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Sep 04, 2023

Análisis energético, exergético y económico (3E) de planos

Informes científicos volumen 13,

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 411 (2023) Citar este artículo

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Detalles de métricas

El uso de la energía solar es una de las estrategias más destacadas para abordar los desafíos actuales de la gestión energética. La energía solar se utiliza en numerosos sectores residenciales a través de colectores solares de placa plana. La eficiencia térmica de los colectores solares de placa plana mejora cuando los fluidos de transferencia de calor convencionales se reemplazan con nanofluidos porque ofrecen propiedades termofísicas superiores a los fluidos de transferencia de calor convencionales. Los productos químicos concentrados se utilizan en las técnicas de síntesis convencionales de nanofluidos, que producen subproductos tóxicos peligrosos. La presente investigación analiza los efectos de nuevos nanofluidos de agua y nanotubos de carbono de pared múltiple tratados con ácido gálico covalentemente funcionalizados en el rendimiento de los colectores solares de placa plana. Los GAMWCNT son muy estables en el fluido base, según las técnicas de análisis de estabilidad, incluida la espectroscopia ultravioleta-visible y el potencial zeta. La evaluación experimental muestra que las propiedades termofísicas del nanofluido son mejores que las del agua desionizada del fluido base. Los análisis energético, exergético y económico se realizan utilizando concentraciones en peso de agua GAMWCNT al 0,025 %, 0,065 % y 0,1 % a caudales másicos variables de 0,010, 0,0144, 0,0188 kg/s. La introducción del nanofluido GAMWCNT mejoró el rendimiento térmico de los colectores solares de placa plana en términos de eficiencia energética y exergética. Hay una mejora en la eficiencia con el aumento del flujo de calor, el caudal másico y la concentración en peso, pero se observa una disminución a medida que aumenta la temperatura de entrada. Según los resultados experimentales, la mayor mejora en la eficiencia energética es del 30,88 % para una concentración del 0,1 % en peso de nanofluido GAMWCNT a 0,0188 kg/s en comparación con el fluido base. La eficiencia exergética del colector aumenta con el aumento de la concentración en peso, mientras que disminuye con el aumento del caudal. La mayor eficiencia exergética se logra con una concentración de GAMWCNT del 0,1 % y un caudal másico de 0,010 kg/s. Los nanofluidos GAMWCNT tienen valores más altos para el factor de fricción en comparación con el fluido base. Hay un pequeño incremento en la potencia de bombeo relativa con el aumento de la concentración en peso de nanofluido. Se alcanzan valores de índice de rendimiento de más de 1 para todas las concentraciones de GAMWCNT. Cuando el colector solar térmico funciona a 0,0188 kg/s y al 0,1 % de concentración en peso de nanofluido GAMWCNT, se logra la mayor reducción de tamaño, 27,59 %, en comparación con un colector solar de placa plana con agua como fluido de transferencia de calor.

La población mundial y el consumo de energía se están expandiendo rápidamente. La industrialización y la globalización de las culturas humanas modernas son las principales causas de este aumento en el consumo de energía. La Agencia Internacional de Energía predice que para fines de 2040, el consumo mundial de energía crecerá aproximadamente un 30%1. Los combustibles fósiles satisfacen el 86% de la demanda mundial de energía2. Las reservas mundiales de combustibles fósiles se están agotando rápidamente y el medio ambiente está gravemente contaminado. El desafío en la era actual es satisfacer las demandas de energía sin degradar más el medio ambiente. El Objetivo de Desarrollo Sostenible 7 se convierte en un desafío al que se enfrentan todos los países y afecta a todos. El objetivo fundamental del Objetivo de Desarrollo Sostenible 7 es lograr una energía económica, limpia, eficiente, confiable y accesible para todas las personas. Debido a que los recursos de energía convencionales son finitos, la búsqueda de fuentes de energía alternativas se ha intensificado en todo el mundo. Los recursos energéticos renovables han demostrado que pueden satisfacer la necesidad de energía limpia3.

Debido a su asequibilidad y disponibilidad, la energía solar tiene más demanda que otros recursos de energía renovable. La energía solar se puede utilizar en una variedad de formas. El calor solar se puede utilizar para diversas aplicaciones, incluida la calefacción de espacios, el agua caliente doméstica, la refrigeración e incluso la calefacción de procesos4,5. La recolección y conversión de energía solar es un enfoque clave en este sector energético. La energía del sol se puede recolectar fácilmente y convertir en energía térmica o eléctrica. Diferentes equipos y tecnologías, como colectores fotovoltaicos y solares térmicos, pueden llevar a cabo este proceso de conversión de energía. Los colectores solares emplean un fluido intercambiador de calor para convertir la energía solar en energía térmica. La placa absorbedor del colector capta la energía solar y la transfiere al fluido absorbedor, aumentando su energía interna, que posteriormente puede ser utilizada para diversos fines. Los colectores solares de placa plana (FPSC) sin concentración óptica se utilizan en el rango de temperatura de 40 a 100 °C. Son adecuados para aplicaciones domésticas debido a su simplicidad, facilidad de mantenimiento y costos mínimos de funcionamiento. FPSC tiene una eficiencia y una temperatura de salida relativamente bajas. Los materiales, el diseño6, el revestimiento de la placa del colector7, el ángulo de inclinación8, las condiciones climáticas9 y el fluido de trabajo10 son factores que influyen en la eficacia de los colectores solares de placa plana. Sustituir agua pura (que sirve como fluido de trabajo) por un fluido de mayor conductividad térmica es una de las formas más fáciles y efectivas de mejorar la eficiencia.

Los fluidos de transferencia de calor de uso común (agua destilada, glicoles, aceites, etc.) tienen una eficacia limitada en los sistemas de transferencia de calor, como los colectores solares térmicos, debido a su baja conductividad térmica y capacidades de transferencia de calor11,12. Las nanopartículas sólidas se pueden suspender en un fluido base para lograr una alta conductividad térmica. Los nanofluidos se definen como la dispersión de partículas de tamaño nanométrico en agua con una conductividad térmica superior a la del agua corriente13,14. Choi13 fue el primero en acuñar la frase "nanofluidos". Masuda et al.15 fueron los primeros en observar un cambio significativo en los parámetros termofísicos del líquido base después de la dispersión de nanopartículas. Estos 'nanofluidos' pueden mejorar significativamente el rendimiento de la transferencia de calor de los fluidos ordinarios16.

