durante un máximo de 10 min a 500 rpm y luego se trató con ultrasonidos durante 40 min para dispersar el MWCNT en la solución. Las fracciones de volumen de MWCNT 0.0158, 0.0238 y 0.0317 vol% se usaron durante la formación del nanofluido Tabla 1. Durante el cálculo se consideraron las propiedades termofísicas de MWCNT y el agua. La estabilidad del MWCNT se discutió más detalladamente en la Sección "Efecto de diferentes concentraciones de nanopartículas de MWCNT en el agua".

A medida que se añadían las nanopartículas al agua líquida base, las propiedades de ese líquido cambiaban. La adición de las nanopartículas se midió en términos de concentración de volumen, que se determina mediante la ecuación. (1)20.

La densidad del nanofluido ha sido formulada por Pak y Xuan modelo Eq. (2)24.

El calor específico del nanofluido se ha calculado utilizando la ecuación. (3)24.

La conductividad térmica del nanofluido se estimó a través del modelo de Maxwell Eq. (4)21.

La viscosidad dinámica del nanofluido se determinó mediante el modelo de Bachelor Eq. (5)25.

La disposición esquemática del colector parabólico solar se muestra en la Fig. 2a. La prueba de rendimiento del colector solar parabólico suministrado por Eco-sense, Delhi, India, se realiza en la Fig. 2b. La Tabla 2 proporciona el detalle de las especificaciones del equipo. El experimento se puso a prueba en Bengaluru, India (13° 1′ 50″ N–77° 33′ 54″ E). El colector solar se colocó de norte a sur y la configuración tiene un mecanismo de seguimiento automático para ajustar la posición del colector parabólico con la posición del sol cada 20 minutos. El colector parabólico tiene un factor de concentración de 20, que representa la cantidad de radiación solar concentrada en el tubo absorbedor, con una reflectividad del 85% y una absortividad del 95%. El mayor factor de concentración, la reflectividad y la capacidad de absorción aumentan la transferencia de calor del fluido de trabajo al alcanzar una temperatura más alta. Los experimentos se realizaron de acuerdo con las normas ASHRAE. Se consideran diferentes incidentes de radiación, temperatura ambiente y temperatura de consumo de fluido al comparar el rendimiento térmico general del colector solar. Un experimento de nación estacionaria es importante para decidir la carga de la radiación solar que incide en el colector y la carga de electricidad que cambia al fluido de operación porque fluye a través del colector. Los datos experimentales se tomaron desde las 10:00 hasta las 16:00 en cada intervalo de 1 h para un solo caudal, y el caudal varió como 6, 6,5 y 7 L/min.

La configuración experimental del colector solar parabólico (a) Configuración esquemática del colector solar parabólico (b) Equipo de prueba de la vista frontal y lateral del colector solar parabólico.

La temperatura de entrada del fluido de trabajo fue diferente en diferentes períodos; por lo tanto, la tasa de ganancia de energía útil se calculó mediante la ecuación. (6)10.

La ecuación (7) para determinar la tasa de ganancia de energía útil fue un cambio en la energía ganada y la energía perdida por el tubo receptor10.

La eficiencia instantánea del colector solar parabólico se ha calculado utilizando las Ecs. (8) y (9)10.

La incertidumbre estándar, obtenida de los datos de calibración y las especificaciones del fabricante, garantiza resultados confiables al tener en cuenta las limitaciones del instrumento y los errores de calibración. Se expresa como desviación estándar o incertidumbre expandida, normalmente con un factor de cobertura. Crucial para evaluar la exactitud y precisión de las mediciones, asegurando resultados confiables para análisis posteriores. La incertidumbre estándar del dispositivo de medición viene dada por la siguiente ecuación. (10).

La incertidumbre de la eficiencia instantánea del colector solar viene dada por la Ec. (11)17,26,27

La eficiencia solar instantánea se determinó con una incertidumbre global del 4,5%. Esta incertidumbre se calculó considerando las incertidumbres individuales del caudalímetro ± 4,1 %, termopares ± 0,5 °C, anemómetro ± 3 % y piranómetro (± 5,5 %).

