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May 08, 2023

La aplicación de no

Informes científicos volumen 13,

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 8471 (2023) Citar este artículo

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La mejora de la transferencia de calor dentro de los intercambiadores de calor solares es importante para el desarrollo de la energía solar en un área urbana. En este estudio, se examina el uso de un campo magnético no uniforme en la eficiencia térmica del nanofluido (Fe3O4) que fluye dentro de la tubería en U de los intercambiadores de calor solares. Se aplica dinámica de fluidos computacional para visualizar el flujo de nanofluidos dentro del intercambiador de calor solar. Se investiga a fondo el papel de la intensidad magnética y el número de Reynolds en la eficiencia térmica. El efecto de fuentes simples y triples del campo magnético también se estudia en nuestra investigación. Los resultados obtenidos indican que el uso del campo magnético da como resultado la producción de vórtices en el fluido base y mejora la transferencia de calor dentro del dominio. Nuestro hallazgo indica que el uso del campo magnético con Mn = 25 K mejoraría la transferencia de calor promedio en aproximadamente un 21 % a lo largo de la tubería en U de los intercambiadores de calor solar.

El avance térmico de los intercambiadores de calor es fundamental para ahorrar entornos y costes. El rendimiento de los intercambiadores de calor es crucial en diferentes industrias, ya que se utilizan ampliamente en industrias, es decir, centrales eléctricas, plantas petroquímicas y refinerías de petróleo, así como en usuarios domésticos1,2,3. La importancia de este dispositivo para salvar el medio ambiente se menciona en trabajos anteriores ya que reducirá las emisiones de CO2 al quemar petróleo para la producción de energía. Por otro lado, un nuevo tipo de recurso energético como la energía solar se vuelve económico cuando el rendimiento de los intercambiadores de calor es lo suficientemente alto4,5.

El desarrollo de nuevas fuentes de energía es muy importante ya que la fuente de energía actual no es duradera por más de dos siglos6,7. De ahí que las energías renovables se hayan convertido en el tema principal de los investigadores como el mejor sustituto del crudo8,9. Además, la reducción de la contaminación no se consigue con la fuente de energía clásica ya que la producción de CO2 es inevitable en la quema de crudo10,11. Entre las energías renovables disponibles, la energía solar ha sido considerada una fuente confiable de energía debido a su accesibilidad y bajo costo, especialmente para los usuarios domésticos12,13. Si bien las plantas de energía solar no son comparables con otras plantas de energía (es decir, las nucleares) para la producción de energía a gran escala, esta fuente de energía podría usarse de manera eficiente para los usuarios de pequeña escala que viven a largas distancias de las áreas urbanas14,15,16,17. Por lo tanto, el uso de sistemas solares para la producción de fuentes de energía para usuarios domésticos se ha incrementado en los últimos tres años al aumentar el precio del petróleo18,19,20.

El uso de nanopartículas ha mejorado notablemente la eficiencia de los intercambiadores de calor actuales21,22. De hecho, las partículas ferrosas mejoran ampliamente la capacidad térmica del fluido base en los intercambiadores de calor y esto economiza el rendimiento de los paneles solares para proporcionar el agua caliente necesaria para los usuarios domésticos23,24,25. La capacidad calorífica del nanofluido tiene aumentos sustanciales con el uso del campo magnético. De hecho, la aplicación de la fuente magnética cerca de la tubería con la corriente de nanofluido da como resultado la perturbación en el fluido y se produce una estructura de vórtice en la corriente de nanofluido26,27. Por lo tanto, la transferencia de calor se intensifica dentro de los intercambiadores de calor. Esta característica del flujo de nanofluidos se ha investigado exhaustivamente en otro proceso, es decir, ebullición y fusión, ya que esto cambiaría las propiedades térmicas del proceso28,29,30. Aunque en la investigación actual se ha explorado el uso de una fuente magnética uniforme o no uniforme cerca del nanofluido con partículas ferrosas, este aspecto del flujo del nanofluido no se exploró exhaustivamente en diferentes secciones de los intercambiadores de calor31,32,33. En la mayoría de estos estudios, se utiliza un enfoque teórico para el análisis térmico del flujo de nanofluidos34,35,36. La técnica numérica de la dinámica de fluidos computacional también se utiliza para la investigación de la transferencia de calor de los intercambiadores de calor37,38. Debido al bajo costo de las investigaciones computacionales, esta técnica se considera como el método inicial para la preevaluación de nuevos enfoques innovadores para el desarrollo de las investigaciones actuales39,40. Aunque varias investigaciones se han centrado en el campo magnético uniforme para la mejora de los intercambiadores de calor, el campo magnético no uniforme se estudió en artículos limitados a través de la dinámica de fluidos computacional41,42,43.