Numerosos estudios analizan la utilización de nanofluidos en FPSC para aumentar la eficiencia del colector. Según Said et al.17, la eficiencia del colector se mejoró hasta en un 76,6 % mediante el uso de nanofluido de TiO2 a un caudal de 0,00833 kg/s para una fracción de 0,1 % en peso de nanofluido. No hubo diferencia significativa en la pérdida de presión y los valores de potencia de bombeo en comparación con el fluido base. He et al.18 llevaron a cabo una investigación experimental para determinar los impactos del nanofluido cobre-agua (Cu-H2O) en el rendimiento térmico de FPSC mientras mantenían un caudal másico de 140 l/h para diferentes fracciones de masa de nanofluido. Se utilizó un método de dos pasos para la preparación de nanofluidos. Según los resultados del experimento, hubo una mejora sustancial en la eficiencia térmica, 23,83 % para una concentración de masa del 0,1 % y un tamaño de 25 nm. La eficiencia del colector disminuyó con el aumento del tamaño de las nanopartículas. Hajabdollahi et al.19 realizaron un estudio para modelar y optimizar un calentador de red solar utilizando colectores de placa plana. La eficiencia energética y la relación de costes se consideran dos funciones objetivas. Según los hallazgos, no es económicamente factible en el caso de una alta eficiencia del colector. Cada aumento del 10% en el precio de los combustibles provoca una caída del ratio de costes del 4,75%. En un estudio realizado por Said et al.20, se investigó la eficiencia térmica de un ciclo Rankine orgánico impulsado por energía solar a pequeña escala junto con un colector solar de placa plana sobre nanofluido híbrido MWCNT + WO3/agua y nanorefrigerante MWCNT/R141b. La eficiencia térmica y exergética del sistema ORC se investigó experimentalmente con varios caudales y concentraciones de nanofluidos. Se informó que 0,5 % en volumen de concentración de nanofluido y 3 lpm de caudal de nanofluido en el colector dieron como resultado un aumento considerable en la eficiencia energética y exergética de 8,52 % y 6,30 %, respectivamente.

Ahmadi et al.21 examinaron la eficiencia térmica del colector solar FP utilizando nanofluidos basados ​​en nanoplaquetas de grafeno (GNP) como fluido de transferencia de calor. Los resultados experimentales mostraron una mejora del 18,87 % en la eficiencia del colector utilizando nanofluido de grafeno. Said et al.22 examinaron las propiedades termofísicas de los nuevos nanofluidos híbridos de líquido iónico-MXene. Con 0,5 % en peso de nanomaterial MXene, se alcanzó una conductividad térmica de 0,82 W/mK. Otro estudio investigó la eficiencia energética, la energía visualizada y la generación de contaminación de un colector solar de placa plana que utiliza un nanofluido híbrido de agua/cobre-aluminio23. Se determinó que la eficiencia energética del colector del nanofluido híbrido es mayor que la de otros fluidos de trabajo. Said et al.24 realizaron una investigación experimental para analizar el rendimiento de un intercambiador de calor de carcasa y tubos que funciona con energía solar utilizando MWCNT/nanofluidos a base de agua. A 0,3% vol., el coeficiente de transferencia de calor mejoró en un 31,08%. El área se redujo en un 5,4 % para el sistema de 0,3 % MWCNT/agua en comparación con el fluido base. Jouybari et al.25 examinaron experimentalmente la eficiencia térmica de FPSC usando nanofluido de agua desionizada/SiO2. Encontraron un incremento del 8,1% en la eficiencia térmica. El parámetro de pendiente de la curva de eficiencia disminuye a medida que disminuye el tamaño de las nanopartículas. Kiliç et al.26 realizaron un estudio experimental para comprobar el efecto del uso de TiO2/nanofluido de agua como fluido de trabajo en el rendimiento térmico de FPSC. También se agregó el tensioactivo Triton X-100 durante la preparación del nanofluido para aumentar la estabilidad del nanofluido. Se encontró que se logró una eficiencia instantánea máxima del 48,67%. Stalin et al.22 llevaron a cabo un estudio experimental y teórico para analizar la eficacia de los colectores de placas planas líquidas que utilizan nanofluidos basados ​​en CeO2. En comparación con el agua de fluido base, un colector solar con nanofluido de dióxido de cerio (CeO2/H2O) logró una eficiencia térmica del 78,2 %, que fue un 21,5 % más que el agua. Sin embargo, algunos estudios también indican una reducción en la eficiencia del colector utilizando nanofluidos a base de alúmina27. La formación de la pared de deposición de nanopartículas observó una reducción del 5,5 % en la eficiencia. Esta capa de deposición creó una resistencia térmica adicional a la transferencia de calor y, en última instancia, disminuyó la eficiencia térmica. Arora et al.28 estudiaron el rendimiento de un colector solar de placa plana utilizando un tubo absorbente innovador, es decir, con forma de marquesa y nanofluido de Al2O3/agua. Los resultados experimentales ilustraron que, con un caudal másico de 3 lpm, la eficiencia del colector con y sin nanofluido es del 83,17 % y del 59,72 %, respectivamente. Otro estudio fue realizado por Akram et al.29 para investigar el desempeño de FPSC. Se adoptó el método de funcionalización covalente para sintetizar nanofluidos basados ​​en grafeno verde. Hubo un incremento significativo en la estabilidad coloidal del nanofluido. Los resultados experimentales mostraron que la eficiencia térmica mejoró en un 18,2 % al utilizar nanofluidos en comparación con el agua. Choudhary et al.30 realizaron un estudio experimental para comprobar el comportamiento térmico del colector utilizando nanofluido ZnO/agua. Se adoptó el método de funcionalización no covalente para preparar el nanofluido. Se encontró que con el tiempo, el nanofluido se vuelve ineficiente debido a la sedimentación, con la ayuda de un mayor tamaño de partícula. El porcentaje de mejora en la eficiencia fue del 19,9 % en comparación con el fluido base. Moravej et al.31 utilizaron nanofluido de TiO2/agua de rutilo para la investigación del rendimiento de la FPSC simétrica. El nanofluido se sintetizó mediante un método de funcionalización no covalente sin utilizar un tensioactivo. El uso de nanofluido de TiO2-agua aumentó significativamente la eficiencia térmica. Sarsam et al.32 llevaron a cabo otra investigación para analizar el comportamiento térmico del colector empleando nanofluidos basados ​​en GNP. Utilizaron el método de funcionalización convencional/covalente para funcionalizar GNP con trietanolamina (TEA). Aunque se observó una mejora considerable en la eficiencia del colector, se utilizaron productos químicos fuertes en la funcionalización covalente, que produce subproductos tóxicos peligrosos. Akram et al.33 utilizaron nanofluidos a base de carbono y metal como fluidos de trabajo para analizar la eficiencia térmica de la FPSC. En este estudio, las nanoplacas de carbono se funcionalizaron de forma covalente y los óxidos metálicos se funcionalizaron de forma no covalente utilizando un tensioactivo. Los resultados indicaron 60 días de estabilidad para el nanofluido a base de carbono y 30 días para el nanofluido a base de metal. El porcentaje de mejora en la eficiencia fue del 17,45 % para el nanofluido a base de carbono en comparación con el agua. Kumar et al.34 informaron que los GGNP con un 0,1 % en peso y un caudal de 1,5 lpm dieron como resultado un aumento del 24,09 % en la eficiencia de LFPSC con respecto al agua destilada. Se realizó la funcionalización covalente de nanoplaquetas de grafeno con ácido gálico. La potencia de bombeo relativa aumentó ligeramente con el aumento de la concentración de GGNP.

