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Sep 04, 2023

Energie-, Exergie- und Wirtschaftsanalyse (3E) von Wohnung

Wissenschaftliche Berichte Band 13,

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 411 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die Nutzung von Solarenergie ist eine der wichtigsten Strategien zur Bewältigung der aktuellen Herausforderungen im Energiemanagement. Solarenergie wird in zahlreichen Wohnsektoren durch Flachkollektoren genutzt. Der thermische Wirkungsgrad von Flachkollektoren wird verbessert, wenn herkömmliche Wärmeübertragungsflüssigkeiten durch Nanoflüssigkeiten ersetzt werden, da diese überlegene thermophysikalische Eigenschaften gegenüber herkömmlichen Wärmeübertragungsflüssigkeiten bieten. Konzentrierte Chemikalien werden in den herkömmlichen Synthesetechniken von Nanoflüssigkeiten verwendet, wodurch gefährliche toxische Nebenprodukte entstehen. Die vorliegende Forschung untersucht die Auswirkungen neuartiger grüner, kovalent funktionalisierter, mit Gallussäure behandelter mehrwandiger Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Wasser-Nanoflüssigkeit auf die Leistung von Flachkollektoren. GAMWCNTs sind in der Basisflüssigkeit gemäß Stabilitätsanalysetechniken, einschließlich Ultraviolett-sichtbarer Spektroskopie und Zetapotential, äußerst stabil. Die experimentelle Auswertung zeigt, dass die thermophysikalischen Eigenschaften von Nanoflüssigkeit besser sind als die von entionisiertem Wasser als Basisflüssigkeit. Die Energie-, Exergie- und Wirtschaftsanalyse wird unter Verwendung von 0,025 %, 0,065 % und 0,1 % Gewichtskonzentrationen von GAMWCNT-Wasser bei unterschiedlichen Massendurchsätzen von 0,010, 0,0144, 0,0188 kg/s durchgeführt. Die Einführung des GAMWCNT-Nanofluids verbesserte die thermische Leistung von Flachkollektoren im Hinblick auf Energie- und Exergieeffizienz. Mit steigendem Wärmefluss, Massenstrom und Gewichtskonzentration steigt der Wirkungsgrad, mit steigender Einlasstemperatur nimmt jedoch ein Rückgang zu. Den experimentellen Ergebnissen zufolge beträgt die höchste Verbesserung der Energieeffizienz 30,88 % für eine 0,1 %ige Gewichtskonzentration des GAMWCNT-Nanofluids bei 0,0188 kg/s im Vergleich zur Basisflüssigkeit. Die Exergieeffizienz des Kollektors steigt mit steigender Gewichtskonzentration, während sie mit steigender Durchflussrate abnimmt. Die höchste Exergieeffizienz wird bei einer GAMWCNT-Konzentration von 0,1 % und einem Massendurchfluss von 0,010 kg/s erreicht. GAMWCNT-Nanoflüssigkeiten weisen im Vergleich zur Basisflüssigkeit höhere Werte für den Reibungsfaktor auf. Mit zunehmender Gewichtskonzentration des Nanofluids nimmt die relative Pumpleistung geringfügig zu. Für alle GAMWCNT-Konzentrationen werden Leistungsindexwerte von mehr als 1 erreicht. Wenn der solarthermische Kollektor mit 0,0188 kg/s und einer Gewichtskonzentration von 0,1 % GAMWCNT-Nanoflüssigkeit betrieben wird, wird die höchste Größenreduzierung, 27,59 %, im Vergleich zu einem Flachplatten-Solarkollektor mit Wasser als Wärmeübertragungsflüssigkeit erreicht.

Die Weltbevölkerung und der Energieverbrauch wachsen rasant. Die Industrialisierung und Globalisierung moderner menschlicher Kulturen sind Hauptursachen für diesen Anstieg des Energieverbrauchs. Die Internationale Energieagentur prognostiziert, dass der weltweite Energieverbrauch bis Ende 2040 um etwa 30 % steigen wird1. Fossile Brennstoffe decken 86 % des weltweiten Energiebedarfs2. Die weltweiten Reserven an fossilen Brennstoffen gehen rapide zur Neige und die Umwelt ist stark verschmutzt. Die Herausforderung in der heutigen Zeit besteht darin, den Energiebedarf zu decken, ohne die Umwelt weiter zu belasten. Ziel 7 für nachhaltige Entwicklung wird zu einer Herausforderung, vor der jedes Land steht und die alle betrifft. Das grundlegende Ziel des Ziels 7 für nachhaltige Entwicklung besteht darin, Energie zu schaffen, die wirtschaftlich, sauber, effizient, zuverlässig und für alle Menschen zugänglich ist. Da konventionelle Energieressourcen endlich sind, wird die Suche nach alternativen Energiequellen weltweit intensiviert. Erneuerbare Energiequellen haben bewiesen, dass sie den Bedarf an sauberer Energie decken können3.

Aufgrund ihrer Erschwinglichkeit und Verfügbarkeit ist Solarenergie gefragter als andere erneuerbare Energiequellen. Solarenergie kann auf vielfältige Weise genutzt werden. Solarwärme kann für verschiedene Anwendungen genutzt werden, darunter Raumheizung, Warmwasserbereitung im Haushalt, Kühlung und sogar Prozessheizung4,5. Die Sammlung und Umwandlung von Solarenergie ist ein zentraler Schwerpunkt in diesem Energiesektor. Die Energie der Sonne lässt sich leicht nutzen und in thermische oder elektrische Energie umwandeln. Verschiedene Geräte und Technologien wie Photovoltaik und Solarthermie können diesen Energieumwandlungsprozess durchführen. Solarkollektoren nutzen eine Wärmeaustauschflüssigkeit, um Sonnenenergie in Wärmeenergie umzuwandeln. Die Absorberplatte des Kollektors fängt Sonnenenergie ein und überträgt sie an die Absorberflüssigkeit, wodurch sich deren innere Energie erhöht, die anschließend für verschiedene Zwecke genutzt werden kann. Flachkollektoren (FPSC) ohne optische Konzentration werden im Temperaturbereich von 40–100 °C eingesetzt. Aufgrund ihrer Einfachheit, Wartungsfreundlichkeit und minimalen Betriebskosten eignen sie sich für den Einsatz im Haushalt. FPSC hat einen relativ niedrigen Wirkungsgrad und eine relativ niedrige Ausgangstemperatur. Materialien, Design6, Beschichtung der Kollektorplatte7, Neigungswinkel8, klimatische Bedingungen9 und Arbeitsflüssigkeit10 sind Faktoren, die die Wirksamkeit von Flachkollektoren beeinflussen. Der Ersatz von reinem Wasser (das als Arbeitsmedium dient) durch eine Flüssigkeit mit höherer Wärmeleitfähigkeit ist eine der einfachsten und effektivsten Möglichkeiten, die Effizienz zu verbessern.

Häufig verwendete Wärmeübertragungsflüssigkeiten (destilliertes Wasser, Glykole, Öle usw.) haben aufgrund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit und Wärmeübertragungsfähigkeit eine begrenzte Wirksamkeit in Wärmeübertragungssystemen wie Solarthermiekollektoren11,12. Feste Nanopartikel können in einer Basisflüssigkeit suspendiert werden, um eine hohe Wärmeleitfähigkeit zu erreichen. Unter Nanoflüssigkeiten versteht man die Dispersion nanometergroßer Partikel in Wasser mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als gewöhnliches Wasser13,14. Choi13 war der erste, der den Begriff „Nanofluide“ prägte. Masuda et al.15 beobachteten als erste eine signifikante Änderung der thermophysikalischen Parameter der Basisflüssigkeit nach der Nanopartikeldispersion. Diese „Nanofluide“ können die Wärmeübertragungsleistung gewöhnlicher Flüssigkeiten erheblich verbessern16.

