Investigación experimental sobre un colector solar parabólico que utiliza agua.

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

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

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

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

Se realizó una investigación experimental con nanofluido de Al2O3-agua en el colector solar parabólico variando la fracción de volumen de 0,05 a 0,5% y el caudal másico de 0,0083 a 0,05 kg/s. La eficiencia más alta del colector solar se logró con 0,05 kg/s con 0,5 % en volumen de Al2O3. La fijación de nanopartículas en el fluido base mejora la eficiencia del colector del 3,4 al 8,54% con respecto al agua8. Se ha realizado una investigación experimental y numérica sobre nanofluido de agua MWCNT en un colector solar parabólico en diferentes ubicaciones. El resultado concluyó que las concentraciones de bajo volumen forman un mejor rendimiento termohidráulico para caudales inferiores a 0,2 L/s9. El estudio experimental se realizó con nanopartículas de óxido de grafeno y alúmina al 0,2% en peso en un nanofluido a base de agua. El caudal del sistema solar parabólico varió de 1 a 5 L/min. La mejor eficiencia del colector del 63,2 % se encontró a 1 L/min usando nanofluido de óxido de grafeno y agua en comparación con agua pura. Este resultado se debió a que las nanopartículas de óxido de grafeno eran más alargadas que la alúmina y formaban una capa delgada en la superficie interna del tubo absorbente para evitar la formación de burbujas para una mejor transferencia de calor10. Se realizó un análisis numérico de nanopartículas de CuO y Al2O3 en una fracción de cantidad del 3% en agua para un colector solar parabólico. Se adoptó el enfoque de volumen finito para la evaluación utilizando el modelo turbulento k – ε RNG para distintas entradas de calor. El análisis numérico confirma que el aumento de calor aumentó en un 28 % para los nanofluidos de Al2O3-agua y en un 35 % para los nanofluidos de CuO-agua al 3 % en volumen11. El trabajo de investigación anterior brinda información sobre el efecto de diferentes nanopartículas y sus concentraciones en el rendimiento de los colectores solares.

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

El modelo matemático se ha desarrollado con un nanofluido híbrido en un colector solar parabólico. En los nanofluidos híbridos, se utiliza más de un tipo de nanopartícula en el fluido base. Este estudio numérico utilizó del 1 al 4% en volumen de combinaciones de nanopartículas híbridas Ag-ZnO, Ag-TiO2 y Ag-MgO en el fluido base Syltherm 800 entre números de Reynolds 10 000 y 80 000. El estudio reveló que los nanofluidos híbridos son más eficaces que el fluido base y, entre todas las combinaciones híbridas, el nanofluido Ag-MgO-Syltherm 800 al 4 % en volumen tiene la mayor eficiencia térmica14. Se llevó a cabo un estudio experimental con nanofluidos híbridos CuO-MWCNT-agua y los resultados se compararon con nanofluidos individuales. Las concentraciones de CuO se utilizan al 0,15% en peso y MWCNT al 0,005% en peso en sistemas de captación directa de energía solar. El rendimiento de los nanofluidos se analizó mediante absorción fototérmica. El resultado concluyó que los nanofluidos híbridos funcionan mejor que los nanofluidos individuales en la transferencia de calor15. Se realizó un estudio numérico en un colector parabólico con el nanofluido híbrido Al2O3 (3 vol%)-Syltherm 800, Al2O3 (3 vol%)-Syltherm 800 y Al2O3 (1,5 vol%)-TiO2 (1,5 vol%)-Syltherm 800. . El caudal fue de 150 L/min y la temperatura de entrada fue de 300 a 650 K. Los resultados numéricos confirmaron que los nanofluidos híbridos funcionan mejor que los nanofluidos individuales16. La investigación anterior describe el impacto de los nanofluidos híbridos en la eficiencia del colector solar parabólico.

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

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

Esta sección informa los materiales y métodos utilizados durante la experimentación.

