Análisis energético, exergético y económico (3E) de un piso.

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

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Detalles de métricas

El uso de 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 por nanofluidos porque ofrecen propiedades termofísicas superiores a los fluidos de transferencia de calor convencionales. En las técnicas de síntesis convencionales de nanofluidos se utilizan productos químicos concentrados, que producen subproductos tóxicos peligrosos. La presente investigación investiga los efectos de nuevos nanofluidos de agua y nanotubos de carbono multipared tratados con ácido gálico funcionalizados covalentemente de color verde sobre el rendimiento de los colectores solares de placa plana. Los GAMWCNT son muy estables en el fluido base, según 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 de 0,025%, 0,065% y 0,1% en peso de agua GAMWCNT a diferentes caudales másicos 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 de peso, pero se observa una disminución a medida que aumenta la temperatura de entrada. Según los hallazgos 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 de 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 de factor de fricción en comparación con el fluido base. Hay un pequeño incremento en la potencia de bombeo relativa al aumentar la concentración de peso de nanofluido. Se alcanzan valores del índice de rendimiento superiores a 1 para todas las concentraciones de GAMWCNT. Cuando el colector solar térmico funciona a 0,0188 kg/s y una concentración de 0,1% 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 están aumentando rápidamente. La industrialización y la globalización de las culturas humanas modernas son causas importantes de este aumento del consumo de energía. La Agencia Internacional de Energía predice que para finales de 2040, el consumo mundial de energía crecerá aproximadamente un 30%1. Los combustibles fósiles satisfacen el 86% de la demanda energética mundial2. 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 energéticas sin degradar aún más el medio ambiente. El Objetivo de Desarrollo Sostenible 7 se convierte en un desafío que enfrentan todos los países y afecta a todos. El objetivo fundamental del Objetivo de Desarrollo Sostenible 7 es lograr una energía que sea económica, limpia, eficiente, confiable y accesible para todas las personas. Como los recursos energéticos 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 energéticos renovables. La energía solar se puede utilizar de diversas formas. El calor solar se puede utilizar para diversas aplicaciones, incluida la calefacción de espacios, el agua caliente sanitaria, 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 aprovechar y convertir fácilmente en energía térmica o eléctrica. Diferentes equipos y tecnologías, como los captadores 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 absorbente del colector capta la energía solar y la transfiere al fluido absorbente, 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 costes mínimos de funcionamiento. FPSC tiene una eficiencia y una temperatura de salida relativamente bajas. Los materiales, el diseño6, el revestimiento de la placa colectora7, 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 comúnmente utilizados (agua destilada, glicoles, aceites, etc.) tienen una efectividad limitada en sistemas de transferencia de calor como los colectores solares térmicos debido a su baja conductividad térmica y capacidad 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 mayor que el agua ordinaria13,14. 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 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 un 76,6 % mediante el uso de nanofluido de TiO2 a un caudal de 0,00833 kg/s para una fracción de nanofluido de 0,1 % en peso. No hubo diferencias significativas en los valores de pérdida de presión y 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 de cobre-agua (Cu-H2O) en el rendimiento térmico de FPSC manteniendo 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 resultados, esto no es económicamente viable en el caso de un colector de alta eficiencia. Cada aumento del 10% en el precio del combustible provoca que el ratio de costes caiga un 4,75%. En un estudio realizado por Said et al.20, se investigó la eficiencia térmica de un ciclo Rankine orgánico a pequeña escala impulsado por energía solar junto con un colector solar de placa plana sobre un nanofluido híbrido MWCNT + WO3/agua y un nanorefrigerante MWCNT/R141b. La eficiencia térmica y exergética del sistema ORC se investigó experimentalmente con diversos caudales y concentraciones de nanofluidos. Se informó que un 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 un 8,52% y un 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 y MXene. Con un 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 alimentado por energía solar utilizando MWCNT/nanofluidos a base de agua. Con 0,3% vol., el coeficiente de transferencia de calor mejoró en un 31,08%. El área se redujo en un 5,4% para un sistema de 0,3% MWCNT/agua en comparación con el fluido base. Jouybari et al.25 examinaron experimentalmente la eficiencia térmica de FPSC utilizando nanofluidos de SiO2/agua desionizada. Encontraron un aumento 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 nanofluido de TiO2/agua como fluido de trabajo sobre el rendimiento térmico de FPSC. También se añadió 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 realizaron un estudio experimental y teórico para analizar la eficacia de los colectores de placas planas de líquidos que utilizan nanofluidos a base de CeO2. En comparación con el agua fluida base, un colector solar con nanofluido de dióxido de cerio (CeO2/H2O) logró una eficiencia térmica del 78,2%, 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 registró 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, nanofluido con forma de marquesa y Al2O3/agua. Los hallazgos experimentales ilustraron que a un caudal másico de 3 lpm, la eficiencia del colector con y sin nanofluido es del 83,17 % y 59,72 %, respectivamente. Akram et al.29 llevaron a cabo otro estudio para investigar el rendimiento de la FPSC. Se adoptó el método de funcionalización covalente para sintetizar nanofluidos verdes a base de grafeno. 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 descubrió que con el tiempo, el nanofluido se vuelve ineficaz debido a la sedimentación, ayudada por 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 rutilo TiO2/agua para la investigación del rendimiento de FPSC simétrica. El nanofluido se sintetizó mediante un método de funcionalización no covalente sin utilizar tensioactivos. 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 los PNB 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 metales 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 los nanofluidos a base de carbono y 30 días para los nanofluidos a base de metales. El porcentaje de mejora en la eficiencia fue del 17,45% para los nanofluidos a base de carbono en comparación con el agua. Kumar et al.34 informaron que los GGNP con 0,1% en peso y un caudal de 1,5 lpm dieron como resultado un aumento del 24,09% en la eficiencia de LFPSC sobre el agua destilada. Se realizó la funcionalización covalente de nanoplaquetas de grafeno con ácido gálico. La potencia de bombeo relativa aumentó ligeramente al aumentar la concentración de GGNP.