En este artículo, el papel de un campo magnético no uniforme en la mejora térmica del flujo de nanofluidos a lo largo de un intercambiador de calor de doble tubería con giro en U (Fig. 1). Las características de flujo y las propiedades térmicas del flujo de nanofluidos se examinan y analizan mediante dinámica de fluidos computacional. La línea de corriente del flujo base con partículas ferrosas en un modelo bidimensional se explora a fondo para revelar los principales factores de flujo que mejoran los aspectos térmicos del nanofluido. Los impactos del número de Reynolds y las intensidades magnéticas de los nanofluidos también se simulan en la hidrodinámica de la corriente de nanofluidos. Además, la variación de la transferencia de calor a lo largo de la tubería en forma de U se representa gráficamente en diferentes condiciones.

El esquema de la tubería de giro en U en presencia de (a) fuente magnética no uniforme única (b) triple.

El nanofluido es la mezcla de partículas ferrosas (3–15 nm) dentro del fluido base, que es agua en este estudio. La simulación del nanofluido se realiza mientras que el fluido base es agua incompresible con las características térmicas del ferrofluido. Se supone que la corriente de nanofluidos es estable, incompresible y laminar44,45,46. Las principales ecuaciones que rigen la corriente de nanofluidos 2D con la suposición mencionada son las siguientes:

Hay dos términos de origen en las ecuaciones de momento y están asociados con el campo magnético y se conocen como Fuerza Kelvin. Estos términos fuente se calculan a través de estas fórmulas:

donde el valor de M se calcula a través de estas ecuaciones:

El valor adimensional para la evaluación de la intensidad magnética se calcula mediante

En los artículos publicados anteriores, se presentan y explican todos los detalles del campo magnético no uniforme aplicado en las principales ecuaciones que gobiernan el ferrofluido. Las características térmicas del fluido base, el aire y el agua se presentan en la Tabla 1.

La densidad, la viscosidad y la capacidad calorífica de la mezcla (agua con partículas ferrosas) se calculan mediante

Para comparar las características hidroeléctricas y térmicas de la corriente de nanofluidos, los números de Reynolds y Nusselt deben calcularse de la siguiente manera:

El modelo seleccionado de una tubería doble con giro en U con el flujo de nanofluidos se muestra en la Fig. 1. Las fuentes del campo magnético se muestran con la distribución no uniforme. Se aplica un flujo de calor uniforme (1000 W/m2K) en la pared como se muestra en la figura. Se supone que el ferrofluido con temperatura constante (300 K) y velocidad ingresa a la tubería. El tamaño de la tubería es d/D = 0,8.

También se realiza un estudio de rejilla para la simulación numérica del ferrofluido en el interior de la tubería. La figura 2 ilustra la cuadrícula producida para el modelo de giro en U elegido. La cuadrícula generada está completamente estructurada y el tamaño de la cuadrícula cerca de la pared es menor que en otras regiones debido a la interacción del campo magnético en la corriente de nanofluidos. Se realiza un análisis de independencia de cuadrícula (Tabla 2) para lograr las celdas de cuadrícula óptimas para la geometría introducida. Los resultados de la independencia de la rejilla se presentan en la Fig. 3. Como se observa en la tabla, se cambia el tamaño de las rejillas y se comparan sus efectos sobre las características térmicas de la tubería individual. Para este estudio se elige el modelo con un número de cuadrícula de 9000 celdas (30 × 300).