Zahlreiche Studien befassen sich mit der Verwendung von Nanoflüssigkeiten in FPSC zur Steigerung der Kollektoreffizienz. Laut Said et al.17 wurde die Kollektoreffizienz durch die Verwendung von TiO2-Nanofluid bei einer Durchflussrate von 0,00833 kg/s für einen Nanofluidanteil von 0,1 Gew.-% um bis zu 76,6 % gesteigert. Es gab keinen signifikanten Unterschied in den Werten für Druckverlust und Pumpleistung im Vergleich zur Basisflüssigkeit. He et al.18 führten eine experimentelle Untersuchung durch, um die Auswirkungen von Kupfer-Wasser-Nanoflüssigkeiten (Cu-H2O) auf die thermische Leistung von FPSC zu bestimmen und gleichzeitig eine Massenflussrate von 140 l/h für verschiedene Nanoflüssigkeits-Massenfraktionen aufrechtzuerhalten. Für die Herstellung von Nanoflüssigkeiten wurde ein zweistufiges Verfahren verwendet. Den Versuchsergebnissen zufolge gab es eine erhebliche Verbesserung der thermischen Effizienz, 23,83 % bei einer Massenkonzentration von 0,1 % und einer Größe von 25 nm. Die Effizienz des Kollektors nahm mit zunehmender Nanopartikelgröße ab. Hajabdollahi et al.19 führten eine Studie zur Modellierung und Optimierung einer Solarnetzwerkheizung unter Verwendung von Flachkollektoren durch. Energieeffizienz und Kostenverhältnis werden beide als zwei Zielfunktionen betrachtet. Den Erkenntnissen zufolge ist dies bei hoher Kollektoreffizienz wirtschaftlich nicht sinnvoll. Jede Erhöhung der Treibstoffpreise um 10 % führt zu einem Rückgang der Kostenquote um 4,75 %. In einer Studie von Said et al.20 wurde der thermische Wirkungsgrad eines kleinen solarbetriebenen organischen Rankine-Kreislaufs in Verbindung mit einem Flachplatten-Solarkollektor anhand von MWCNT + WO3/Wasser-Hybrid-Nanofluid und MWCNT/R141b-Nanokältemittel untersucht. Die thermische und exergische Effizienz des ORC-Systems wurde experimentell bei verschiedenen Nanofluid-Durchflussraten und -Konzentrationen untersucht. Es wurde berichtet, dass eine Nanofluid-Konzentration von 0,5 Vol.-% und eine Nanofluid-Durchflussrate von 3 l/min im Kollektor zu einer erheblichen Steigerung der Energie- und Exergieeffizienz um 8,52 % bzw. 6,30 % führten.

Der thermische Wirkungsgrad des FP-Solarkollektors wurde von Ahmadi et al.21 unter Verwendung von auf Graphen-Nanoplättchen (GNPs) basierendem Nanofluid als Wärmeübertragungsflüssigkeit untersucht. Experimentelle Ergebnisse zeigten eine Steigerung der Effizienz des Kollektors um 18,87 % durch den Einsatz von Graphen-Nanofluid. Die thermophysikalischen Eigenschaften neuartiger Hybrid-Nanoflüssigkeiten aus ionischer Flüssigkeit und MXen wurden von Said et al.22 untersucht. Mit 0,5 Gewichtsprozent MXene-Nanomaterial wurde eine Wärmeleitfähigkeit von 0,82 W/mK erreicht. Eine weitere Studie untersuchte die Energieeffizienz, die sichtbare Energie und die Schadstofferzeugung eines Solarflachkollektors, der ein Wasser/Kupfer-Aluminium-Hybrid-Nanofluid verwendet23. Es wurde festgestellt, dass die Kollektor-Energieeffizienz des Hybrid-Nanofluids höher ist als die anderer Arbeitsflüssigkeiten. Eine experimentelle Untersuchung zur Analyse der Leistung eines solarbetriebenen Rohrbündelwärmetauschers unter Verwendung von MWCNTs/wasserbasierten Nanoflüssigkeiten wurde von Said et al.24 durchgeführt. Bei 0,3 % Vol. verbesserte sich der Wärmeübergangskoeffizient um 31,08 %. Die Fläche wurde für das 0,3 % MWCNT/Wasser-System im Vergleich zur Basisflüssigkeit um 5,4 % reduziert. Jouybari et al.25 untersuchten experimentell die thermische Effizienz von FPSC unter Verwendung von SiO2/deionisiertem Wasser-Nanofluid. Sie fanden eine Steigerung der thermischen Effizienz um 8,1 %. Der Steigungsparameter der Effizienzkurve nimmt mit abnehmender Nanopartikelgröße ab. Kiliç et al.26 führten eine experimentelle Studie durch, um die Auswirkung der Verwendung von TiO2/Wasser-Nanofluid als Arbeitsflüssigkeit auf die thermische Leistung von FPSC zu überprüfen. Bei der Herstellung des Nanofluids wurde außerdem das Tensid Triton X-100 zugesetzt, um die Stabilität des Nanofluids zu erhöhen. Es wurde festgestellt, dass ein maximaler Momentanwirkungsgrad von 48,67 % erreicht wurde. Stalin et al.22 führten eine experimentelle und theoretische Studie durch, um die Wirksamkeit von Flüssigkeits-Flachkollektoren unter Verwendung von CeO2-basiertem Nanofluid zu analysieren. Im Vergleich zur Basisflüssigkeit Wasser erreichte ein Solarkollektor mit Cerdioxid-Nanoflüssigkeit (CeO2/H2O) einen thermischen Wirkungsgrad von 78,2 %, was 21,5 % mehr als Wasser war. Einige Studien deuten jedoch auch auf eine Verringerung der Kollektoreffizienz bei Verwendung von Nanofluiden auf Aluminiumoxidbasis27 hin. Bei der Wandbildung durch Nanopartikelablagerung wurde eine Verringerung der Effizienz um 5,5 % festgestellt. Diese Abscheidungsschicht erzeugte einen zusätzlichen thermischen Widerstand gegen die Wärmeübertragung, was letztendlich zu einer Verringerung der thermischen Effizienz führte. Arora et al.28 untersuchten die Leistung von Flachkollektoren unter Verwendung eines innovativen Absorberrohrs, d. h. eines Marquise-förmigen und eines Al2O3/Wasser-Nanofluids. Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass bei einem Massendurchfluss von 3 l/min der Wirkungsgrad des Kollektors mit und ohne Nanoflüssigkeit 83,17 % bzw. 59,72 % beträgt. Eine weitere Studie wurde von Akram et al.29 durchgeführt, um die Leistung von FPSC zu untersuchen. Die kovalente Funktionalisierungsmethode wurde zur Synthese grüner Graphen-basierter Nanoflüssigkeiten eingesetzt. Die kolloidale Stabilität von Nanoflüssigkeiten nahm erheblich zu. Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass die thermische Effizienz durch die Verwendung von Nanoflüssigkeiten im Vergleich zu Wasser um 18,2 % gesteigert wurde. Choudhary et al.30 führten eine experimentelle Studie durch, um das thermische Verhalten des Kollektors mithilfe von ZnO/Wasser-Nanofluid zu überprüfen. Zur Herstellung des Nanofluids wurde die nichtkovalente Funktionalisierungsmethode angewendet. Es wurde festgestellt, dass das Nanofluid mit der Zeit aufgrund der Sedimentation, unterstützt durch die höhere Partikelgröße, ineffizient wird. Die prozentuale Effizienzsteigerung betrug 19,9 % im Vergleich zur Basisflüssigkeit. Moravej et al.31 verwendeten Rutil-TiO2/Wasser-Nanofluid für die Leistungsuntersuchung von symmetrischem FPSC. Nanofluid wurde durch eine nichtkovalente Funktionalisierungsmethode ohne Verwendung eines Tensids synthetisiert. Der Einsatz von TiO2-Wasser-Nanofluid steigerte die thermische Effizienz deutlich. Eine weitere Untersuchung wurde von Sarsam et al.32 durchgeführt, um das thermische Verhalten des Kollektors mithilfe von auf GNPs basierenden Nanoflüssigkeiten zu analysieren. Sie verwendeten die konventionelle/kovalente Funktionalisierungsmethode, um GNPs mit Triethanolamin (TEA) zu funktionalisieren. Obwohl eine beträchtliche Verbesserung der Kollektoreffizienz festgestellt wurde, wurden bei der kovalenten Funktionalisierung starke Chemikalien eingesetzt, die gefährliche toxische Nebenprodukte erzeugen. Akram et al.33 verwendeten Nanoflüssigkeiten auf Kohlenstoff- und Metallbasis als Arbeitsflüssigkeiten, um die thermische Effizienz von FPSC zu analysieren. Kohlenstoffnanoplättchen wurden in dieser Studie kovalent funktionalisiert und Metalloxide wurden mit einem Tensid nichtkovalent funktionalisiert. Die Ergebnisse zeigten eine Stabilität von 60 Tagen für kohlenstoffbasierte Nanoflüssigkeiten und 30 Tage für metallbasierte Nanoflüssigkeiten. Die prozentuale Effizienzsteigerung betrug 17,45 % für kohlenstoffbasiertes Nanofluid im Vergleich zu Wasser. Kumar et al.34 berichteten, dass GGNPs mit 0,1 Gew.-% und einer Durchflussrate von 1,5 l/min zu einer 24,09 %igen Steigerung der LFPSC-Effizienz gegenüber destilliertem Wasser führten. Es wurde eine kovalente Funktionalisierung von Graphen-Nanoplättchen mit Gallussäure durchgeführt. Die relative Pumpleistung nahm mit zunehmender GGNP-Konzentration leicht zu.