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

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

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

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

Se consideró un método de dos pasos para la preparación de nanofluido de CNT. Primero, se preparó una solución de surfactante usando dodecilbencenosulfonato de sodio (SBBS), luego se mezclaron nanopartículas de MWCNT con la solución y se mantuvo una relación 1:1 de surfactante/MWCNT21,22,23. La solución preparada se aplicó para dirección magnética durante hasta 10 minutos a 500 rpm y luego se trató con ultrasonido durante 40 minutos para dispersar el MWCNT en la solución. Las fracciones de volumen de MWCNT 0,0158, 0,0238 y 0,0317 % en volumen se utilizaron durante la formación del nanofluido (Tabla 1). Durante el cálculo se consideraron las propiedades termofísicas de MWCNT y el agua. La estabilidad del MWCNT se analizó con más detalle en la sección "Efecto de diferentes concentraciones de nanopartículas de MWCNT en el agua".

A medida que las nanopartículas se agregaron al fluido base agua, las propiedades de ese fluido cambiaron. La adición de las nanopartículas se midió en términos de concentración en volumen, que está determinada por la ecuación. (1)20.

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

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

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

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

La disposición esquemática del colector solar parabólico se muestra en la Fig. 2a. En la Fig. 2b se realiza la prueba de rendimiento del colector solar parabólico suministrado por Eco-sense, Delhi, India. La Tabla 2. proporciona el detalle de las especificaciones del equipo. El experimento se puso a prueba en Bengaluru, India (13° 1′ 50″ N–77° 33′ 54″ E). El colector solar se ubicó de norte a sur y la configuración tiene un mecanismo de seguimiento automático para ajustar la posición del colector parabólico con la posición del sol cada 20 min. El colector parabólico tiene un factor de concentración de 20, que representa la cantidad de radiación solar concentrada en el tubo absorbente, con una reflectividad del 85% y una absortividad del 95%. El factor de concentración más alto, la reflectividad y la absortividad aumentan la transferencia de calor del fluido de trabajo al alcanzar una temperatura más alta. Los experimentos se realizaron según los estándares ASHRAE. Al comparar el rendimiento térmico general del colector solar, se consideran diferentes incidentes de radiación, temperatura ambiente y temperatura de consumo de fluido. Un experimento de régimen estacionario es importante para determinar la carga de radiación solar que incide en el colector y la carga de electricidad que pasa al fluido operativo a medida que fluye a través del colector. Los datos experimentales se tomaron de 10:00 a 16:00 en cada intervalo de 1 h para un caudal único, y el caudal varió entre 6, 6,5 y 7 l/min.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

La Figura 3b representa la eficiencia instantánea de la eficiencia del colector solar con parámetros de temperatura reducidos, \({\text{T}}^{*}=\frac{\left({\text{T}}_{\text{i}} -{\text{T}}_{\text{a}}\right)}{\text{S}}\) a diferentes caudales volumétricos. Las lecturas se representaron como ecuaciones lineales y los valores de FRU1 y FR(τα) se obtuvieron ajustando los datos en ecuaciones lineales para diferentes caudales volumétricos. Los parámetros de eficiencia, FRUl y FR(\({\uptau \upalpha }\)), en cada caudal volumétrico, se presentaron en la Tabla 3. Un valor más bajo de FRUl = 22,38 y un valor más alto de FR(τα) = 0,7959 se obtiene a 7 L/min. Esto indica un factor de fricción más bajo, lo que disminuye la caída de presión a través del tubo absorbente y mejora la transmisividad en el tubo absorbente. Esto aumenta la eficiencia instantánea de los colectores solares. Se obtiene un valor inferior de FRU1 = 22,38 y un valor superior de FR(τα) = 0,7959 a 7 L/min. Esto indica un factor de fricción más bajo, lo que disminuye la caída de presión a través del tubo absorbente y mejora la transmisividad en el tubo absorbente. Esto, a su vez, dio lugar a una mayor eficiencia instantánea de los colectores solares. Además, se observó que mayores caudales volumétricos influyeron positivamente en la eficiencia del colector solar.