Red.

Validación (a) φ = 0,24 (b) φ = 1,18.

La validación de nuestro método se realiza para una corriente de nanofluidos a lo largo de una sola tubería y nuestros datos se comparan con datos experimentales y computacionales46,47,48,49. Como se demuestra en la Fig. 3, se simula el coeficiente de transferencia de calor del nanofluido con dos fracciones de volumen de nanopartículas a Re = 1500 y los resultados comparados confirmaron que la desviación de nuestro resultado es inferior al 8 %, lo que es aceptable para nuestros estudios futuros50,51,52 . Este enfoque se utiliza en diferentes problemas científicos53,54,55,56,57,58.

La Figura 4 ilustra los impactos de la fuente magnética en la racionalización del flujo de nanofluidos dentro de la tubería de giro en U. Cuando la fuente magnética única se aplica en las cercanías de la sección media del giro en U, se produce un solo vórtice. La formación de este vórtice es el principal resultado de la fuerza de Kelvin. En el caso de tres fuentes magnéticas, hay tres vórtices dentro del dominio. Se encuentra que los primeros vórtices (cable 3) son más grandes que los demás. La razón principal de la producción de vórtices es la falta de uniformidad del campo magnético. En las próximas secciones se explicará cómo la formación de los vórtices mejora la transferencia de calor.

Línea aerodinámica de nanofluido en existencia de (a) campo magnético no uniforme simple (b) triple con Mn = 165,000.

La influencia de estos vórtices en la transferencia de calor a lo largo de la tubería en U se ilustra en la Fig. 5. En esta figura, la fluctuación del número de Nusselt muestra la influencia de la fuente magnética en la transferencia de calor de la tubería en U en diferentes números de Reynolds. A medida que aumenta la velocidad del flujo de nanofluidos de entrada, los impactos de la fuente magnética en la hidrodinámica del flujo de nanofluidos se limitan debido al alto impulso del fluido. Por lo tanto, el tamaño del vórtice se restringe y, en consecuencia, la tasa de transferencia de calor disminuye, como se muestra en la Fig. 5. Uno de los aspectos principales de estos vórtices es el gradiente de alta velocidad dentro del dominio que hace que el nanofluido permanezca más tiempo. La Figura 6 demuestra la transferencia de calor a lo largo de la tubería en forma de U en diferentes números de Reynolds sin un campo magnético.

Variación de la transferencia de calor a lo largo del giro en U en presencia de una sola fuente de fuente magnética en (a) Re = 50 (b) Re = 150.

Variación de la transferencia de calor a lo largo del giro en U sin fuente de magnetismo.

Los efectos del campo magnético sobre la variación de temperatura del flujo de nanofluidos se representan en la Fig. 7. Se observa que el cambio de temperatura ocurre en la región donde se produce el vórtice. La variación de la temperatura no solo está relacionada con los vórtices, sino que también está asociada con los cambios en la capacidad calorífica del nanofluido bajo impactos de fuerza magnética no homogénea. El contorno de temperatura no dimensional demuestra estos efectos en nuestro modelo. La intensidad del campo magnético también intensifica la formación de fuertes vórtices y, en consecuencia, se mejora la transferencia de calor.

Contorno de temperatura adimensional bajo impactos de fuente magnética no uniforme (a) Mn = 0, (b) Mn = 92,000 y (c) Mn = 258,000.