Obwohl auf Kohlenstoffnanopartikeln basierende Nanoflüssigkeiten eine hohe Wärmeübertragungsrate bieten, weisen kohlenstoffbasierte Nanomaterialien aufgrund ihrer hydrophoben Natur eine geringe Kolloidstabilität in der Grundflüssigkeit auf. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Oberfläche von Nanopartikeln auf Kohlenstoffbasis zu modifizieren, um ihre kolloidale Stabilität zu verbessern. Die Oberflächenmodifikation kann entweder mit kovalenten oder nichtkovalenten Funktionalisierungsmethoden erfolgen. Für die nichtkovalente Funktionalisierung sind Tenside erforderlich, was unerwünschte Folgen wie Schaumbildung, Korrosion und viele andere hat. Um eine langfristige Dispergierstabilität zu erreichen, wird daher die kovalente Funktionalisierungsmethode bevorzugt. Auch die thermophysikalischen Eigenschaften von Arbeitsflüssigkeiten werden durch die kovalente Funktionalisierung verbessert32,35.

Darüber hinaus werden konzentrierte Chemikalien bei der kovalenten Funktionalisierung eingesetzt, wodurch gefährliche toxische Nebenprodukte entstehen35,36. Als Notwendigkeit ist die Verwendung umweltfreundlicher Inhaltsstoffe für die Synthese von Nanopartikeln, insbesondere von Nanopartikeln auf Kohlenstoffbasis, unerlässlich.

Gallussäure (GA), ein Polyphenol-Antioxidans, ist in vielen Obst- und Gemüsesorten enthalten, darunter Weintrauben und Tee37. Der pharmazeutische Sektor verwendet Gallussäure in großem Umfang. Aufgrund seiner umweltfreundlichen Eigenschaften kann GA zur kovalenten Funktionalisierung mehrwandiger Kohlenstoffnanoröhren verwendet werden, wodurch ihre hydrophobe Oberfläche in hydrophile umgewandelt und ihre Stabilität in der Basisflüssigkeit verbessert wird.

Der verfügbaren Literatur zufolge wurden keine Studien entdeckt, die sich auf die Verwendung umweltfreundlicher, stabiler, kovalent funktionalisierter Nanoflüssigkeiten zur Bewertung der thermischen Leistung von FPSCs konzentrierten. In der vorliegenden Studie wird ein grünes, langzeitstabiles, kovalent funktionalisiertes, mit Gallussäure behandeltes mehrwandiges Kohlenstoffnanoröhren-Wasser-Nanofluid als Wärmeübertragungsflüssigkeit verwendet, um die Energie- und Exergieeffizienz eines Flachkollektors zu bewerten. Es wird auch eine wirtschaftliche Analyse von FPSC unter Verwendung von grün synthetisiertem GAMWCNT-Wasser-Nanofluid durchgeführt. Bewertet werden die Auswirkungen der Auslasstemperatur auf den Wirkungsgrad des Kollektors, den Reibungsfaktor (f), die Pumpleistung, die Reduzierung der Kollektorgröße und Kostensenkungen. Die Experimente werden mit drei unterschiedlichen Gewichtskonzentrationen von GAMWCNT-H2O-Nanofluid, 0,025 %, 0,065 % und 0,1 %, bei unterschiedlichen Massendurchflussraten von 0,010, 0,0144 und 0,0188 kg/s durchgeführt, während Wärmeflussintensitäten von 600 aufrechterhalten werden. 800 und 1000 W/m2 und Temperaturen am Eintritt zwischen 303 und 323 K.

Die folgenden drei Themen werden in diesem Abschnitt ausführlich behandelt:

Umweltfreundliche kovalent funktionalisierte GAMWCNTs-Nanofluid-Synthesetechnik

FPSC-Versuchsprüfstand. zum Testen der thermischen Leistung

Testmethode zur Durchführung von Experimenten mit umweltfreundlichem Nanofluid

Der natürliche Phenolextrakt 3,4,5-Trihydroxybenzoesäure, auch bekannt als Gallussäure (GA), wurde zur kovalenten Funktionalisierung von mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren (Durchmesser: < 8 nm, Reinheit: > 95 %, SSA: > 500 m2/g) verwendet. . Für die Herstellung von mit grüner Gallussäure behandelten mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren-Nanoflüssigkeiten wurde eine zweistufige Methode eingeführt, wie sie von Akram et al.38 vorgeschlagen wurde. 5 g makellose mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (Nanostructured & Amorphous Materials Inc.) und 15 g Gallussäure wurden in ein mit 1000 ml destilliertes Wasser gefülltes Becherglas getaucht und dann fast eine Viertelstunde lang gerührt, bis die Mischung homogen wurde. Während der Beschallungszeit wurden 25 ml H2O2 (Brand-Sigma-Aldrich) tropfenweise in die Mischung injiziert. Die resultierende Mischung wurde 1/3 h lang ultraschallbehandelt. Die Mischung wurde dann 14 Stunden lang bei 80 °C unter Rückfluss erhitzt. Die Zentrifugation des GAMWCN-Kolloids wurde bei 14.000 U/min durchgeführt und mehrmals mit destilliertem Wasser gespült, um Restpartikel zu entfernen, bis der pH-Wert 7 erreichte. Anschließend wurde die synthetisierte Probe einen Tag lang bei 60 °C in einem Ofen getrocknet. Schließlich wurde eine mit Gallussäure behandelte mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren-Wasser-Nanoflüssigkeit synthetisiert, indem 0,025, 0,065 und 0,1 Gew.-% kovalent funktionalisierte MWCNT-Nanopartikel 10 Minuten lang mittels Ultraschall in Wasser dispergiert wurden. Es wurde festgestellt, dass die GAMWCNTs in der Basisflüssigkeit gut dispergiert waren. Ein schematisches Diagramm der Synthese von GAMWCNT ist in Abb. 1 dargestellt.

Grafische Darstellung des Syntheseprozesses.

In einem Labor der Abteilung für Maschinenbau der Universität Malaya in Malaysia wurden Experimente durchgeführt (Innentests), um die thermische Leistung von Solarthermie-Flachkollektoren zu analysieren. Tabelle 1 listet die detaillierten Spezifikationen des in dieser Untersuchung verwendeten FPSC auf. Abbildung 2a zeigt eine schematische Darstellung der Versuchsaufbauanordnung, während Abbildung 2b die bildliche Darstellung des Versuchsaufbaus darstellt. Der Prüfstand umfasst mehrere Schlüsselkomponenten wie einen Strömungskreislauf, Steuergeräte, einen Datenlogger, einen gekühlten Wasserbadzirkulator (Kühlmedium) und FPSC. Die Innenansicht des FPSC und Details der Thermoelementinstallation an den Steigrohren sind in Abb. 3 dargestellt. Eine elektrische Zentrifugalpumpe wurde verwendet, um das Arbeitsmedium im erzwungenen Konvektionssystem zu zirkulieren. Ein selbstklebendes T-Thermoelement maß die Umgebungstemperaturen, und ein an der Kollektoroberfläche befestigter flexibler Klebeheizer wurde als Quelle für einen konstanten Wärmefluss ähnlich der Sonneneinstrahlung verwendet. Zur Steuerung der Nanofluidtemperatur am Kollektoreinlass wurde ein gekühlter Wasserbadzirkulator mit isoliertem Manteltank eingesetzt. Als Speicher für das Arbeitsmedium (Nanofluid) wurde ein Edelstahl-Lagertank mit einem Fassungsvermögen von 8 l genutzt und zur Messung des Massendurchflusses wurde ein digitaler Durchflussmesser installiert. Ein Nadelventil wurde deutlich vor dem Durchflussmesser eingesetzt, um den Massendurchfluss während des Tests zu steuern, und kalibrierte PT-100-Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs) wurden verwendet, um die Einlass- und Auslasstemperaturen des Solarkollektors zu überwachen.