Aunque los nanofluidos basados ​​en nanopartículas de carbono proporcionan una alta tasa de transferencia de calor, los nanomateriales basados ​​en carbono tienen una baja estabilidad coloidal en el fluido base debido a su naturaleza hidrofóbica. Por lo tanto, es crucial modificar la superficie de las nanopartículas a base de carbono para mejorar su estabilidad coloidal. La modificación de la superficie se puede realizar utilizando métodos de funcionalización covalentes o no covalentes. Los tensioactivos son necesarios para la funcionalización no covalente, que tiene consecuencias no deseadas como la generación de espuma, la corrosión y muchas otras. Por lo tanto, para lograr una estabilidad dispersable a largo plazo, se prefiere el método de funcionalización covalente. Las características termofísicas de los fluidos de trabajo también mejoran en la funcionalización covalente32,35.

Además, los productos químicos concentrados se utilizan en la funcionalización covalente, produciendo subproductos tóxicos peligrosos35,36. Como necesidad, es esencial el uso de ingredientes ambientalmente aceptables para sintetizar nanopartículas, particularmente nanopartículas basadas en carbono.

El ácido gálico (GA), un polifenol antioxidante, está presente en muchas frutas y verduras, incluidas las uvas y el té37. El sector farmacéutico utiliza ampliamente el ácido gálico. Debido a sus propiedades ecológicas, el GA se puede utilizar para funcionalizar de forma covalente nanotubos de carbono de paredes múltiples, convirtiendo su superficie hidrófoba en hidrófila y mejorando su estabilidad en el fluido base.

Según la literatura disponible, no se han descubierto estudios centrados en el uso de nanofluidos funcionalizados covalentemente, estables y respetuosos con el medio ambiente para evaluar el rendimiento térmico de las FPSC. En el presente estudio, se utiliza un nanofluido verde, estable a largo plazo, covalentemente funcionalizado con ácido gálico, nanotubos de carbono de pared múltiple y agua como fluido de transferencia de calor para evaluar la eficiencia energética y exergética de un colector solar de placa plana. También se lleva a cabo un análisis económico de FPSC utilizando nanofluido de agua GAMWCNT sintetizado verde. Se evalúa el efecto de la temperatura de salida sobre la eficiencia del colector, el factor de fricción (f), la potencia de bombeo, la reducción del tamaño del colector y las reducciones de costos. Los experimentos se llevan a cabo con tres concentraciones de peso diferentes de nanofluido GAMWCNT-H2O, 0,025 %, 0,065 % y 0,1 %, con caudales másicos variables de 0,010, 0,0144 y 0,0188 kg/s, manteniendo intensidades de flujo de calor de 600, 800 y 1000 W/m2 y temperaturas en la entrada entre 303 y 323 K.

Los siguientes tres temas se tratan en profundidad en esta sección:

Técnica de síntesis de nanofluidos de GAMWCNTs funcionalizados covalentemente ecológicos

Banco de pruebas experimentales de la FPSC. para probar el rendimiento térmico

Método de prueba para la realización de experimentos utilizando nanofluidos ecológicos

El extracto fenólico natural de ácido 3,4,5 trihidroxibenzoico, también conocido como ácido gálico (GA), se utilizó para funcionalizar de forma covalente nanotubos de carbono de paredes múltiples (diámetro: < 8 nm, pureza: > 95 %, SSA: > 500 m2/g) . Se introdujo un método de dos pasos, como lo sugirió Akram et al.38, para la preparación de nanofluidos de nanotubos de carbono de paredes múltiples tratados con ácido gálico verde. Se sumergieron 5 g de nanotubos de carbono de pared múltiple inmaculados (Nanostructured & Amorphous Materials Inc.) y 15 g de ácido gálico en un vaso de precipitados lleno con 1000 ml de agua destilada y luego se agitó durante casi 1/4 h hasta que la mezcla se volvió homogénea. Durante el tiempo de sonicación, se inyectaron gota a gota en la mezcla 25 ml de H2O2 (Brand-sigma-Aldrich). La mezcla resultante se sometió a ultrasonidos durante 1/3 h. A continuación, la mezcla se calentó a reflujo durante 14 ha 80 °C. La centrifugación del coloide GAMWCNs se realizó a 14.000 rpm y se enjuagó múltiples veces con agua destilada para eliminar las partículas residuales hasta que el pH llegó a 7. Posteriormente, la muestra sintetizada se secó a 60 °C en una estufa durante un día. Finalmente, nanotubos de carbono de pared múltiple tratados con ácido gálico - nanofluido de agua se sintetizó dispersando 0,025, 0,065 y 0,1% en peso de nanopartículas de MWCNT funcionalizadas covalentemente en agua durante 10 minutos mediante ultrasonidos. Se encontró que los GAMWCNT estaban bien dispersos en el fluido base. En la figura 1 se muestra un diagrama esquemático de la síntesis de GAMWCNT.

Presentación gráfica del proceso de síntesis.

Se llevaron a cabo experimentos en un laboratorio del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Malaya en Malasia (pruebas en interiores) para analizar el rendimiento térmico de los colectores solares térmicos de placa plana. La Tabla 1 enumera las especificaciones detalladas del FPSC utilizado en esta investigación. La figura 2a muestra una representación esquemática de la disposición del equipo de prueba, mientras que la figura 2b representa la vista pictórica de la configuración experimental. El equipo de prueba incluye varias partes clave, como un circuito de flujo, dispositivos de control, registrador de datos, circulador de baño de agua refrigerado (medio de enfriamiento) y FPSC. La vista interior del FPSC y el detalle de la instalación de los termopares en los tubos ascendentes se muestran en la Fig. 3. Se utilizó una bomba eléctrica centrífuga para hacer circular el fluido de trabajo en el sistema de convección forzada. Un termopar tipo T autoadhesivo midió la temperatura ambiente y se utilizó un calentador adhesivo flexible fijado en la superficie del colector como fuente de flujo de calor constante similar a la radiación solar. Se empleó un circulador de baño de agua refrigerado con un tanque con camisa aislada para controlar la temperatura del nanofluido en la entrada del colector. Se utilizó un tanque de almacenamiento de acero inoxidable con una capacidad de 8 l como almacenamiento de fluido de trabajo (nanofluido), y para medir el caudal másico se instaló un medidor de flujo digital. Se insertó una válvula de aguja mucho antes del medidor de flujo para controlar la tasa de flujo másico durante la prueba, y se usaron detectores de temperatura de resistencia (RTD) PT-100 calibrados para monitorear las temperaturas de entrada y salida del colector solar.