Los experimentos se realizaron meticulosamente de marzo a abril de 2022, concretamente de 10:00 a 16:00 horas, para recopilar datos sobre el rendimiento de un sistema solar térmico. La figura 3a proporciona una representación gráfica de los cambios temporales en la intensidad y la temperatura de la radiación solar, incluidas las temperaturas ambiente, de entrada y de salida del fluido, para agua destilada como fluido base a un caudal de volumen constante de 6 l/min. La intensidad de la radiación solar y las temperaturas también se registraron diligentemente para diferentes caudales volumétricos, a saber, 6, 6,5 y 7 l/min, para evaluar exhaustivamente su impacto en el comportamiento del sistema. Los datos recopilados fueron evaluados rigurosamente de acuerdo con el estándar ASHRAE. El análisis reveló que las variaciones de temperatura más altas en las temperaturas ambiente, de entrada y de salida fueron de 0,7 °C, 0,5 °C y 0,6 °C, respectivamente, durante cada período de prueba. Además, la radiación solar aumentó en intensidad hasta las 12:00-13:00, seguido de una disminución. Estos hallazgos brindan información valiosa sobre el rendimiento del sistema en diferentes condiciones operativas y pueden contribuir al desarrollo de sistemas solares térmicos más eficientes.

La medición de temperaturas, radiación solar y eficiencia instantánea con respecto a la hora del día (a) Mediciones experimentales de Ta, Ti, To y S con respecto a la hora del día a un caudal de agua de 6 L/min como fluido de trabajo (b) Energía solar instantánea rendimiento del colector en relación con T* a un caudal volumétrico diferente.

La figura 3b representa la eficiencia instantánea de la eficiencia del colector solar con parámetros de temperatura reducidos, \({\text{T}}^{*}=\frac{\left({\text{T}}_{\text{i}} -{\text{T}}_{\text{a}}\right)}{\text{S}}\) a diferentes caudales volumétricos. Las lecturas se trazaron como ecuaciones lineales y los valores de FRUl y FR(τα) se obtuvieron ajustando los datos en ecuaciones lineales para diferentes caudales volumétricos. Los parámetros de eficiencia, FRUl y FR(\({\uptau \upalpha }\)), en cada caudal volumétrico, se expresaron en la Tabla 3. Un valor inferior de FRUl = 22,38 y un valor superior de FR(τα) = 0,7959 se obtiene a 7 L/min. Esto indica un factor de fricción más bajo, lo que reduce la caída de presión en el tubo de absorción y mejora la transmisividad en el tubo de absorción. Esto aumenta la eficiencia instantánea de los colectores solares. Se obtiene un valor menor de FRUl = 22,38 y un valor mayor de FR(τα) = 0,7959 a 7 L/min. Esto indica un factor de fricción más bajo, lo que reduce la caída de presión en el tubo de absorción y mejora la transmisividad en el tubo de absorción. Esto, a su vez, resultó en una mayor eficiencia instantánea de los colectores solares. Además, se observó que mayores caudales volumétricos influyeron positivamente en la eficiencia del colector solar.

El nanofluido se preparó sin utilizar un tensioactivo. En este caso, las nanopartículas de MWCNT se asentaron después de unos minutos. Las nanopartículas MWCNT se atribuyeron al comportamiento hidrofóbico y formaron fuertes fuerzas de Vander Waals entre ellas. La adición de surfactante a MWCNT aumentará la estabilidad. Para la preparación del nanofluido CNT, se utilizaron como surfactante Goma Arábiga, Triton X-100, Desoxicolato de Sodio, Ácido Húmico, Dodecil Bencenosulfonato de Sodio (SDBS), etc. Entre estos tensioactivos, SDBS da los resultados más prometedores. Por lo tanto, los nanofluidos se prepararon agregando una concentración efectiva de tensioactivo SDBS. Esto conduce a la modificación en la superficie de MWCNT y se comporta de forma hidrofílica. Los efectos del surfactante potencian las fuerzas repulsivas entre las partículas de MWCNT para evitar los aglomerados y permanecer estables29. La estabilidad de MWCNT se midió a través del método fotográfico y se mantuvo estable por más de un mes. La estabilidad a largo plazo de los MWCNT se caracterizó nuevamente mediante métodos de centrifugación durante 30 min a 3000 rpm. Los resultados siguieron siendo los mismos con el método fotográfico. Este nanofluido estable se realizó de manera más efectiva, lo que resultó en la eficiencia del colector parabólico solar.