(a) Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus. (b) Bildansicht des Versuchsaufbaus.

Detaillierte Beschreibung des FPSC zusammen mit den Thermoelementpositionen.

An vier verschiedenen Positionen entlang der x-Achse wurden die Außenwandtemperaturen der beiden mittleren Steigrohre (TW) und die Mittellinientemperatur der Absorberplatte (AP) ermittelt, wie in Abb. 3 zu sehen ist Die Positionen der Thermoelemente betragen 11,4, 34,29, 57,15 und 80,1 cm von der Referenzposition einer Absorberplatte in Richtung der x-Achse. Es kann als dimensionsloser axialer Abstand (x/d) bezeichnet werden. Der TW-Wert wurde durch Mittelung zweier Steigrohre an jeder Position ermittelt. Der Auslass, die Absorberplatte (AP), die Rohrwand (TW) sowie die Umgebungstemperatur und der Druckabfall für jeden Testlauf wurden bei stationären Bedingungen und Wärmeflussintensitäten von 600, 800 und 1000 W/m2 aufgezeichnet, wie von der vorgeschlagen ASHRAE-Standard 93-2003 für Innentests39.

Die thermische Leistung eines Flachkollektors wurde in Innenräumen gemäß ASHRAE-Standard 93-200339 getestet. Alle Tests wurden unter stationären Bedingungen mit verschiedenen Wärmeflussraten entsprechend der Sonnenstrahlung durchgeführt, um den thermischen Wirkungsgrad des FPSC zu bestimmen.

Der nutzbare Wärmegewinn unter stationären Bedingungen wird mithilfe von Gl. berechnet. (1)40

Der thermische Wirkungsgrad des FP-Solarkollektors wird mit Gleichung berechnet. (2)32,41

Gleichung (3) wird zur Ermittlung des Wärmeabfuhrfaktors41 verwendet

Der Exergieverlust kann berechnet werden durch41

Die absorbierte Energie \({\dot{Q}}_{s}\) ist gegeben durch34

Enthalpieänderungen des GAMWCNT-Nanofluids werden wie folgt berechnet34

Und für Entropieänderungen nach Gl. (9) wird verwendet34

Werte von Termen aus Gl. (7–9) in Gl. (6),

Die Rate des Exergieverlusts und der Exergieeffizienz ergibt sich aus Gl. (11) und Gl. (12)34

Experimenteller Reibungsfaktor, ermittelt anhand der Druckabfallwerte von34,42

Die Gleichungen (14) und (15) werden verwendet, um die Reynolds-Zahl und die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit zu ermitteln34

Die folgenden Korrelationen können zur Ermittlung theoretischer Reibungsfaktoren43,44 verwendet werden

Die Pumpleistung wird von11 bewertet

Gleichung (19) wird zur Ermittlung der relativen Pumpleistung45 verwendet

\({Z}_{nf}\) und \({Z}_{bf}\) sind die Pumpleistung des CMWCNT-Basis-Nanofluids bzw. der Basisflüssigkeit.

Zur Bewertung der Machbarkeit und Wirksamkeit von GAMWCNT-Nanoflüssigkeiten in FPSCs wird der Performance Index (PI) verwendet, der durch46 angegeben wird

Die Größenreduzierung des Flachkollektors wird mit 47,48 angegeben

Die erhaltenen Daten weisen nur minimale Fehler und Ungenauigkeiten auf. Bei Experimenten, die zu Unsicherheiten bei den Ergebnissen führen, können Fehler nicht vermieden werden. Um die Genauigkeit der aufgezeichneten experimentellen Werte zu bewerten, wurde eine Unsicherheitsanalyse durchgeführt49. Die Effizienz von FPSC wird in diesem Ansatz proportional erklärt, wie in den Gleichungen gezeigt. (22) und (23)

R = R (x1, x2, …xn), wenn R die Ausgabe der bereitgestellten Funktion ist, die proportional zu den unabhängigen Parametern x1, x2, …xn ist. Gleichung (23), vorgeschlagen von Moffat61 und Holman62, kann zur Messung der Unsicherheit (δR) verwendet werden.

Die Unsicherheit in den Versuchsdaten dieser Untersuchung wird mithilfe von Gl. berechnet. (24). was auf Gl. basiert. (23)

2,62 %, 1,4 %, 0,70 %, 2 %, 2,2 %, 1,9 %, 0,45 %, 0,45 % und 0,8 % sind Unsicherheitswerte für spezifische Wärme, Dichte, Spannung, Strom, Sonneneinstrahlung, Wärmeleitfähigkeit, Einlasstemperatur, Auslasstemperatur bzw. Massendurchsatz. Der Unsicherheitswert für den Wirkungsgrad des Kollektors beträgt 3,90 %.

In diesem Abschnitt werden verschiedene Techniken zur Charakterisierung von Materialien besprochen, darunter FTIR, Raman-Spektroskopie, TEM und Zeta-Potenzial- sowie UV/VIS-Spektroskopie.

Im FTIR-Verfahren zeigt die GAMWCNT-Probe im Vergleich zu reinen MWCNTs einen starken Hinweis auf das Vorhandensein von Hydroxylgruppen (O–H). Die scharfen und breiten Peaks bei 3446–3750 cm−1 stehen im Zusammenhang mit den O-H-Streckschwingungen an der Primärstruktur von MWCNTs und GAMWCNTs mit unterschiedlicher Intensität aufgrund der Wechselwirkung zwischen den MWCNTs und den Hydroxylgruppen (O-H) von Gallic Säure (GA) und Wasserstoffperoxid (H2O2). Das GA wird durch den radikalischen Pfropfprozess gemäß dem FTIR-Spektrum effektiv an die reinen MWCNTs gebunden. Die Raman-Spektroskopie ist eine herausragende Methode zur Bestimmung der chemischen Funktionalisierung kohlenstoffbasierter Materialien. Nach dieser Methode weisen sowohl makellose MWCNTs als auch GAMWCNTs D- und G-Banden bei Wellenzahlen von ~ 1350 bzw. 1590 cm−1 auf. Um den Erfolg der kovalenten Funktionalisierung an MWCNTs zu überprüfen, wurde eine als TEM bekannte Technik eingesetzt. Laut TEM wurde die Oberfläche von MWCNTs erfolgreich modifiziert, um die Anforderungen zu erfüllen, wie in Abb. 4 dargestellt. Eine andere Technik, das Zeta-Potenzial, wird zur Analyse der Stabilität von Nanopartikeln in der Basisflüssigkeit verwendet. Laut Zeta-Potenzialtest weisen die GAMWCNTs für einen pH-Bereich von 2,70–9,56 starke Minuswerte im Bereich von –16 bis –52,4 mV auf, die weit vom isoelektrischen Punkt entfernt sind. Die GAMWCNTs weisen im pH-Bereich von 3,10–9,56 eine erhebliche elektrostatische Abstoßungskraft auf, die die Aggregation der MWCNTs aufgrund nichtkovalenter Wechselwirkungen verhindert. Die Stabilität des Nanofluids wurde auch durch UV/VIS-Spektroskopie bestätigt. Der Absorptionswert steigt mit zunehmender Menge dispergierter GAMWCNTs und die relative Konzentration der GAMWCNTs bleibt bis zu 60 Tage stabil38.