( a ) Vista esquemática de la configuración experimental. ( b ) Vista pictórica de la configuración experimental.

Descripción detallada de FPSC junto con posiciones de termopar.

En cuatro posiciones diferentes a lo largo del eje x, se determinaron las temperaturas de la pared exterior de los dos tubos ascendentes intermedios (TW) y la temperatura de la línea central de la placa absorbente (AP), como se ve en la Fig. 3. Se puede observar que las posiciones de los termopares son 11,4, 34,29, 57,15 y 80,1 cm desde la posición de referencia de una placa absorbente en la dirección del eje x. Puede llamarse distancia axial adimensional (x/d). El valor de TW se tomó promediando dos tubos ascendentes en cada posición. La salida, la placa absorbente (AP), la pared del tubo (TW) y la temperatura ambiente y la caída de presión para cada prueba se registraron en condiciones de estado estacionario e intensidades de flujo de calor de 600, 800 y 1000 W/m2 según lo sugerido por el Estándar ASHRAE 93-2003 para pruebas en interiores39.

El rendimiento térmico de un colector solar de placa plana se probó en interiores según la norma ASHRAE 93-200339. Todas las pruebas se llevaron a cabo en condiciones de estado estacionario con varias tasas de flujo de calor equivalentes a las radiaciones solares para determinar la eficiencia térmica del FPSC.

La ganancia de calor útil en condiciones de estado estacionario se calcula utilizando la ecuación. (1)40

La eficiencia térmica del colector solar FP se calcula utilizando la ecuación. (2)32,41

La ecuación (3) se utiliza para encontrar el factor de eliminación de calor41

La pérdida de exergía se puede calcular mediante41

La energía absorbida \({\dot{Q}}_{s}\) está dada por34

Los cambios de entalpía del nanofluido GAMWCNT se calculan como34

Y para los cambios de entropía que siguen a la Ec. (9) se usa34

Poniendo valores de términos de Eqs. (7-9) en la ecuación. (6),

La tasa de pérdida de exergía y la eficiencia de exergía se encuentra mediante la ecuación. (11) y la ecuación. (12)34

Factor de fricción experimental evaluado a partir de los valores de caída de presión dados por34,42

Las ecuaciones (14) y (15) se utilizan para encontrar el número de Reynolds y la velocidad de flujo del fluido34

Las siguientes correlaciones se pueden utilizar para encontrar factores de fricción teóricos43,44

La potencia de bombeo se evalúa mediante11

La ecuación (19) se usa para encontrar la potencia de bombeo relativa45

\({Z}_{nf}\) y \({Z}_{bf}\) son el poder de bombeo del nanofluido base CMWCNT y el fluido base, respectivamente.

El índice de rendimiento (PI) se utiliza para evaluar la viabilidad y la eficacia de los nanofluidos GAMWCNT en FPSC, que está dado por46

La reducción de tamaño del colector solar de placa plana se da como47,48

Hay fallas mínimas e inexactitudes en los datos obtenidos. Los errores no se pueden evitar en cualquier experimentación que cause incertidumbre en los resultados. Se realizó un análisis de incertidumbre para evaluar la precisión de los valores experimentales registrados49. La eficiencia de FPSC se explicará proporcionalmente en este enfoque, como se muestra en las ecuaciones. (22) y (23)

R = R (x1, x2,...xn) si R es la salida de la función proporcionada que es proporcional a los parámetros independientes x1, x2,...xn. La ecuación (23), propuesta por Moffat61 y Holman62, puede utilizarse para medir la incertidumbre (δR).

La incertidumbre en los datos de los experimentos de esta investigación se calcula utilizando la ecuación. (24). que se basa en la Ec. (23)

2,62 %, 1,4 %, 0,70 %, 2 %, 2,2 %, 1,9 %, 0,45 %, 0,45 % y 0,8 % son valores de incertidumbre de calor específico, densidad, voltaje, corriente, radiación solar, conductividad térmica, temperatura de entrada, temperatura de salida y caudal másico respectivamente. El valor de incertidumbre para la eficiencia del colector es 3.90%.

Esta sección analiza varias técnicas utilizadas para caracterizar materiales, incluidas FTIR, espectroscopia Raman, potencial TEM y Zeta y espectroscopia UV/VIS.

En la técnica FTIR, en comparación con los MWCNT puros, la muestra de GAMWCNT muestra un fuerte indicio de la existencia de grupos hidroxilo (O–H). Los picos agudos y anchos en 3446–3750 cm−1 están vinculados con las vibraciones de estiramiento O–H en la estructura primaria de ambos MWCNT y GAMWCNT con varias intensidades debido a la interacción entre los MWCNT y los grupos hidroxilo (O–H) de gálico ácido (GA) y peróxido de hidrógeno (H2O2). El GA está efectivamente vinculado a los MWCNT puros mediante el proceso de injerto de radicales libres, según el espectro FTIR. La espectroscopia Raman es un método destacado para determinar la funcionalización química de los materiales a base de carbono. De acuerdo con este método, tanto los MWCNT como los GAMWCNT inmaculados cuentan con bandas D y G en números de onda de ~ 1350 y 1590 cm−1, respectivamente. Se empleó una técnica conocida como TEM para verificar el éxito de la funcionalización covalente en MWCNT. Según TEM, la superficie de los MWCNT se modificó con éxito para cumplir con los requisitos, como se muestra en la Fig. 4. Otra técnica, el potencial Zeta, se usa para analizar la estabilidad de las nanopartículas en el fluido base. Según la prueba de potencial Zeta, para un rango de pH de 2,70 a 9,56, los GAMWCNT muestran fuertes valores negativos que van desde − 16 a − 52,4 mV, que están lejos del punto isoeléctrico. Los GAMWCNT exhiben una fuerza de repulsión electrostática significativa en el rango de pH de 3,10 a 9,56, lo que inhibe la agregación de los MWCNT debido a interacciones no covalentes. La estabilidad del nanofluido también se confirmó mediante espectroscopia UV/VIS. La lectura de absorbancia aumentará a medida que aumente la cantidad de GAMWCNT dispersados, y la concentración relativa de GAMWCNT permanecerá estable hasta los 60 días38.