Aunque los nanofluidos basados ​​en nanopartículas de carbono proporcionan una alta tasa de transferencia de calor, los nanomateriales a base de carbono tienen una baja estabilidad coloidal en el fluido base debido a su naturaleza hidrofóbica. Por 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. Se requieren tensioactivos para la funcionalización no covalente, que tiene consecuencias no deseadas como la generación de espuma, corrosión y muchas otras. Por lo tanto, para lograr 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 a base de 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 covalentemente 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 de agua y nanotubos de carbono multipared, verde, estable a largo plazo, funcionalizado covalentemente y tratado con ácido gálico 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 la reducción 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%, a velocidades de flujo másico variables de 0,010, 0,0144 y 0,0188 kg/s, mientras se mantienen intensidades de flujo de calor de 600. 800 y 1000 W/m2 y temperaturas en entrada entre 303 y 323 K.

En esta sección se tratan en profundidad los siguientes tres temas:

Técnica de síntesis de nanofluidos de GAMWCNT funcionalizados covalentemente y respetuosa con el medio ambiente

Banco de pruebas experimental FPSC. para probar el rendimiento térmico

Método de prueba para la realización de experimentos utilizando nanofluidos ecológicos.

Se utilizó extracto fenólico natural de ácido 3,4,5 trihidroxibenzoico, también conocido como ácido gálico (GA), para funcionalizar covalentemente nanotubos de carbono multipared (diámetro: < 8 nm, pureza: > 95 %, SSA: > 500 m2/g). . Se introdujo un método de dos pasos, como lo sugieren 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 paredes múltiples 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 agitaron durante casi 1/4 h hasta que la mezcla se volvió homogénea. Durante el tiempo de sonicación, se inyectaron gota a gota 25 ml de H2O2 (Brand-sigma-Aldrich) en la mezcla. La mezcla resultante se sometió a ultrasonidos durante 1/3 h. Luego la mezcla se mantuvo a reflujo durante 14 h a 80 °C. La centrifugación del coloide GAMWCN se llevó a cabo a 14.000 rpm y se enjuagó varias veces con agua destilada para eliminar las partículas residuales hasta que el pH alcanzó 7. Luego, la muestra sintetizada se secó a 60 °C en un horno durante un día. Finalmente, se sintetizaron nanotubos de carbono de paredes múltiples tratados con ácido gálico y nanofluido de agua dispersando 0,025, 0,065 y 0,1% en peso de nanopartículas de MWCNT funcionalizadas covalentemente en agua durante 10 minutos mediante ultrasonicación. Se encontró que los GAMWCNT estaban bien dispersos en el fluido base. En la Fig. 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 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 banco de pruebas, mientras que la Fig. 2b representa la vista pictórica de la configuración experimental. El banco de pruebas incluye varias piezas clave, como un circuito de flujo, dispositivos de control, un registrador de datos, un circulador de baño de agua refrigerado (medio de refrigeración) 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 autoadhesivo tipo T midió la temperatura ambiente y se utilizó un calentador adhesivo flexible fijado a la superficie del colector como fuente de flujo de calor constante similar a la irradiancia 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 litros 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 el caudal 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 termopares.