(a, b) TEM-Bilder von unberührten MWCNTs und GAMWCNTs (Wiederverwendung mit Genehmigung von elsevier).

Die thermophysikalischen Eigenschaften von GAMWCNTs und Werte für verschiedene Konzentrationen sind in Tabelle 2 dargestellt.

Zur Messung der Wärmeleitfähigkeit der in dieser Studie synthetisierten Nanoflüssigkeiten wurde ein KD2 Pro (Decagon Geräte, Inc., USA) Wärmeeigenschaftenanalysator mit einer Genauigkeit von etwa 5 % verwendet. Der KS-1-Prob mit einem Durchmesser von 1,3 mm und einer Länge von 60 mm dient als Nadelsensor und sein Funktionsprinzip basiert auf der transienten Hitzdrahtmethode. Mit einer Unsicherheit von weniger als 1 % zeigt die aufgezeichnete Wärmeleitfähigkeit der Basisflüssigkeit (DW) eine gute Kompatibilität mit NIST-Daten50. Im Vergleich zu entionisiertem Wasser (DW) weisen GAMWCNT-H2O-Nanoflüssigkeiten eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit auf, wie in Tabelle 2 gezeigt, und die Temperatur des Arbeitsmediums und die Konzentration der Nanopartikel erhöhen die Wärmeleitfähigkeit. Die Brownsche Bewegung von Nanopartikeln in einer Flüssigkeit ist der Hauptfaktor für die erhöhte Wärmeleitfähigkeit der GAMWCNT-Nanoflüssigkeit, die mit zunehmender Temperatur zunimmt. Mit steigender Temperatur nimmt die zufällige Beweglichkeit von Nanopartikeln in der Flüssigkeit zu. Daher wird Wärmeenergie sehr schnell durch die Flüssigkeit transportiert. Tabelle 2 zeigt, dass der maximale Anstieg der Wärmeleitfähigkeit 22,83 % bei 323 K für eine Gewichtskonzentration von 0,1 % beträgt.

In dieser Untersuchung wurde die Viskosität von Nanoflüssigkeiten mit einem rotierenden Rheometer von Anton Paar (Anton Paar GmbH, Physica MCR 301) gemessen. Für die Tests bei verschiedenen Temperaturen wurden Schergeschwindigkeiten im Bereich von 20 bis 200 1/s verwendet. Die Viskosität der GAMWCNTs-Nanoflüssigkeit ist höher als die von entionisiertem Wasser (DW), wie in Tabelle 2 zu sehen ist, wobei der Unterschied nicht signifikant ist. Darüber hinaus nimmt die effektive Viskosität des GAMWCNT mit steigender Temperatur des Arbeitsmediums ab, was nahezu der von entionisiertem Wasser (DW) entspricht. Abgeschwächte intermolekulare Kräfte zwischen den Partikeln des Nanofluids könnten die Ursache für dieses Ereignis sein51,52,53. Es ist ersichtlich, dass die Zugabe einer niedrigen Nanopartikel-GAMWCNT-Konzentration zu einem geringfügigen Anstieg des Viskositätswerts führt, was vorteilhaft ist, da höhere Viskositätswerte die Auswirkungen einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit aufgrund der verbesserten Pumpleistung von Wärmeübertragungssystemen abschwächen54.

Eine weitere wichtige thermophysikalische Eigenschaft ist die spezifische Wärmekapazität. Mithilfe der Differentialscanningkalorimetrie (DSC-Q2000, TA Instruments) wurde die spezifische Wärme von Nanoflüssigkeiten gemessen, die bei verschiedenen Gewichtskonzentrationen und Temperaturen erzeugt wurden. Tabelle 2 zeigt die spezifischen Wärmekapazitätswerte, die bei verschiedenen Gewichtskonzentrationen von GAMWCNT-Nanoflüssigkeiten und Flüssigkeitstemperaturen aufgezeichnet wurden. Zum Vergleich werden auch die Werte der spezifischen Wärmekapazität für entionisiertes Wasser (DW) dargestellt. Die spezifische Wärmekapazität von Nanoflüssigkeiten auf GAMWCNT-Basis nimmt mit zunehmender Gewichtskonzentration der Nanopartikel ab; Im Vergleich zu entionisiertem Wasser der Basisflüssigkeit betrug der Rückgang des Cp-Werts 0,33–1,42 %, was nur einen geringfügigen Rückgang darstellt. Andererseits steigt die spezifische Wärmekapazität mit steigender Temperatur des Nanofluids.

Die Dichte der GAMWCNT-Nanoflüssigkeit und des entionisierten Wassers (DW) bei verschiedenen Flüssigkeitstemperaturen und Nanopartikelkonzentrationen wurde ebenfalls bewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die Dichte der Nanoflüssigkeiten wurde mit einem Dichtemessgerät Mettler Toledo (DM40) gemessen. Aufgrund der thermischen Ausdehnung der Flüssigkeit nimmt die Dichte des GAMWCNT-Nanofluids und des DW mit steigender Temperatur etwas ab. Es wird beobachtet, dass bei einer Temperaturerhöhung von 293 auf 323 K die Dichte der GAMWCNTs bei einem Gewichtsanteil von 0,1 Gew.-% um 0,9 % abnimmt. Darüber hinaus lässt sich ein linearer Zusammenhang zwischen der Nanopartikelkonzentration und der Dichte erkennen, d. h. die Dichte nimmt mit der Nanopartikelbeladung zu.

Abbildung 5 zeigt die Variation des thermischen Wirkungsgrads eines Flachplatten-Solarkollektors für unterschiedliche Massendurchflussraten und Gewichtskonzentrationen der GAMWCNTs-Nanoflüssigkeit. Für den Anstieg des Massenstroms (\(\dot{m)}\) ist ein Rückgang des Wärmeabfuhrfaktors (FRUL) und ein Anstieg des Wärmeaufnahmefaktors FR (τα) zu beobachten. Tabelle 3 listet die Werte der Wärmeaufnahme- und Wärmeabfuhrfaktoren für GAMWCNTs bei verschiedenen Durchflussraten und Gewichtskonzentrationen auf, und diese Werte werden mit entionisiertem Wasser verglichen. Es ist zu beobachten, dass der Wert von FR (τα) mit der Massenflussrate steigt und für GAMWCNTs-Nanoflüssigkeit größer ist als für entionisiertes Wasser. Steigende Wärmeabsorptionswerte und Wärmeleitfähigkeit der GAMWCNTs-Nanoflüssigkeit tragen zu verbesserten Werten des Konvektionskoeffizienten (h) bei. Infolgedessen zeigt sich die Effizienz des Solarkollektors an der Erhöhung des Massenstroms von 0,010 auf 0,0188 kg/s für jeden GAMWCNT-Gewichtsanteil. Es ist zu beobachten, dass bei 0,1 Gew.-% GAMWCNTs und einem Massendurchsatz von 0,0188 kg/s im Vergleich zu entionisiertem Wasser als Basisflüssigkeit die maximale Verbesserung der thermischen Effizienz von FPSC 30,881 % beträgt. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass mit steigenden Gewichtsanteilen von GAMWCNTs eine Verbesserung der LFPSC-Effizienz erreicht wird. Dies liegt vor allem daran, dass das System mehr Energie aufnehmen kann.

Variation der Kollektoreffizienz mit \(\frac{\left({T}_{i}-{T}_{a}\right)}{{G}_{T}}\) bei verschiedenen Durchflussraten (a) 0,010 kg/s, (b) 0,0144 kg/s, (c) 0,0188 kg/s.

Abbildung 6 zeigt die Beziehung zwischen der thermischen Effizienz von FPSC und dem reduzierten Temperaturparameter \(\frac{\left({T}_{i}-{T}_{a}\right)}{{G}_{T }}\) für verschiedene Massendurchflussraten von destilliertem Wasser als Basisflüssigkeit und GAMWCNTs-basiertem Nanofluid bei unterschiedlichen Gewichtsanteilen von GAMWCNTs-Nanofluids. Es kann festgestellt werden, dass GAMWCNTs-Nanoflüssigkeiten höhere FR-Werte (τα) aufweisen als Basisflüssigkeiten. Der höchste Wert wurde bei einer Durchflussrate von 0,0188 kg/s und 0,1 Gew.-% erreicht. Konzentration. Die Wärmeübertragungsrate wird mit steigenden Werten des Wärmeabsorptionsfaktors aufgrund der geringeren Dicke der thermischen Grenzschicht verbessert.