( a, b ) Imágenes TEM de MWCNT y GAMWCNT prístinos (reutilización con permiso de elsevier).

Las propiedades termofísicas de los GAMWCNT y los valores para varias concentraciones se presentan en la Tabla 2.

Se utilizó un analizador de propiedades térmicas KD2 Pro (Decagon Geräte, Inc., EE. UU.) con una precisión aproximada del 5 % para medir la conductividad térmica de los nanofluidos sintetizados en este estudio. Sonda KS-1, con un diámetro de 1,3 mm y una longitud de 60 mm utilizada como sensor de aguja, y su principio de funcionamiento se basa en el método de hilo caliente transitorio. Con menos del 1 % de incertidumbre, la conductividad térmica registrada para el fluido base (DW) muestra una buena compatibilidad con los datos del NIST50. En comparación con el agua desionizada (DW), los nanofluidos GAMWCNT-H2O tienen una conductividad térmica significativamente mayor, como se muestra en la Tabla 2, y la temperatura del fluido de trabajo y la concentración de nanopartículas aumentan la conductividad térmica. El movimiento browniano de las nanopartículas en un fluido es el factor principal que sustenta el aumento de la conductividad térmica del nanofluido GAMWCNT, que aumenta con el aumento de la temperatura. Con un aumento de la temperatura, aumenta la movilidad aleatoria de las nanopartículas en el fluido. Por lo tanto, la energía térmica se transporta muy rápidamente a través del fluido. La Tabla 2 muestra que el aumento máximo de la conductividad térmica es del 22,83 % a 323 K para una concentración del 0,1 % en peso.

En esta investigación, la viscosidad de los nanofluidos se midió utilizando un reómetro rotatorio Anton Paar (Anton Paar GmbH, Physica MCR 301). Se utilizaron velocidades de cizallamiento que oscilaban entre 20 y 200 1/s para realizar pruebas a diversas temperaturas. La viscosidad del nanofluido de GAMWCNTs es mayor que la del agua desionizada (DW), como se ve en la Tabla 2, mientras que la diferencia no es significativa. Además, la viscosidad efectiva del GAMWCNT se reduce a medida que aumenta la temperatura del fluido de trabajo, que es casi equivalente a la del agua desionizada (DW). Las fuerzas intermoleculares debilitadas entre las partículas del nanofluido podrían ser la causa de esta ocurrencia51,52,53. Puede verse que la adición de una concentración baja de GAMWCNT de nanopartículas da como resultado un pequeño aumento en el valor de la viscosidad, lo que es beneficioso porque los valores de viscosidad más altos disminuyen los efectos del aumento de la conductividad térmica del fluido debido a la potencia de bombeo mejorada de los sistemas de transferencia de calor54.

Otra propiedad termofísica importante es la capacidad calorífica específica. Se utilizó calorimetría diferencial de barrido (DSC-Q2000, TA Instruments) para medir el calor específico del nanofluido producido a varias concentraciones de peso y temperaturas. La Tabla 2 muestra los valores de capacidad calorífica específica registrados en varias concentraciones de peso de nanofluidos GAMWCNT y temperaturas de fluidos. Los valores de capacidad calorífica específica para agua desionizada (DW) también se presentan para comparación. La capacidad calorífica específica del nanofluido basado en GAMWCNT se reduce a medida que aumenta la concentración en peso de las nanopartículas; en comparación con el agua desionizada del fluido base, la caída en el valor de Cp fue de 0,33 a 1,42 %, que es solo una pequeña disminución. Por otro lado, la capacidad calorífica específica aumenta con el aumento de la temperatura del nanofluido.

También se evaluó la densidad del nanofluido GAMWCNT y el agua desionizada (DW) a varias temperaturas de fluido y concentraciones de nanopartículas, y los resultados se muestran en la Tabla 2. La densidad de los nanofluidos se midió con un densímetro Mettler Toledo (DM40). Debido a la expansión térmica del líquido, la densidad del nanofluido GAMWCNT y DW se reducen un poco a medida que aumenta la temperatura. Se observa que cuando la temperatura se eleva de 293 a 323 K, la densidad de los GAMWCNT se reduce en un 0,9% para una fracción en peso de 0,1% en peso. Además, se observa una correlación lineal entre la concentración de nanopartículas y la densidad, es decir, la densidad aumenta con la carga de nanopartículas.

La Figura 5 muestra la variación en la eficiencia térmica de un colector solar de placa plana para diferentes caudales másicos y concentraciones de peso de nanofluido de GAMWCNT. Se observa una caída en el factor de eliminación de calor (FRUL) y un aumento en el factor de calor absorbido FR (τα) para el aumento en el caudal másico (\(\dot{m)}\). La Tabla 3 enumera los valores de calor absorbido y factores de eliminación de calor para GAMWCNT a varios caudales y concentraciones de peso, y estos valores se comparan con agua desionizada. Se puede observar que el valor de FR (τα) aumenta con el caudal másico y es mayor para los nanofluidos de GAMWCNT que para el agua desionizada. El aumento de los valores de calor absorbido y la conductividad térmica del nanofluido de GAMWCNT contribuyen a mejorar los valores del coeficiente convectivo (h). Como resultado, la eficiencia del colector solar se ve con el aumento del caudal másico de 0,010 a 0,0188 kg/s por cada fracción de peso de GAMWCNT. Se puede observar que con un 0,1 % en peso de GAMWCNT y un caudal másico de 0,0188 kg/s en comparación con el agua desionizada del fluido base, la mejora máxima en la eficiencia térmica del FPSC es del 30,881 %. Además, se ha encontrado que se logra una mejora en la eficiencia de LFPSC con fracciones de peso crecientes de GAMWCNT. Esto se debe principalmente a que el sistema puede absorber más energía.

Variación en la eficiencia del colector con \(\frac{\left({T}_{i}-{T}_{a}\right)}{{G}_{T}}\) a varios caudales (a) 0,010 kg/s, (b) 0,0144 kg/s, (c) 0,0188 kg/s.

La figura 6 presenta la relación entre la eficiencia térmica de FPSC y el parámetro de temperatura reducida \(\frac{\left({T}_{i}-{T}_{a}\right)}{{G}_{T }}\) para varios caudales másicos de agua destilada como fluido base y nanofluido basado en GAMWCNT en diferentes fracciones de peso de nanofluidos GAMWCNT. Se puede notar que los nanofluidos de GAMWCNTs tienen mayores valores de FR (τα) que el fluido base. El valor más alto se alcanzó con un caudal de 0,0188 kg/s y un 0,1 % en peso. concentración. La tasa de transferencia de calor mejora con valores crecientes del factor de calor absorbido debido a un espesor de capa límite térmica más delgado.