El nanofluido se prepara con diferentes porcentajes de concentraciones en volumen, como 0,0158, 0,0238 y 0,0317 %, y el tensioactivo SDBS se mezcla con un fluido base para mejorar la estabilidad. El impacto de la variación de las concentraciones de volumen en la eficiencia instantánea para diferentes temperaturas reducidas \(\frac{\left({\text{T}}_{\text{i}}-{\text{T}}_{\text{ a}}\right)}{\text{S}}\) a caudales de 6, 6,5 y 7 L/min se muestra en la Fig. 4a–c. La eficiencia instantánea del colector parabólico solar aumentó con la fracción de volumen para todas las tasas de flujo de volumen. Para un caudal de 6 L/min a una fracción de volumen de 0,0158 %, la eficiencia instantánea del colector aumenta un 2 % en comparación con el fluido base. La eficiencia aumenta en un 3 % y un 4 % para fracciones de volumen de 0,0238 % y 0,0317 %, respectivamente. A un caudal de 6,5 L/min, la eficiencia instantánea del colector aumentó en un 3% en comparación con el agua destilada, cuando una fracción de volumen de 0,0158%. De manera similar, con el mismo caudal, la eficiencia mejoró en un 4 % y un 7 % para las fracciones de volumen de 0,0238 % y 0,0317 %, respectivamente. A un caudal de 7 l/min, eficiencia instantánea del 6 % aumentada con una fracción de volumen del 0,0158 %. La eficiencia también dominó positivamente 8% y 11% en una fracción de volumen de 0.0238% y 0.0317%. La difusión de nanopartículas en el fluido base mejora significativamente la conductividad térmica del nanofluido, lo que da como resultado mejores características de transferencia de calor30. Esta mayor conductividad térmica permite una disipación de calor más eficiente, lo que lleva a un mejor rendimiento del colector solar parabólico.

Efecto de diferentes concentraciones de nanopartículas MWCNT en el agua (a), (b) & (c) Eficiencia instantánea del colector ηi vs. T* a 6, 6.5 y 7 L/min, respectivamente y (d) espectroscopia FTIR de agua y nanofluidos.

Los nanotubos de carbono (CNT) son reconocidos por su excepcional conductividad térmica, que supera la de otras nanopartículas. Estos nanotubos, con diámetros que van de 5 a 15 nm, cuentan con una forma cilíndrica única que da como resultado un área de superficie más grande para una transferencia de calor eficiente, lo que los hace muy deseables para diversas aplicaciones24. Además, cuando los CNT se utilizan en fracciones de menor volumen en un fluido base, exhiben un comportamiento de fluido newtoniano, fluyendo suavemente sin cambios significativos en la viscosidad. Esta característica es particularmente ventajosa en aplicaciones tales como colectores parabólicos solares, donde la transferencia de calor óptima es crucial para el máximo rendimiento. Además, el mecanismo de movimiento browniano, en el que los CNT exhiben un movimiento aleatorio debido a las fluctuaciones térmicas, puede mejorar la eficiencia de los colectores parabólicos solares cuando se emplean en nanofluidos.