Variation der Kollektoreffizienz mit \(\frac{\left({{\varvec{T}}}_{{\varvec{i}}}-{{\varvec{T}}}_{{\varvec{a} }}\right)}{{{\varvec{G}}}_{{\varvec{T}}}}\) bei verschiedenen Gewichtskonzentrationen (a) 0,025 %, (b) 0,065 %, (c) 0,1 %

Der Wärmekoeffizient für Konvektion (h), dessen Wert proportional zur Wärmeleitfähigkeit (K) der verwendeten Flüssigkeit ist, verbessert die thermische Effizienz von FPSC. Die wesentliche Verbesserung des Konvektionskoeffizienten (h) ist in erster Linie auf die Entwicklung einer dünnen thermischen Grenzschicht an den Steigrohrwänden aufgrund der erhöhten Wärmeleitfähigkeit des GAMWCNTs-Nanofluids und der Verringerung des Wärmewiderstands zwischen der Wärmeübertragungsflüssigkeit und der Innenwandoberfläche des Steigrohrs zurückzuführen . Darüber hinaus wird die Dicke der thermischen Grenzschicht durch den Einsatz von kohlenstoffbasierten Nanopartikeln wie GNP und MWCNTs reduziert. Der verbesserte Wärmeübertragungskoeffizient (h) und die thermische Effizienz von Flachkollektoren werden auch auf die spezifische Oberfläche (SSA) und die Brownsche Bewegung von GAMWCNTs in destilliertem Wasser zurückgeführt.

Im Vergleich zu entionisiertem Wasser als Basisflüssigkeit nehmen die Energieverlustfaktoren für GAMWCNTs-Nanoflüssigkeiten bei verschiedenen Durchflussraten zu, wie in Tabelle 3 gezeigt. Darüber hinaus steigen die Werte des Energieabsorptionsfaktors mit zunehmender Massenflussrate, wie in Tabelle 3 dargestellt Es ist zu beachten, dass mit zunehmendem GAMWCNT-Gewichtsanteil im Vergleich zu entionisiertem Wasser die Steigerung des Energieabsorptionsparameters 16,99 %, 23,70 % und 28,07 % bei einem Massendurchfluss von 0,0188 kg/s beträgt. Der Energieverlustparameter beträgt 6,17 %, 6,69 % und 7,03 %.

Viele Faktoren beeinflussen die Effizienz eines Flachkollektors. Einer der wichtigsten Faktoren ist der Temperaturgradient (ΔT) des Arbeitsmediums im Inneren des Kollektors. Es gibt eine Verbesserung der thermischen Leistung von FPSC mit dem Temperaturgradienten, da die thermische Effizienz direkt proportional zum Temperaturunterschied zwischen Auslass und Einlass ist, wie in Gleichung (1) dargestellt. (2). Darüber hinaus wird die Einlasstemperatur für einen bestimmten Testlauf festgelegt und durch die Verwendung von Nanoflüssigkeiten im Vergleich zur Basisflüssigkeit wird eine Verbesserung der Auslasstemperatur erreicht. Dieser erhöhte Wert der Auslasstemperatur wirkt sich positiv auf die thermische Effizienz des FPSC aus. Abbildung 7a zeigt die Variation der Auslasstemperatur bei verschiedenen Gewichtsanteilen für verschiedene Massendurchflussraten von GAMWCNT-Nanofluid bei konstanter GT und Einlasstemperatur. Es ist zu erkennen, dass bei einer bestimmten Gewichtskonzentration die Temperatur am Austritt mit steigender Strömungsgeschwindigkeit der Betriebsflüssigkeit sinkt. Das entionisierte Wasser und die 0,1-prozentige Gewichtskonzentration des GAMWCNT-Nanofluids führen zu einer Reduzierung der Auslasstemperatur um 0,8710 % bzw. 0,9292 %. Andererseits steigt die Auslasstemperatur mit der Gewichtskonzentration des GAMWCNT-Nanofluids im Solarkollektor. Im Vergleich zur Basisflüssigkeit war der Wert der Auslasstemperatur für verschiedene Konzentrationen der GAMWCNTs-Nanoflüssigkeit hoch. Die Temperaturerhöhung betrug 0,6774 %, 0,6489 % und 0,6183 %, wenn die Basisflüssigkeit entionisiertes Wasser durch 0,1 Gewichtsprozent GAMWCNT-Nanoflüssigkeit als Betriebsflüssigkeit bei 0,010, 0,0144 bzw. 0,0188 kg/s ersetzt wurde. Aufgrund einer Erhöhung der Gewichtskonzentration des Nanofluids kam es zu einer Verbesserung des Wärmegewinnwerts und der thermischen Leistung von FPSC. Somit wird die thermische Effizienz durch die Verwendung von GAMWCNT-Nanofluid anstelle der Basisflüssigkeit Wasser erheblich verbessert. Die Variation der Auslasstemperatur mit der Einlasstemperatur durch Konstanthalten des Wärmeflusses und der Gewichtskonzentration der Betriebsflüssigkeit wird ebenfalls untersucht. Die Ergebnisse sind in Abb. 7b dargestellt. Es wird beobachtet, dass es zu einem Anstieg der Ausgangstemperatur kommt, wenn die Einlasstemperatur bei einer bestimmten Durchflussrate ansteigt. Die Erhöhung der Auslasstemperatur betrug 4,78 % bei 0,010 kg/s, 4,95 % bei 0,0144 kg/s und 5,02 % bei 0,0188 kg/s im Vergleich zur Einlasstemperatur. Aufgrund der Erhöhung der Auslasstemperatur ist der größere Temperaturunterschied bei der Verwendung von GAMWCNT-Nanoflüssigkeiten im Vergleich zu entionisiertem Wasser erkennbar, auch wenn der Cp-Wert für GAMWCNTs geringer ist als der des entionisierten Wassers (Basisflüssigkeit), was zu einer höheren thermischen Leistung des Solarsystems führt Sammler55,56.

Auslasstemperatur im Verhältnis zu (a) der Gewichtskonzentration für unterschiedliche Massenströme des Arbeitsmediums, (b) der Einlasstemperatur des Arbeitsmediums.

Die Werte der Entropieerzeugung (Sgen) und Exergiezerstörung (Edest) haben erheblichen Einfluss auf die Exergieeffizienz von Wärmeübertragungssystemen. Die Minimierung von Edest und Sgen verbessert die energetische Leistung in diesen Systemen. Die Variation der Edest- und Sgen-Werte für 0,010, 0,0144, 0,0188 kg/s bei konstantem Wärmefluss (GT) und Temperatur am Einlass ist in Abb. 8 dargestellt. Den Ergebnissen zufolge kam es zu einer Verbesserung der Entropiewerte Erzeugung (Sgen) und Exergiezerstörung (Edest) mit einem Anstieg des Massenstroms von 0,010 auf 0,0188 kg/s bei gleichem Gewichtsanteil des Arbeitsmediums. Dieser Anstieg der Werte von Edest und Sgen war darauf zurückzuführen, dass die Wärmezunahme zunahm, wenn der Massendurchsatz anstieg und die Auslasstemperatur der Wärmeübertragungsflüssigkeit schnell abfiel. Andererseits kam es bei einer Erhöhung des GAMWCNT-Gewichtsanteils bei einem festen Massendurchsatz zu einer Erhöhung des Wertes des Wärmeverstärkungsfaktors und der Auslasstemperatur mit dem Preis eines erhöhten Reibungsfaktors (Fr). Folglich werden die Werte der Exergiezerstörung und der Entropieerzeugung verringert. Aufgrund seiner überlegenen Fähigkeit zur Wärmeabsorption liefert 0,1 % GAMWCNT-Nanofluid die niedrigsten Werte für Exergiezerstörung und Entropieerzeugung.