Variación en la eficiencia del colector con \(\frac{\left({{\varvec{T}}}_{{\varvec{i}}}-{{\varvec{T}}}_{{\varvec{a} }}\right)}{{{\varvec{G}}}_{{\varvec{T}}}}\) a diferentes concentraciones de peso (a) 0,025 %, (b) 0,065 %, (c) 0,1 %

El coeficiente de calor por convección (h), cuyo valor es proporcional a la conductividad térmica (K) del fluido utilizado, mejora la eficiencia térmica de FPSC. La mejora sustancial en el coeficiente de convección (h) se atribuye principalmente al desarrollo de una fina capa límite térmica en las paredes del tubo ascendente debido al aumento de la conductividad térmica del nanofluido GAMWCNT y a la reducción de la resistencia térmica entre el fluido de transferencia de calor y la superficie de la pared interna del tubo ascendente. . Además, el grosor de la capa límite térmica se reduce utilizando nanopartículas basadas en carbono como GNP y MWCNT. El coeficiente mejorado de transferencia de calor (h) y la eficiencia térmica de los colectores solares de placa plana también se atribuyen al área de superficie específica (SSA) y al movimiento browniano de los GAMWCNT en agua destilada.

En comparación con el agua desionizada del fluido base, hay un incremento en los factores de pérdida de energía para los nanofluidos de GAMWCNT a varios caudales, como se muestra en la Tabla 3. Además, los valores del factor de energía absorbida aumentan con un aumento en el caudal másico, como se ve en la Tabla 3 Se observa que con el aumento de la fracción en peso de GAMWCNT en comparación con el agua desionizada, el aumento en el parámetro de energía absorbida es del 16,99 %, 23,70 % y 28,07 % a un caudal másico de 0,0188 kg/s. El parámetro de pérdida de energía es 6,17%, 6,69% ​​y 7,03%.

Muchos factores afectan la eficiencia de un colector solar de placa plana, y uno de los factores importantes es el gradiente de temperatura (ΔT) del fluido de trabajo dentro del colector. Hay una mejora en el rendimiento térmico de FPSC con el gradiente de temperatura porque la eficiencia térmica es directamente proporcional a la diferencia de temperatura entre la salida y la entrada como se presenta en la ecuación. (2). Además, la temperatura de entrada se fija para una prueba específica y se logra una mejora en la temperatura de salida utilizando nanofluidos en comparación con el fluido base. Este valor mejorado de la temperatura de salida afecta positivamente la eficiencia térmica del FPSC. La Figura 7a presenta la variación en la temperatura de salida en diferentes fracciones de peso para varias tasas de flujo másico de nanofluido GAMWCNT a GT y temperatura de entrada constantes. Se puede ver que a una concentración de peso particular, la temperatura en la salida se reduce con el aumento del caudal del fluido operativo. El agua desionizada y la concentración en peso del 0,1 % del nanofluido GAMWCNT tienen una reducción de la temperatura de salida del 0,8710 % y del 0,9292 %, respectivamente. Por otro lado, la temperatura de salida aumenta con la concentración en peso del nanofluido GAMWCNT en el colector solar. En comparación con el fluido base, el valor de la temperatura de salida fue alto para varias concentraciones de nanofluido de GAMWCNT. La mejora de la temperatura fue del 0,6774 %, 0,6489 % y 0,6183 % cuando el fluido base agua desionizada se reemplazó por una concentración en peso del 0,1 % de nanofluido GAMWCNT como fluido operativo a 0,010, 0,0144 y 0,0188 kg/s respectivamente. Hubo una mejora en el valor de ganancia de calor y el rendimiento térmico de FPSC debido a un aumento en la concentración de peso de nanofluido. Por lo tanto, la eficiencia térmica se mejora considerablemente al utilizar el nanofluido GAMWCNT en lugar del agua del fluido base. También se investiga la variación de la temperatura de salida con la temperatura de entrada al mantener constantes el flujo de calor y la concentración de peso del fluido operativo, y los resultados se presentan en la Fig. 7b. Se observa que se produce un incremento en la temperatura de salida cuando la temperatura de entrada aumenta a un caudal específico. La mejora en la temperatura de salida fue del 4,78 % a 0,010 kg/s, del 4,95 % a 0,0144 kg/s y del 5,02 % a 0,0188 kg/s en comparación con la temperatura de entrada. Debido a la mejora en la temperatura de salida, la mayor diferencia de temperatura es evidente cuando se utilizan nanofluidos GAMWCNT en comparación con el agua desionizada, aunque el valor de Cp para los GAMWCNT es menor que el del agua desionizada (fluido base), lo que conduce a un mayor rendimiento térmico de la energía solar. coleccionista55,56.

Temperatura de salida frente a (a) concentración en peso para diferentes caudales másicos del fluido de trabajo, (b) temperatura de entrada del fluido de trabajo.

Los valores de generación de entropía (Sgen) y destrucción de exergía (Edest) tienen un impacto significativo en la eficiencia de exergía de los sistemas de transferencia de calor. La minimización de Edest y Sgen mejora el rendimiento energético de estos sistemas. La variación en los valores de Edest y Sgen para 0.010, 0.0144, 0.0188 kg/s al mantener constante el flujo de calor (GT) y la temperatura en la entrada se presenta en la Fig. 8. De acuerdo con los resultados, hubo una mejora en los valores de entropía generación (Sgen) y destrucción de exergía (Edest) con el aumento del caudal másico de 0,010 a 0,0188 kg/s para la misma fracción de peso de fluido de trabajo. Este incremento en los valores de Edest y Sgen se debió al aumento de la ganancia de calor a medida que aumenta el caudal másico y la temperatura de salida del fluido de transferencia de calor cae rápidamente. Por otro lado, para un aumento en la fracción de peso GAMWCNT a un caudal másico fijo, hubo una mejora en el valor del factor de ganancia de calor y la temperatura de salida con un costo de aumento del factor de fricción (Fr). En consecuencia, los valores de destrucción de exergía y generación de entropía se reducen. Debido a su capacidad superior de absorción de calor, el nanofluido GAMWCNT al 0,1 % produce los valores más bajos de destrucción de exergía y generación de entropía.

Generación de entropía y destrucción de exergía para fluido base y nanofluido GAMWCNT.