Sin embargo, el nanofluido se vuelve más denso en fracciones de mayor volumen, lo que lleva a un comportamiento no lineal. A medida que aumenta la fracción de volumen de los CNT, las fuerzas de atracción de Vander Waals entre las nanopartículas se vuelven más fuertes que el movimiento browniano, lo que da como resultado una menor estabilidad y un menor rendimiento del colector parabólico solar. Por lo tanto, en la presente investigación, la concentración de volumen de CNT se mantiene deliberadamente en un rango más bajo para lograr los mejores resultados a un menor costo, asegurando un rendimiento y una estabilidad óptimos en el colector solar parabólico.

En la Fig. 4d, la espectroscopia FTIR reveló información importante sobre el enlace atómico en el nanofluido. El pico a cerca de 1450 cm−1 indicó un enlace simétrico de carbono e hidrógeno, que está presente en el tensioactivo SDBS utilizado en el nanofluido, y la energía de absorción aumentó con la concentración del tensioactivo. Los picos de casi 1600 y 3300 cm−1 indicaron enlaces de oxígeno e hidrógeno de las moléculas de agua en modos de flexión y estiramiento, respectivamente. Los picos débiles de enlaces carbono-carbono cerca de 2800–2900 cm−1 indicaron la presencia de átomos de carbono de MWCNT, con concentraciones más altas que conducen a una mayor absorción de energía por parte del fluido de trabajo31.

Sin embargo, es importante tener en cuenta que la absorción de energía puede variar debido a factores ambientales, como la intensidad solar, las temperaturas de la superficie del absorbedor y las temperaturas de entrada del fluido de trabajo. Una diferencia de temperatura reducida entre la superficie del tubo absorbedor y el fluido de trabajo puede reducir la ganancia de calor. Según los hallazgos de la investigación, los nanofluidos tienen el potencial de lograr ganancias de energía que van desde 1000 a 1220 julios por hora para una capacidad de almacenamiento de 20 litros. Estos valores representan la energía térmica potencial que se puede obtener del sistema cuando las nanopartículas de MWCNT se dispersan en el fluido base.

Los caudales volumétricos de los nanofluidos variaron en 6, 6,5 y 7 L/min mediante una válvula reguladora. Para cada caudal volumétrico, la eficiencia instantánea del colector frente a los parámetros de temperatura reducida \({\text{T}}^{*}=\frac{\left({\text{T}}_{\text{ i}}-{\text{T}}_{\text{a}}\right)}{\text{S}}\) se establecen los cambios. La figura 5a–c muestra las variaciones de 0,0158, 0,0238 y 0,0317 % en volumen de nanofluidos a 6, 6,5 y 7 l/min, respectivamente. En todas las concentraciones de volumen de nanofluidos, la eficiencia del colector solar se magnifica con tasas de flujo de volumen incrementales. A medida que aumenta la velocidad de flujo del fluido de trabajo, disminuye el gradiente de temperatura, y esto desarrolla un alto coeficiente de transferencia de calor. Esta es una reducción en la diferencia de temperatura entre Ti y Ta (gradiente de temperatura) y forma un valor más pequeño del parámetro T*, por lo que la eficiencia del colector solar aumenta3,8,32. Un estudio anterior realizado por la investigadora Lyudmila Knysh sobre el método numérico se realizó con nanofluido de agua MWCNT y logró una mejora de casi el 10 % en la eficiencia del colector solar33.

La influencia de las tasas de flujo de volumen en la eficiencia del colector parabólico solar (a), (b) y (c). Eficiencia instantánea del colector ηi frente a T* a caudales de volumen distintos para nanofluidos de 0,0158, 0,0238 y 0,0317% vol.

El trabajo experimental se lleva a cabo en colectores parabólicos solares según los estándares de ASHRE para varios nanofluidos de porcentaje de fracción de volumen con diferentes caudales. A partir del resultado experimental, la eficiencia del colector aumenta con el aumento de las tasas de flujo de volumen. A un caudal elevado, la diferencia de temperatura entre el tubo absorbedor y el fluido de trabajo es mínima; por lo tanto, se transfiere más calor. Agregar una cantidad suficiente de tensioactivo SDBS al nanofluido mejorará el movimiento browniano de las nanopartículas MWCNT. Esto da como resultado la estabilidad efectiva de las nanopartículas y mejora la transferencia de calor. Como la concentración de volumen incremental de MWCNT en un fluido base aumenta la eficiencia del colector pero al mismo tiempo aumenta la viscosidad del fluido de trabajo, la fijación de nanopartículas al fluido base tiene ciertas limitaciones. En el presente estudio, a 7 L/min con 0,0317 vol%, los nanofluidos tienen la mayor eficiencia de colector. La eficiencia del colector solar se mejoró marginalmente entre un 10 y un 11 % en el presente trabajo experimental.