Entropieerzeugung und Exergiezerstörung für Basisflüssigkeit und GAMWCNT-Nanoflüssigkeit.

Abbildung 9 zeigt die Variation der Exergieeffizienz (ηe) für GAMWCNT-basiertes Nanofluid bei Massendurchflussraten von 0,010, 0,0144 und 0,0188 kg/s. Es wurde festgestellt, dass die Exergieeffizienz für einen bestimmten Gewichtsanteil mit zunehmender Durchflussrate abnimmt. Hauptursache dafür sind steigende Sgen-Werte. Darüber hinaus steigt die Exergieeffizienz augenblicklich mit zunehmender Konzentration des Arbeitsmediums bei einem festen Massenstrom. Im Vergleich zur Basisflüssigkeit zeigten höhere Gewichtskonzentrationen von GAMWCNTs höhere Exergieeffizienzwerte. Bei einer GAMWCNT-Konzentration von 0,025, 0,065 und 0,1 % für 0,0188 kg/s beträgt die Verbesserung der Exergieeffizienz 2,57 %, 4,18 % bzw. 5,53 % im Vergleich zur Basisflüssigkeit. Die Erhöhung der Exergieeffizienz beträgt 2,38 %, 3,45 %, 4,16 % bei einem Massendurchsatz von 0,0144 kg/s und 1,62 %, 2,42 %, 2,91 % bei 0,010 kg/s für eine Gewichtskonzentration von 0,025 %, 0,065 % bzw. 0,10 %.

Exergieeffizienz im Vergleich zur Massendurchflussrate für Basisflüssigkeit und GAMWCNT-Nanoflüssigkeit.

Erhöhte Werte des Reibungsfaktors und der Pumpleistung wirken sich negativ auf die thermische Leistung von Solarthermiesystemen aus, daher sollten die Werte dieser Parameter minimal sein. Abbildung 10a zeigt den theoretischen Reibungsfaktor, der aus den empirischen Modellen von Petukhov und Blasius berechnet wurde, und den Reibungsfaktor, der aus Experimenten mit entionisiertem Wasser als Grundflüssigkeit bei fester Einlasstemperatur, Wärmefluss und variierender Reynoldszahl (Re) ermittelt wurde. Einschließlich einer gewissen Varianz ergibt sich eine gute Übereinstimmung zwischen den Werten dieser beiden Arten von Reibungsfaktoren (theoretisch und experimentell). Es wird festgestellt, dass die Diskrepanz zwischen dem experimentellen Reibungswert (f) und dem Blasius-Modell 7,23 % beträgt, während die Differenz zwischen dem beobachteten Reibungswert und dem Petukhov-Modell 8,26 % beträgt.

(a) Experimentelle, Blasius- und Petukhov-Reibungswerte der Grundflüssigkeit (DI-Wasser) für verschiedene Reynoldszahlen. (b) Reibungsfaktorwerte für GAMWCNT-Nanofluid und DI-Wasser bei unterschiedlichen Reynold-Zahlen.

Die Variation der Reibungsfaktorwerte von GAMWCNTs-Nanofluiden bei verschiedenen Reynolds-Zahlen ist in Abb. 10b dargestellt. Die für verschiedene Nanoflüssigkeitskonzentrationen erhaltenen Werte werden mit der Basisflüssigkeit verglichen. Es ist zu beobachten, dass die Werte des Reibungsfaktors mit zunehmender Reynolds-Zahl abnehmen. Dies liegt daran, dass mit zunehmender Reynolds-Zahl der Dichtegradient abnimmt und sich die Größe des Reibungswiderstands verringert. Andererseits kommt es mit steigender GAMWCNT-Konzentration zu einem geringfügigen Anstieg der Reibungswerte im Vergleich zu entionisiertem Wasser. Wenn GAMWCNTs in der Basisflüssigkeit dispergiert werden, erhöht sich die Viskosität der Nanoflüssigkeit, was zu einem Druckabfall und letztendlich zu einem Reibungsfaktor führt. Im Vergleich zur Grundflüssigkeit beträgt der höchste Anstieg des Reibungsfaktors (f) für GAMWCNT-Gewichtsanteile von 0,025, 0,65 und 0,1 % 2,29, 3,66 und 8,63 %. Die erhöhte Gewichtskonzentration von GAMWCNT fördert den Druckabfall und die Pumpleistung, da Reibungsscherkräfte bei höherer Viskosität und höheren Arbeitsflüssigkeitsgeschwindigkeiten induziert werden.

Die relative Pumpleistung von GAMWCNTs und Basisflüssigkeit (DW) ist in Abb. 11 dargestellt. Es ist zu beobachten, dass die relative Pumpleistung mit zunehmender Gewichtskonzentration der Nanopartikel leicht zunimmt. Die Pumpleistung des GAMWCNT-Nanofluids und des entionisierten Wassers der Basisflüssigkeit ist jedoch sehr ähnlich.

Relative Pumpleistung bei unterschiedlichen Gewichtskonzentrationen.

Der Leistungsindex (PI) ist ein Schlüsselparameter zur Beurteilung der Wirksamkeit des GAMWCNT-H2O-Nanofluids in Wärmeübertragungssystemen wie Flachkollektoren. Es ist unbedingt zu bedenken, dass in Solarkollektoren verwendete Nanoflüssigkeiten Leistungsindexwerte von mehr als eins aufweisen müssen, da sonst alle potenziellen Vorteile zunichte gemacht werden und diese spezielle Nanoflüssigkeit keine akzeptable Betriebsflüssigkeit ist32,46. Abbildung 12 zeigt die Leistungsindexwerte bei verschiedenen Durchflussraten. Es wird beobachtet, dass für alle Gewichtskonzentrationen von GAMWCNT Leistungsindexparameter von mehr als eins gefunden werden, da der Anstieg der Effizienz des Flachkollektors den Anstieg des Druckabfallwerts überwiegt. Darüber hinaus steigen die PI-Werte mit steigender Gewichtskonzentration von GAMWCNT. Daher kann ein höher konzentriertes GAMWCNT-Nanofluid mit erhöhtem Leistungsindex und höherer Effizienz eine praktikable alternative Betriebsflüssigkeit in der FPSC sein.

Leistungsindex bei verschiedenen Massendurchflussraten für unterschiedliche Gewichtskonzentrationen von GAMWCNTs.

Das Hauptziel dieser Untersuchung besteht darin, zu bewerten, wie viel Energie und Material bei der Entwicklung von FPSC mit GAMWCNT-Nanofluiden als Wärmeübertragungsflüssigkeiten eingespart werden kann. Abbildung 13 zeigt die mögliche Größenreduzierung bei einer unterschiedlichen Gewichtskonzentration des GAMWCNT-Nanofluids in einem Flachkollektor. Es wurde festgestellt, dass die Größenreduzierung des Kollektors mit der Erhöhung der Durchflussrate bei der festgelegten Konzentration des GAMWCNT-Nanofluids zunimmt. Darüber hinaus verbesserte die Erhöhung der GAMWCNT-Konzentration bei konstanter Durchflussrate die Möglichkeit einer Größenreduzierung bei Flachkollektoren. Es wird festgestellt, dass bei einem FPSC-Betrieb mit 0,0188 kg/s und einer GAMWCNT-Nanoflüssigkeitskonzentration von 0,1 % die höchste Größenreduzierung von 27,59 % im Vergleich zu FPSC mit Wasser als Wärmeübertragungsflüssigkeit erreicht wurde. Daher ist FPSC mit GAMWCNT-Nanofluid kostengünstiger als FPSC mit Wasser.

Größenreduzierung von FPSC bei unterschiedlichen Gewichtskonzentrationen von GAMWCNT-Nanofluid.