La Figura 9 muestra la variación en la eficiencia exergética (ηe) para un nanofluido basado en GAMWCNT con un caudal másico de 0,010, 0,0144 y 0,0188 kg/s. Para una fracción de peso dada, se ha encontrado que la eficiencia exergética cae a medida que aumenta el caudal. Los valores crecientes de Sgen son la causa principal de esto. Además, la eficiencia exergética aumenta instantáneamente con el aumento de la concentración de fluido de trabajo a un caudal másico fijo. En comparación con el fluido base, las concentraciones de mayor peso de GAMWCNT demostraron mayores valores de eficiencia exergética. A una concentración de 0,025, 0,065 y 0,1 % de GAMWCNT para 0,0188 kg/s, la mejora en la eficiencia exergética es de 2,57 %, 4,18 % y 5,53 %, respectivamente, en comparación con el fluido base. El incremento en la eficiencia exergética es 2.38%, 3.45%, 4.16% a 0.0144 kg/s de caudal másico y 1.62%, 2.42%, 2.91% a 0.010 kg/s para 0.025%, 0.065% y 0.10% de concentración en peso respectivamente.

Eficiencia exergética frente a caudal másico para fluido base y nanofluido GAMWCNT.

Los valores elevados del factor de fricción y la potencia de bombeo afectan negativamente al rendimiento térmico de los sistemas solares térmicos, por lo que los valores de estos parámetros deben ser mínimos. La Figura 10a muestra el factor de fricción teórico calculado a partir de los modelos empíricos de Petukhov y Blasius y el factor de fricción determinado a partir de experimentos con agua desionizada de fluido base a temperatura de entrada fija, flujo de calor y número de Reynold variable (Re). Incluyendo alguna variación, la concordancia justa se encuentra entre los valores de estos dos tipos de factores de fricción (teórico y experimental). Se observa que la discrepancia entre el valor de fricción experimental (f) y el modelo de Blasius es de 7,23 %, mientras que la diferencia entre el valor de fricción observado y el modelo de Petukhov es de 8,26 %.

( a ) Valores de fricción experimentales, de Blasius y Petukhov del fluido base (agua DI) para diferentes números de Reynold. ( b ) Valores del factor de fricción para nanofluido GAMWCNT y agua DI en números de Reynold variables.

La variación en los valores del factor de fricción del nanofluido GAMWCNT en varios números de Reynolds se presenta en la Fig. 10b. Los valores obtenidos para varias concentraciones de nanofluidos se comparan con el fluido base. Se observa que los valores del factor de fricción disminuyen con el aumento del número de Reynolds. Esto se debe a que cuando aumenta el número de Reynolds, el gradiente de densidad disminuye, lo que reduce la magnitud de la resistencia por fricción. Por otro lado, a medida que aumenta la concentración de GAMWCNT, hay un pequeño incremento en los valores de fricción en comparación con el agua desionizada. Cuando los GAMWCNT se dispersan en el fluido base, la viscosidad del nanofluido aumenta, lo que provoca una caída de presión y, en última instancia, un factor de fricción. En comparación con el fluido base, para 0,025, 0,65 y 0,1 % de fracción en peso de GAMWCNT, el mayor aumento en el factor de fricción (f) es 2,29, 3,66 y 8,63 %. La mayor concentración de peso de GAMWCNT promueve la caída de presión y la potencia de bombeo porque las fuerzas de cizallamiento por fricción se inducen a una mayor viscosidad y velocidades del fluido de trabajo.

El poder de bombeo relativo de los GAMWCNT y el fluido base (DW) se muestra en la Fig. 11. Se observa que hay un ligero aumento en el poder de bombeo relativo a medida que aumenta la concentración en peso de las nanopartículas. Sin embargo, el poder de bombeo del nanofluido de GAMWCNT y el agua desionizada del fluido base es muy similar.

Potencia de bombeo relativa a diferentes concentraciones de peso.

El índice de rendimiento (PI) es un parámetro clave para evaluar la eficacia del nanofluido GAMWCNT-H2O en sistemas de transferencia de calor como los colectores solares de placa plana. Es esencial recordar que el nanofluido utilizado en los colectores solares debe tener valores de índice de rendimiento de más de uno, ya que de no hacerlo se anularán los beneficios potenciales y este nanofluido específico no es un fluido operativo aceptable32,46. La Figura 12 muestra los valores del índice de rendimiento a diferentes caudales. Se observa que para todas las concentraciones de peso de GAMWCNT, se encuentran parámetros de índice de rendimiento de más de uno porque el aumento en la eficiencia del colector de placa plana supera el aumento en el valor de la caída de presión. Además, los valores de PI aumentan con el aumento de la concentración en peso de GAMWCNT. Por lo tanto, el nanofluido GAMWCNT de mayor concentración con mayor índice de rendimiento y eficiencia puede ser un fluido operativo alternativo viable en FPSC.

Índice de rendimiento a varios caudales másicos para concentraciones de peso variables de GAMWCNT.

El objetivo principal de esta investigación es evaluar cuánta energía y material se puede ahorrar en el desarrollo de FPSC con nanofluidos GAMWCNT como fluidos de transferencia de calor. La Figura 13 muestra la posible reducción de tamaño a una concentración de peso diferente de nanofluido GAMWCNT en un colector de placa plana. Se ha encontrado que hay una mejora en la reducción del tamaño del colector con el aumento del caudal a la concentración fija de nanofluido GAMWCNT. Además, a un caudal constante, el aumento de la concentración de GAMWCNT mejoró la posibilidad de reducir el tamaño del colector solar de placa plana. Se registra que cuando FPSC operó a 0,0188 kg/s y 0,1 % de concentración de nanofluido GAMWCNT, se logró la mayor reducción de tamaño, 27,59 %, en comparación con FPSC con agua como fluido de transferencia de calor. Por lo tanto, la FPSC que usa nanofluido GAMWCNT es más rentable que la FPSC que usa agua.

Reducción de tamaño de FPSC a diferentes concentraciones de peso de nanofluido GAMWCNT.

El cálculo de toda la energía requerida para construir un producto u objeto se conoce como energía incorporada. El avance continuo de la tecnología industrial se debe a la disminución de la energía incorporada. Varios estudios demuestran que el uso de nanofluidos reduce los costos de producción de energía en comparación con el uso de agua. Dado que se produce más energía útil utilizando nanofluidos, se reducen los costes de producción de energía del colector y se mejora su rendimiento térmico57,58,59. El análisis económico se basa en gran medida en la evaluación de la energía incorporada en los colectores solares de placa plana. La evaluación efectiva de las implicaciones económicas de los colectores de placa plana se realizó utilizando el enfoque de evaluación del ciclo de vida34,47,60,61. Debido a que más del 70% de la EE se originó en la construcción de la FPSC, la metodología adoptada solo considera la energía incorporada (EE) durante las fases de construcción y operación de la FPSC62,63. La presente investigación considera cómo la masa y la energía incorporada afectan la reducción del tamaño del colector de placa plana. En varias concentraciones de nanofluido GAMWCNT y fluido base, el análisis económico y de energía incorporada se presenta en la Tabla 4. El vidrio y el cobre son los dos componentes principales del colector solar. Los índices de energía incorporada para el vidrio y el cobre son 15,9 MJ/kg y 70,6 MJ/kg, respectivamente64,65. El presente análisis considera la reducción de tamaño de FPSC en función de la masa y la energía incorporada. Se descubrió que el tamaño de FPSC se redujo cuando se usó el nanofluido GAMWCNT en lugar del fluido base agua, ahorrando 321,72 MJ de energía incorporada.