En la Fig. 8 se representa una comparación de la transferencia de calor para la fuente magnética no uniforme simple y triple. La formación del pico en el gráfico representa la formación de vórtices bajo el impacto del campo magnético no uniforme. El número de Nusselt máximo ocurre cerca del cable 3 del caso de la fuente magnética triple. La figura aerodinámica también confirma que en esta zona se produce un gran vórtice. De hecho, esto se debe a la forma de la tubería de giro en U que tiende al flujo a moverse en la pared del fondo en lugar de en la pared interior. Por lo tanto, hay menos resistencia a la interrupción del vórtice.

Variación del número de Nusselt a lo largo de la tubería para campo magnético simple y triple.

La figura 9 ilustra el contorno de temperatura de una fuente magnética simple y triple, así como un modelo sin campo magnético. La variación de temperatura cerca de la fuente del campo magnético verifica que la existencia del campo magnético no uniforme mejora la transferencia de calor en la tubería en U. A medida que aumenta el número de la fuente del campo magnético, un área más grande dentro del dominio está bajo el impacto de la fuente magnética.

Comparación de temperatura no dimensional bajo impactos de (a) fuente simple y (b) triple de campo magnético no uniforme.

La influencia de la intensidad magnética en el número de Nusselt promedio a lo largo de la tubería de giro en U se presenta en la Fig. 10. La velocidad de entrada es constante (Re = 50) y la fuente de campos magnéticos no uniformes es uniforme. La variación del número de Nusselt promedio con cambios en la fuente magnética es casi lineal. El número de Nusselt promedio aumenta en aproximadamente un 21 % cuando la fuente magnética con una intensidad magnética de Mn = 258 000 se aplica mediante una sola fuente. Se obtiene la siguiente ecuación para la estimación de la transferencia de calor promedio a lo largo de la tubería con giro en U.

Efectos de la intensidad magnética de un solo campo magnético no uniforme sobre el número de Nusselt promedio a lo largo de la tubería con giro en U.

En el presente estudio se explora la influencia de un campo magnético no uniforme en la transferencia de calor de un nanofluido a través de una tubería con giro en U. La técnica CFD se utiliza para modelar las características hidrodinámicas y térmicas del nanofluido con ferropartículas de Fe2O3 bajo impactos del campo magnético simple y triple en una tubería de giro en U. El papel de la intensidad magnética y la velocidad del nanofluido de entrada en la hidrodinámica del flujo de nanofluido. Se explica extensamente la producción de los vórtices y su impacto en la transferencia de calor del fluido base. El contorno de temperatura de varias condiciones de fluido también está presente en el estudio actual. Los resultados obtenidos muestran que la aplicación de un campo magnético único no uniforme (Mn = 25,8 K) cerca de la sección media de la tubería en U aumentaría la transferencia de calor hasta en un 21 %.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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Laboratorio clave de tecnología de equipos de cosecha de cultivos de la provincia de Zhejiang, Politécnico de Jinhua, Jinhua, China

sida li

Chongqing Water Conservancy & Electric Power Construction Survey & Design Research Institute Hangzhou Branch, Hangzhou, China

liudán mao

Departamento de Ingeniería Civil, Facultad de Ingeniería, Universidad Cihan-Erbil, Erbil, Irak

As'ad Alizadeh

Co. Ltd. de la tecnología de Zhejiang Tongjing, Quzhou, China

xin zhang

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad Técnica y Vocacional (TVU), Teherán, Irán

S. Valiallah Mousavi

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SVM y AA escribieron el texto principal del manuscrito y SL y LM prepararon figuras y SL, LM y XZ mejoraron la redacción y la conclusión en inglés. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia al líder Mao o S. Valiallah Mousavi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Li, S., Mao, L., Alizadeh, A. et al. La aplicación de un campo magnético no uniforme para la mejora térmica del flujo de nanofluidos dentro de la tubería de giro en U en los colectores solares. Informe científico 13, 8471 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35659-7

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Recibido: 22 de marzo de 2023

Aceptado: 22 de mayo de 2023

Publicado: 25 mayo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35659-7

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