Los conjuntos de datos utilizados y analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

Ambiente

Área del colector (m2)

fluido base

Proporción de concentración

Nanotubo de carbono

Calor específico (J/kg·K)

Diámetro (m)

Transformada de Fourier para infrarrojos

Entrada de fluido (°C)

Salida de fluido (°C)

Factor de eliminación de calor del colector

Conductividad térmica (W/mK)

Longitud del colector (m)

litro por hora

Litro por minuto

Masa (kg)

Caudal másico (kg/s)

Minutos

Nanotubos de carbono de paredes múltiples

nanofluido

nanopartícula

Ganancia de energía útil (W)

Revolución por minuto

Radiación solar global (W/m2)

Dodecilbencenosulfonato de sodio

Temperatura (°C)

Temperatura reducida (K-m2/W)

Microscopios electrónicos de transmisión

Pérdida global del coeficiente (W/m2K)

Ancho del colector (m)

Densidad (kg/m3)

Concentración de volumen (% en volumen)

Viscosidad dinámica (Ns/m2)

Eficiencia instantánea

Factor de transmisión-absorción

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Descargar referencias

Los autores agradecen al Proyecto de Apoyo a los Investigadores número (RSP2023R6), Universidad King Saud, Riyadh, Arabia Saudita.

Departamento de Ingeniería Mecánica, Instituto de Tecnología MS Ramaiah (afiliado a VTU), Bangalore, 560054, India

Vinayak Talugeri, Nagaraj Basavaraj Pattana y Veeranna Basavannappa Nasi

Departamento de Ingeniería Mecánica, Escuela de Ingeniería Mecánica, Química y de Materiales, Universidad de Ciencia y Tecnología de Adama, 1888, Adama, Etiopía

Kiran Shapurkar

Departamento de Microelectrónica VLSI, Escuela de Ingeniería Saveetha, Instituto Saveetha de Ciencias Médicas y Técnicas, Chennai, Tamilnadu, 602105, India

Manzoore Elahi Mohammad Soudagar

Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad King Saud, Riyadh, Arabia Saudita

Tansir Ahmad

Escuela de Ingeniería Civil y Ambiental, FEIT, Universidad de Tecnología de Sydney, Ultimo, NSW, 2007, Australia

Maryland. Abul Kalam

Departamento de Ingeniería Mecánica, Instituto de Tecnología Nitte Meenakshi, Yelahanka, Bangalore, 560064, India

Kiran Madrahalli Chidanandamurthy

Ingeniería Química y del Petróleo, Facultad de Ingeniería, Universiti Teknologi Brunei, Bandar Seri Begawan, BE1410, Brunei Darussalam

Nabisab Mujawar Mubarak y Rama Rao Karri

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VT, NPB, VBN: investigación, visualización, redacción del borrador original, revisión y edición. KS, MEMS, TA, MAK, KMC y NPB: conceptualización, investigación, visualización. NMM y RRK revisaron y editaron el manuscrito.

Correspondencia a Vinayak Talugeri o Nabisab Mujawar Mubarak.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Talugeri, V., Pattana, NB, Nasi, VB et al. Investigación experimental en un colector solar parabólico que utiliza nanotubos de carbono de paredes múltiples en base agua con bajas concentraciones de volumen. Informe científico 13, 7398 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34529-6

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Recibido: 08 marzo 2023

Aceptado: 03 mayo 2023

Publicado: 06 mayo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34529-6

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