Además, a medida que se reduce el área del colector de placa plana, se reduce la demanda de electricidad, lo que reduce los costos de operación del sistema. El período de recuperación fue de 1,897 años para FPSC con nanofluidos GAMWCNT al 0,1 % en peso, que fue un 6,228 % más corto que el uso de agua como fluido de transferencia de calor. Por lo tanto, se concluye que el colector solar FP con nanofluido GAMWCNT como fluido de transferencia de calor es más eficiente y ahorra más energía que el FPSC con agua.

Se realizó una investigación experimental para analizar los efectos del nanofluido GAMWCNT sintetizado verde, un fluido de transferencia de calor no corrosivo, no tóxico y respetuoso con el medio ambiente, en el rendimiento de los colectores solares de placa plana.

Los siguientes son los puntos importantes de la conclusión.

La prueba de análisis de estabilidad mostró una mayor estabilidad de los GAMWCNT en fluido base durante 60 días sin agregación.

La eficiencia térmica del colector aumentó con el aumento del flujo de calor, la tasa de flujo másico y la concentración de peso, pero se observó una disminución a medida que aumentaba la temperatura de entrada. Según los resultados experimentales, la mayor mejora en la eficiencia energética fue del 30,8 % para una concentración del 0,1 % en peso de nanofluido GAMWCNT a 0,0188 kg/s en comparación con el fluido base.

El análisis exergético reveló que la eficiencia exergética (\({\eta }_{e})\) aumenta con la mejora en la concentración de peso de GAMWCNT pero disminuye con el incremento en el caudal. La eficiencia exergética máxima se alcanzó con una concentración de GAMWCNT del 0,1 % y un caudal másico de 0,010 kg/s.

Para concentraciones de nanofluido GAMWCNT de 0,025, 0,065 y 0,1 % en comparación con el fluido base (DW), el aumento máximo en el factor de fricción fue de casi 2,29, 3,66 y 8,63 %.

Se lograron valores de índice de rendimiento (PI) de más de 1 para cada concentración en peso de nanofluido GAMWCNT-H2O. Un aumento en la concentración de nanofluidos GAMWCNT mostró valores más altos para PI. El período de recuperación fue de 1,897 años para FPSC con nanofluidos GAMWCNT, que fue un 6,228 % más corto que el uso de agua como fluido de transferencia de calor. Por lo tanto, se concluye que los colectores solares FP con nanofluido GAMWCNT como fluido de transferencia de calor son más efectivos y ahorran más energía que los FPSC con agua.

Dependiendo de los resultados del estudio actual, los siguientes aspectos específicos pueden tenerse en cuenta en estudios posteriores sobre FPSC basados ​​en nanofluidos:

La preparación de nanomateriales con una mayor superficie específica requerirá una atención especial por parte de los investigadores para garantizar su excelente estabilidad coloidal, características termofísicas y rendimiento térmico de los FPSC.

Los nanofluidos deben ser estables en suspensiones coloidales para ser elegidos como fluidos de transferencia de calor. Los nanofluidos mal preparados tienden a agruparse y asentarse, lo que podría obstruir los canales de flujo y reducir su conductividad térmica. Por lo tanto, para un uso exitoso en FSPC u otros sistemas de transferencia de calor, los investigadores deben centrarse en sintetizar nanofluidos con una larga estabilidad coloidal en suspensión.

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

Área del colector de placa plana (m2)

Reducción del área del colector (m2)

Instituto Nacional de Normas y Tecnología

Capacidad calorífica del fluido (J/kg K)

Nanotubos de carbon

Nanotubos de carbono de paredes múltiples

Nanotubos de carbono de pared múltiple a base de ácido gálico

GNP tratado con ácido gálico

Colector solar de placa plana

Microscopio de transmisión por electrones

ácido gálico

Nanoplaquetas de grafeno

Peróxido de hidrógeno

Porcentaje en peso/fracción de masa

Conductividad térmica del fluido (W/mK)

Kelvin

Longitud del tubo (m)

Caudal de fluido de trabajo (kg/s)

Espectroscopia ultravioleta-visible

Diámetro interno

Flujo de calor (W/m2)

fluido base

nanofluido

Coeficiente de transferencia de calor por convección (W/m2. K)

número de Reynolds

Factor de fricción experimental

Temperatura, °C

Dióxido de titanio

Óxido de cerio (IV)

Oxido de aluminio

Óxido de zinc

Detector de temperatura de resistencia

Espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier

trietanolamina

Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado

Área superficial específica

La intensidad del flujo de calor (W/m2)

factor de calor absorbido

Factor de eliminación de calor

Destrucción de exergía

Generación de entropía

Índice de rendimiento

Energía incorporada

Pared de tubo

Temperatura ambiente (K)

La temperatura del fluido en la entrada (K)

La temperatura del fluido a la salida (K)

La temperatura del entorno (K)

Densidad del fluido (kg/m3)

Diferencia de presión (Pa)

Eficiencia exergetica

Eficiencia térmica del colector

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Muhammad Amar, Naveed Akram y Ghulam Qadar Chaudhary

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Muhammad Amar y Salim Newaz Kazi

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Manzoore Elahi M. Soudagar

Departamento de Ingeniería Mecánica, Escuela de Tecnología, Universidad Glocal, Delhi-Yamunotri Marg, Saharanpur, 247121, Uttar Pradesh, India

Manzoore Elahi M. Soudagar

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

Manzoore Elahi M. Soudagar

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

Nabisab Mujawar Mubarak

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

Md Abul Kalam

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Conceptualización, MA; metodología, NA, MA y GQC; análisis formal, SNK, MA y NA; investigación MAGQC; y NA; redacción—preparación del borrador original, MA y NA; redacción—revisión y edición, SNK, MA y NA supervisión, y MES, NMM y MA.K revisión y edición del manuscrito. Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Muhammad Amar o Nabisab Mujawar Mubarak.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Amar, M., Akram, N., Chaudhary, GQ et al. Análisis energético, exergético y económico (3E) de un colector solar de placa plana utilizando un novedoso nanofluido respetuoso con el medio ambiente. Informe científico 13, 411 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27491-w

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Recibido: 01 Octubre 2022

Aceptado: 03 enero 2023

Publicado: 09 enero 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27491-w

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