En cuatro posiciones diferentes a lo largo del eje x, se determinaron las temperaturas de las paredes exteriores 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 ejecución de prueba se registraron en condiciones de estado estacionario e intensidades de flujo de calor de 600, 800 y 1000 W/m2 como lo sugiere el Norma 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 de la 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 mediante 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 \({\dot{Q}}_{s}\) viene dada por34

Los cambios de entalpía del nanofluido GAMWCNT se calculan como34

Y para los cambios de entropía siguiendo la ecuación. (9) se utiliza 34

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

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

Factor de fricción experimental evaluado a partir de los valores de caída de presión dados por 34,42

Las ecuaciones (14) y (15) se utilizan para encontrar el número de Reynolds y la velocidad del flujo de 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 utiliza para encontrar la potencia de bombeo relativa45

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

El Índice de Rendimiento (PI) se utiliza para evaluar la viabilidad y eficacia de los nanofluidos GAMWCNT en FPSC, que viene dado por46

La reducción de tamaño del colector solar de placa plana se da como 47,48

Hay fallas e inexactitudes mínimas en los datos obtenidos. No se pueden evitar errores 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 lo muestran las Ecs. (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, se puede utilizar 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, irradiancia solar, conductividad térmica, temperatura de entrada, temperatura de salida. y caudal másico respectivamente. El valor de incertidumbre para la eficiencia del colector es del 3,90%.

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

En la técnica FTIR, en comparación con los MWCNT puros, la muestra de GAMWCNT muestra una fuerte indicación de la existencia de grupos hidroxilo (O – H). Los picos agudos y anchos en 3446–3750 cm-1 están relacionados con las vibraciones de estiramiento O – H en la estructura primaria tanto de los MWCNT como de los GAMWCNT con diversas intensidades debido a la interacción entre los MWCNT y los grupos hidroxilo (O – H) del 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 materiales a base de carbono. Según este método, tanto los MWCNT como los GAMWCNT inmaculados presentan bandas D y G con 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 ha modificado con éxito para cumplir con los requisitos, como se muestra en la figura 4. Otra técnica, el potencial Zeta, se utiliza 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 oscilan entre -16 y -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 dispersos y la concentración relativa de GAMWCNT permanezca 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 diversas concentraciones se presentan en la Tabla 2.

Se utilizó un analizador de propiedades térmicas KD2 Pro (Decagon Geräte, Inc., EE. UU.) con una precisión de aproximadamente el 5 % para medir la conductividad térmica de los nanofluidos sintetizados en este estudio. La sonda KS-1, con un diámetro de 1,3 mm y una longitud de 60 mm, se utiliza 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 el aumento de temperatura, aumenta la movilidad aleatoria de las nanopartículas en el fluido. Por tanto, la energía térmica se transporta muy rápidamente a través del fluido. La Tabla 2 muestra que el aumento máximo en la conductividad térmica es del 22,83 % a 323 K para una concentración en peso del 0,1 %.

En esta investigación, la viscosidad de los nanofluidos se midió utilizando un reómetro giratorio Anton Paar (Anton Paar GmbH, Physica MCR 301). Para las pruebas se utilizaron velocidades de corte que oscilaban entre 20 y 200 1/s a diversas temperaturas. La viscosidad del nanofluido GAMWCNT 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, lo que es casi equivalente a la del agua desionizada (DW). Las fuerzas intermoleculares debilitadas entre las partículas del nanofluido podrían ser la causa de este fenómeno51,52,53. Se puede ver que la adición de una baja concentración de nanopartículas GAMWCNT da como resultado un pequeño aumento en el valor de la viscosidad, lo cual es beneficioso porque los valores de viscosidad más altos disminuyen los efectos del aumento de la conductividad térmica del fluido debido a la mayor potencia de bombeo de los sistemas de transferencia de calor54.