El nanofluido se preparó sin utilizar tensioactivos. En este caso, las nanopartículas de MWCNT se sedimentaron al cabo de unos minutos. A las nanopartículas MWCNT se les atribuyó un comportamiento hidrofóbico y formaron fuertes fuerzas de Vander Waals entre ellas. La adición de tensioactivo al MWCNT aumentará la estabilidad. Para la preparación del nanofluido de CNT se utilizó como tensioactivo goma arábiga, Triton X-100, desoxicolato de sodio, ácido húmico, dodecilbencenosulfonato de sodio (SDBS), etc.28. Entre estos tensioactivos, el SDBS ofrece los resultados más prometedores. Por lo tanto, se prepararon nanofluidos añadiendo una concentración eficaz de tensioactivo SDBS. Esto conduce a una modificación en la superficie de MWCNT y se comporta de forma hidrófila. Los efectos del surfactante potencian las fuerzas de repulsión entre las partículas de MWCNT para evitar los aglomerados y permanecer estables29. La estabilidad de MWCNT se midió mediante el método fotográfico y se mantuvo estable durante más de un mes. La estabilidad a largo plazo de los MWCNT se caracterizó nuevamente mediante métodos de centrifugación durante 30 minutos a 3000 rpm. Los resultados siguieron siendo los mismos con el método fotográfico. Este nanofluido estable se realizó de manera más efectiva, lo que dio como resultado la eficiencia del colector solar parabólico.

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

Efecto de diferentes concentraciones de nanopartículas MWCNT en el agua (a), (b) y (c) Eficiencia instantánea del colector ηi vs. T* a 6, 6,5 y 7 L/min, respectivamente y (d) Espectroscopía FTIR de agua y nanofluidos.

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

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

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

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

Los caudales volumétricos de los nanofluidos variaron entre 6, 6,5 y 7 l/min mediante una válvula reguladora. Para cada caudal volumétrico, la eficiencia instantánea del colector versus los parámetros de temperatura reducida \({\text{T}}^{*}=\frac{\left({\text{T}}_{\text{ i}}-{\text{T}}_{\text{a}}\right)}{\text{S}}\) se establecen cambios. La Figura 5a-c muestra las variaciones de 0.0158, 0.0238 y 0.0317 vol% de nanofluidos a 6, 6.5 y 7 L / min, respectivamente. En todas las concentraciones de volumen de nanofluidos, la eficiencia del colector solar aumenta con tasas de flujo de volumen incrementales. A medida que aumenta el caudal del fluido de trabajo, el gradiente de temperatura disminuye y esto desarrolla un alto coeficiente de transferencia de calor. Esta es una reducción en la diferencia de temperatura entre Ti y Ta (gradiente de temperatura) y forma un valor más pequeño del parámetro T*, por lo que la eficiencia del colector solar aumenta3,8,32. Un estudio previo realizado por la investigadora Lyudmila Knysh sobre el método numérico se realizó con nanofluido de agua MWCNT y logró una mejora de casi el 10 % en la eficiencia del colector solar33.

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

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

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

Ambiente

Área del colector (m2)

fluido base

Proporción de concentración

Nanotubo de carbono

Calor específico (J/kg K)

Diámetro (m)

Transformada de Fourier para infrarrojos

Entrada de fluido (°C)

Salida de fluido (°C)

Factor de eliminación de calor del colector

Conductividad térmica (W/mK)

Longitud del colector (m)

Litro por hora

Litro por minutos

Masa (kg)

Caudal másico (kg/s)

Minutos

Nanotubo de carbono de paredes múltiples

nanofluido

Nanopartícula

Ganancia de energía útil (W)

Revolución por minuto

Radiación solar global (W/m2)

Dodecilbencenosulfonato de sodio

Temperatura (°C)

Temperatura reducida (K-m2/W)

Microscopios electrónicos de transmisión

Pérdida de coeficiente global (W/m2K)

Ancho del colector (m)

Densidad (kg/m3)

Concentración de volumen (vol%)

Viscosidad dinámica (Ns/m2)

Eficiencia instantánea

Factor de transmisión-absorción

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Nabisab Mujawar Mubarak y Rama Rao Karri

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

Correspondencia a Vinayak Talugeri o Nabisab Mujawar Mubarak.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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

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Recibido: 08 de marzo de 2023

Aceptado: 03 de mayo de 2023

Publicado: 06 de mayo de 2023

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

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Investigación experimental sobre un colector solar parabólico que utiliza agua.