Die Berechnung der gesamten Energie, die zum Bau eines Produkts oder Objekts erforderlich ist, wird als verkörperte Energie bezeichnet. Der ständige Fortschritt der Industrietechnologie ist auf eine verringerte graue Energie zurückzuführen. Verschiedene Studien belegen, dass der Einsatz von Nanoflüssigkeiten die Energieerzeugungskosten im Vergleich zum Einsatz von Wasser senkt. Da mit Nanoflüssigkeiten mehr nutzbare Energie erzeugt wird, werden die Energieerzeugungskosten des Kollektors gesenkt und seine thermische Leistung verbessert57,58,59. Die wirtschaftliche Analyse stützt sich in hohem Maße auf die Bewertung der grauen Energie in Flachkollektoren. Eine effektive Bewertung der wirtschaftlichen Auswirkungen von Flachkollektoren erfolgte mithilfe des Ökobilanzansatzes34,47,60,61. Da mehr als 70 % der EE aus dem Bau des FPSC stammen, berücksichtigt die angewandte Methodik nur die graue Energie (EE) während der Bau- und Betriebsphase des FPSC62,63. Die vorliegende Forschung untersucht, wie sich Masse und graue Energie auf die Verringerung der Größe von Flachkollektoren auswirken. Bei verschiedenen Konzentrationen von GAMWCNT-Nanoflüssigkeit und Basisflüssigkeit sind die wirtschaftlichen Aspekte und die Analyse der verkörperten Energie in Tabelle 4 dargestellt. Glas und Kupfer sind die beiden Hauptkomponenten des Solarkollektors. Die Grauenergieindizes für Glas und Kupfer betragen 15,9 MJ/kg bzw. 70,6 MJ/kg64,65. Die vorliegende Analyse betrachtet die Größenreduzierung von FPSC als Funktion der Masse und der verkörperten Energie. Es wurde festgestellt, dass die Größe des FPSC verringert wurde, wenn GAMWCNT-Nanofluid anstelle des Basisfluids Wasser verwendet wurde, wodurch 321,72 MJ an grauer Energie eingespart wurden.

Da außerdem die Fläche des Flachkollektors kleiner wird, verringert sich der Strombedarf, was die Betriebskosten des Systems senkt. Die Amortisationszeit betrug 1,897 Jahre für FPSC mit GAMWCNT-Nanoflüssigkeiten bei 0,1 Gew.-%, was 6,228 % kürzer war als bei der Verwendung von Wasser als Wärmeübertragungsflüssigkeit. Daher wird der Schluss gezogen, dass ein FP-Solarkollektor mit GAMWCNT-Nanoflüssigkeit als Wärmeübertragungsflüssigkeit effizienter ist und mehr Energie spart als FPSC mit Wasser.

Es wurden experimentelle Untersuchungen durchgeführt, um die Auswirkungen des grün synthetisierten GAMWCNT-Nanofluids, einer nicht korrosiven, ungiftigen und umweltfreundlichen Wärmeübertragungsflüssigkeit, auf die Leistung von Flachkollektoren zu analysieren.

Im Folgenden sind die wichtigen Punkte der Schlussfolgerung aufgeführt.

Der Stabilitätsanalysetest zeigte eine höhere Stabilität von GAMWCNTs in der Basisflüssigkeit für 60 Tage ohne Aggregation.

Der thermische Wirkungsgrad des Kollektors erhöhte sich mit steigendem Wärmefluss, Massenstrom und Gewichtskonzentration, mit steigender Einlasstemperatur war jedoch ein Rückgang zu beobachten. Den experimentellen Ergebnissen zufolge betrug die höchste Verbesserung der Energieeffizienz 30,8 % für eine 0,1 %ige Gewichtskonzentration des GAMWCNT-Nanofluids bei 0,0188 kg/s im Vergleich zur Basisflüssigkeit.

Die Exergieanalyse ergab, dass die Exergieeffizienz (\({\eta }_{e})\) mit zunehmender GAMWCNT-Gewichtskonzentration zunimmt, mit zunehmender Durchflussrate jedoch abnimmt. Die maximale Exergieeffizienz wurde bei einer GAMWCNT-Konzentration von 0,1 % und einem Massendurchfluss von 0,010 kg/s erreicht.

Bei GAMWCNT-Nanoflüssigkeitskonzentrationen von 0,025, 0,065 und 0,1 % im Vergleich zur Basisflüssigkeit (DW) betrug der maximale Anstieg des Reibungsfaktors fast 2,29, 3,66 und 8,63 %.

Für jede Gewichtskonzentration des GAMWCNT-H2O-Nanofluids wurden Leistungsindexwerte (PI) von mehr als 1 erreicht. Ein Anstieg der GAMWCNT-Nanofluidkonzentration zeigte höhere Werte für PI. Die Amortisationszeit betrug für FPSC mit GAMWCNT-Nanoflüssigkeiten 1,897 Jahre, was 6,228 % kürzer war als bei der Verwendung von Wasser als Wärmeübertragungsflüssigkeit. Daraus wird geschlossen, dass FP-Solarkollektoren mit GAMWCNT-Nanoflüssigkeit als Wärmeübertragungsflüssigkeit effektiver sind und mehr Energie sparen als FPSCs mit Wasser.

Abhängig von den Erkenntnissen der aktuellen Studie können folgende spezifische Aspekte in nachfolgenden Studien zu FPSCs auf Basis von Nanofluiden berücksichtigt werden:

Die Herstellung von Nanomaterialien mit einer größeren spezifischen Oberfläche erfordert von den Forschern besondere Aufmerksamkeit, um deren hervorragende kolloidale Stabilität, thermophysikalische Eigenschaften und thermische Leistung der FPSCs sicherzustellen.

Nanoflüssigkeiten müssen in kolloidalen Suspensionen stabil sein, um als Wärmeübertragungsflüssigkeiten ausgewählt zu werden. Schlecht vorbereitete Nanoflüssigkeiten neigen dazu, zu verklumpen und sich abzusetzen, was die Strömungskanäle verstopfen und ihre Wärmeleitfähigkeit verringern könnte. Für einen erfolgreichen Einsatz in FSPCs oder anderen Wärmeübertragungssystemen müssen sich Forscher daher auf die Synthese von Nanoflüssigkeiten mit langer kolloidaler Stabilität in Suspension konzentrieren.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Fläche des Flachkollektors (m2)

Reduzierung der Kollektorfläche (m2)

Nationales Institut für Standards und Technologie

Wärmekapazität der Flüssigkeit (J/kg K)

Kohlenstoff-Nanoröhren

Mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen

Mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf Gallussäurebasis

Mit Gallussäure behandeltes BSP

Flacher Solarkollektor

Transmissionselektronenmikroskopie

Gallussäure

Graphen-Nanoplättchen

Wasserstoffperoxid

Gewichtsprozent/Massenanteil

Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit (W/mK)

Kelvin

Länge des Rohres (m)

Arbeitsflüssigkeitsdurchfluss (kg/s)

Ultraviolett-sichtbare Spektroskopie

Innendurchmesser

Wärmestrom (W/m2)

Basisflüssigkeit

Nanofluid

Konvektiver Wärmeübergangskoeffizient (W/m2. K)

Reynolds Nummer

Experimenteller Reibungsfaktor

Temperatur, °C

Titandioxid

Cer(IV)-oxid

Aluminiumoxid

Zinkoxid

Widerstandstemperaturdetektor

Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie

Triethanolamin

American Society of Heating, Refrigeration, and Air-Conditioning Engineers

Spezifische Oberfläche

Die Intensität des Wärmeflusses (W/m2)

Wärmeabsorptionsfaktor

Wärmeabfuhrfaktor

Exergiezerstörung

Entropieerzeugung

Leistungsindex

Verkörperte Energie

Rohrwand

Umgebungstemperatur (K)

Die Flüssigkeitstemperatur am Einlass (K)

Die Flüssigkeitstemperatur am Auslass (K)

Die Temperatur der Umgebung (K)

Flüssigkeitsdichte (kg/m3)

Druckdifferenz (Pa)

Exergieeffizienz

Wärmewirkungsgrad des Kollektors

Dynamische Flüssigkeitsviskosität (mPa·s)

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Konzeptualisierung, MA; Methodik, NA, MA und GQC; formale Analyse, SNK, MA und NA; Untersuchung MAGQC; und NA; Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung, MA und NA; Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung, SNK-, MA- und NA-Betreuung und MES, NMM und MA.K Überprüfung und Bearbeitung des Manuskripts. Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Muhammad Amar oder Nabisab Mujawar Mubarak.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 01. Oktober 2022

Angenommen: 03. Januar 2023

Veröffentlicht: 09. Januar 2023

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

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