Otra propiedad termofísica importante es la capacidad calorífica específica. Se utilizó calorimetría de barrido diferencial (DSC-Q2000, TA Instruments) para medir el calor específico del nanofluido producido a diversas concentraciones de peso y temperaturas. La Tabla 2 muestra los valores de capacidad calorífica específica registrados en diversas concentraciones de peso de nanofluidos GAMWCNT y temperaturas de fluido. Los valores de capacidad calorífica específica del agua desionizada (DW) también se presentan a modo de comparación. La capacidad calorífica específica del nanofluido basado en GAMWCNT se reduce a medida que aumenta la concentración de 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 %, lo 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 diversas temperaturas de fluido y concentraciones de nanopartículas, y los hallazgos se muestran en la Tabla 2. La densidad de los nanofluidos se midió utilizando un densímetro Mettler Toledo (DM40). Debido a la expansión térmica del líquido, la densidad del nanofluido GAMWCNT y el DW se reducen un poco a medida que aumenta la temperatura. Se observa que cuando la temperatura aumenta 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 y la densidad de las nanopartículas, es decir, la densidad aumenta con la carga de las 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 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 los factores de calor absorbido y eliminación de calor para GAMWCNT a diversos caudales y concentraciones de peso, y estos valores se comparan con el agua desionizada. Se puede observar que el valor de FR (τα) aumenta con el caudal másico y es mayor para los nanofluidos 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 de convección (h). Como resultado, la eficiencia del colector solar se ve con el aumento en el caudal másico de 0,010 a 0,0188 kg/s para 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 de la FPSC es del 30,881%. Además, se ha descubierto 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 distintos 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 nanofluidos basados ​​en GAMWCNT en diferentes fracciones de peso de nanofluidos de GAMWCNT. Se puede observar que los nanofluidos de GAMWCNT tienen valores de FR (τα) mayores 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 al espesor más delgado de la capa límite térmica.

Variación en la eficiencia del colector con \(\frac{\left({{\varvec{T}}}_{{\varvec{i}}}-{{\varvec{T}}}_{{\varvec{a} }}\right)}{{{\varvec{G}}}_{{\varvec{T}}}}\) en 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 la FPSC. La mejora sustancial en el coeficiente de convección (h) se puede atribuir principalmente al desarrollo de una delgada capa límite térmica en las paredes del tubo ascendente debido a la mayor 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 espesor de la capa límite térmica se reduce utilizando nanopartículas a base de carbono como GNP y MWCNT. La mejora del coeficiente 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 al aumentar 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 mediante el uso de 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 varios caudales másicos de nanofluido GAMWCNT a GT y temperatura de entrada constantes. Se puede observar 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 del 0,8710% y del 0,9292% en la temperatura de salida, respectivamente. Por otro lado, la temperatura de salida aumenta con la concentración de peso del nanofluido GAMWCNT en el colector solar. En comparación con el fluido base, el valor de la temperatura de salida fue alto para diversas concentraciones de nanofluido GAMWCNT. La mejora de la temperatura fue del 0,6774 %, 0,6489 % y 0,6183 % cuando el agua desionizada del fluido base se reemplazó por una concentración del 0,1 % en peso 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 del nanofluido. Por lo tanto, la eficiencia térmica mejora considerablemente al utilizar nanofluido GAMWCNT en lugar de agua fluida base. También se investiga la variación de la temperatura de salida con la temperatura de entrada manteniendo constante el flujo de calor y la concentración de peso del fluido de operación, 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 lleva a un mayor rendimiento térmico del sistema solar. coleccionista55,56.

Temperatura de salida versus (a) concentración de 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) impactan significativamente la eficiencia exergética de los sistemas de transferencia de calor. Minimizar 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. Según los resultados, hubo una mejora en los valores de entropía. generación (Sgen) y destrucción de exergía (Edest) con un aumento en el caudal másico de 0,010 a 0,0188 kg/s para la misma fracción de peso del 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 de 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 mayor factor de fricción (Fr). En consecuencia, se reducen los valores de destrucción de exergía y generación de entropía. 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 el nanofluido basado en GAMWCNT a un caudal másico de 0,010, 0,0144 y 0,0188 kg/s. Para una fracción de peso determinada, se ha descubierto que la eficiencia exergética disminuye a medida que aumenta el caudal. La principal causa de esto son los valores crecientes de Sgen. Además, la eficiencia exergética aumenta instantáneamente al aumentar la concentración del 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 GAMWCNT de 0,025, 0,065 y 0,1% 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 un caudal másico de 0,0144 kg/s y 1,62%, 2,42%, 2,91% a 0,010 kg/s para una concentración de peso de 0,025%, 0,065% y 0,10% respectivamente.

Eficiencia exergética versus 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 cierta varianza, se encuentra una concordancia justa entre los valores de estos dos tipos de factores de fricción (teóricos y experimentales). Se observa que la discrepancia entre el valor de fricción experimental (f) y el modelo de Blasius es del 7,23%, mientras que la diferencia entre el valor de fricción observado y el modelo de Petukhov es del 8,26%.

(a) Valores de fricción experimentales, de Blasius y Petukhov del fluido base (agua desionizada) 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 diversas 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 a la 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, provocando una caída de presión y, en última instancia, un factor de fricción. En comparación con el fluido base, para una fracción en peso de 0,025, 0,65 y 0,1% 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 corte por fricción se inducen a 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 de 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 en 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 superiores a uno, ya que no hacerlo anulará cualquier beneficio potencial 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 caída de presión. Además, los valores de PI aumentan con el aumento de la concentración de 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 diferentes concentraciones de peso 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 con una concentración de peso diferente de nanofluido GAMWCNT en un colector de placa plana. Se ha descubierto 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 la FPSC operó a 0,0188 kg/s y una concentración de nanofluido GAMWCNT del 0,1%, se logró la mayor reducción de tamaño, 27,59%, en comparación con la FPSC con agua como fluido de transferencia de calor. Por lo tanto, la FPSC que utiliza nanofluido GAMWCNT es más rentable que la FPSC que utiliza agua.

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

El cálculo de toda la energía necesaria 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. Diversos estudios demuestran que el uso de nanofluidos reduce los costes de producción de energía en comparación con el uso de agua. Dado que se produce más energía útil utilizando nanofluidos, los costos de producción de energía del colector se reducen 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 FPSC, la metodología adoptada solo considera la energía incorporada (EE) durante las fases de construcción y operación de FPSC62,63. La presente investigación considera cómo la masa y la energía incorporada afectan la reducción del tamaño del colector de placa plana. En diversas concentraciones de nanofluido y fluido base GAMWCNT, la economía y el análisis de energía incorporada se presentan 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 disminuyó cuando se usó nanofluido GAMWCNT en lugar de agua fluida base, ahorrando 321,72 MJ de energía incorporada.

Además, a medida que se reduce el área del colector de placa plana, hay una disminución en la demanda de electricidad, lo que reduce los costos operativos 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 usar agua como fluido de transferencia de calor. Por lo tanto, se concluye que el colector solar FP con nanofluido GAMWCNT como fluido caloportador 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, sobre 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 el fluido base durante 60 días sin agregación.

La eficiencia térmica del colector aumentó con el aumento del flujo de calor, el caudal másico y la concentración de peso, pero se observó una disminución a medida que aumentaba la temperatura de entrada. Según los hallazgos 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 de exergía reveló que la eficiencia exergética (\({\eta }_{e})\) aumenta con el aumento de la concentración de peso de GAMWCNT pero disminuye con el incremento del caudal. La máxima eficiencia exergética se alcanzó con una concentración de GAMWCNT del 0,1% y un caudal másico de 0,010 kg/s.

Para concentraciones de nanofluidos 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 de peso de nanofluido GAMWCNT-H2O. Un aumento en la concentración de nanofluido GAMWCNT mostró valores más altos para PI. El período de recuperación fue de 1,897 años para FPSC con nanofluidos GAMWCNT, que fueron un 6,228 % más cortos que el uso de agua como fluido de transferencia de calor. Por tanto, se concluye que los colectores solares FP con nanofluido GAMWCNT como fluido caloportador son más efectivos y ahorran más energía que los FPSC con agua.

Dependiendo de los hallazgos del presente estudio, en estudios posteriores sobre FPSC basados ​​en nanofluidos se podrán tener en cuenta los siguientes aspectos específicos:

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 tienen tendencia a agruparse y sedimentarse, 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 presente estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

Área del colector de placa plana (m2)

Reducción del área del colector (m2)

Instituto Nacional de Estándares y Tecnología

Capacidad calorífica del fluido (J/kg K)

Nanotubos de carbon

Nanotubo de carbono de paredes múltiples

Nanotubo de carbono de paredes múltiples a base de ácido gálico

PNB tratado con ácido gálico

Colector solar de placa plana

Microscopio de transmisión por electrones

Ácido gálico

Nanoplaquetas de grafeno

Peróxido de hidrógeno

Porcentaje de peso/fracción de masa

Conductividad térmica del fluido (W/mK)

kélvin

Longitud del tubo (m)

Caudal del 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

Espectroscopía 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 del 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

Viscosidad fluidodinámica (mPa·s)

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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, supervisión de SNK, MA y NA, y revisión y edición del manuscrito por MES, NMM y MA.K. 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

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Recibido: 01 de octubre de 2022

Aceptado: 03 de enero de 2023

Publicado: 09 de enero de 2023

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

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