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Sep 04, 2023

Analyse énergétique, exergétique et économique (3E) de l'appartement

Rapports scientifiques volume 13,

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 411 (2023) Citer cet article

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L'utilisation de l'énergie solaire est l'une des stratégies les plus importantes pour relever les défis actuels de la gestion de l'énergie. L'énergie solaire est utilisée dans de nombreux secteurs résidentiels grâce à des capteurs solaires plats. L'efficacité thermique des capteurs solaires à plaques planes est améliorée lorsque les fluides caloporteurs conventionnels sont remplacés par des nanofluides car ils offrent des propriétés thermo-physiques supérieures aux fluides caloporteurs conventionnels. Des produits chimiques concentrés sont utilisés dans les techniques de synthèse conventionnelles des nanofluides, qui produisent des sous-produits toxiques dangereux. La présente recherche étudie les effets d'un nouveau nanofluide d'eau et de nanotubes de carbone multiparois fonctionnalisés à l'acide gallique vert sur la performance des capteurs solaires à plaques planes. Les GAMWCNT sont très stables dans le fluide de base, selon les techniques d'analyse de stabilité, y compris la spectroscopie ultraviolette-visible et le potentiel zêta. L'évaluation expérimentale montre que les propriétés thermo-physiques du nanofluide sont meilleures que celles de l'eau désionisée du fluide de base. L'énergie, l'exergie et l'analyse économique sont effectuées en utilisant des concentrations en poids de 0,025 %, 0,065 % et 0,1 % de GAMWCNT-eau à des débits massiques variables de 0,010, 0,0144, 0,0188 kg/s. L'introduction du nanofluide GAMWCNT a amélioré les performances thermiques des capteurs solaires à plaques planes en termes d'efficacité énergétique et exergétique. Il y a une amélioration de l'efficacité avec l'augmentation du flux de chaleur, du débit massique et de la concentration pondérale, mais une baisse est observée à mesure que la température d'entrée augmente. Selon les résultats expérimentaux, l'amélioration la plus élevée de l'efficacité énergétique est de 30,88 % pour une concentration en poids de 0,1 % de nanofluide GAMWCNT à 0,0188 kg/s par rapport au fluide de base. L'efficacité exergétique du collecteur augmente avec l'augmentation de la concentration pondérale alors qu'elle diminue avec l'augmentation du débit. L'efficacité exergétique la plus élevée est obtenue à une concentration de GAMWCNT de 0,1 % et un débit massique de 0,010 kg/s. Les nanofluides GAMWCNT ont des valeurs plus élevées pour le facteur de friction par rapport au fluide de base. Il y a une petite augmentation de la puissance de pompage relative avec l'augmentation de la concentration pondérale de nanofluide. Des valeurs d'indice de performance supérieures à 1 sont atteintes pour toutes les concentrations de GAMWCNT. Lorsque le capteur solaire thermique fonctionne à 0,0188 kg/s et une concentration en poids de 0,1 % de nanofluide GAMWCNT, la réduction de taille la plus élevée, 27,59 %, est obtenue par rapport à un capteur solaire à plaque plate avec de l'eau comme fluide caloporteur.

La population mondiale et la consommation d'énergie augmentent rapidement. L'industrialisation et la mondialisation des cultures humaines modernes sont des causes majeures de cette augmentation de la consommation d'énergie. L'Agence internationale de l'énergie prévoit que d'ici la fin de 2040, la consommation mondiale d'énergie augmentera d'environ 30 %1. Les combustibles fossiles satisfont 86 % de la demande énergétique mondiale2. Les réserves mondiales de combustibles fossiles s'épuisent rapidement et l'environnement est gravement pollué. Le défi de l'ère actuelle est de répondre aux demandes énergétiques sans dégrader davantage l'environnement. L'objectif de développement durable 7 devient un défi auquel chaque pays est confronté et qui concerne tout le monde. L'objectif fondamental de l'objectif de développement durable 7 est de parvenir à une énergie économique, propre, efficace, fiable et accessible à tous. Parce que les ressources énergétiques conventionnelles sont limitées, la recherche de sources d'énergie alternatives s'est intensifiée dans le monde entier. Les ressources énergétiques renouvelables ont prouvé qu'elles pouvaient répondre au besoin d'énergie propre3.

En raison de son prix abordable et de sa disponibilité, l'énergie solaire est plus demandée que les autres sources d'énergie renouvelables. L'énergie solaire peut être utilisée de différentes manières. La chaleur solaire peut être utilisée pour diverses applications, y compris le chauffage des locaux, l'eau chaude domestique, le refroidissement et même le chauffage industriel4,5. La collecte et la conversion de l'énergie solaire sont au cœur de ce secteur de l'énergie. L'énergie du soleil peut facilement être récupérée et convertie en énergie thermique ou électrique. Différents équipements et technologies, tels que les capteurs photovoltaïques et solaires thermiques, peuvent réaliser ce processus de conversion d'énergie. Les capteurs solaires utilisent un fluide caloporteur pour convertir l'énergie solaire en énergie thermique. La plaque absorbante du collecteur capte l'énergie solaire et la transfère au fluide absorbant, augmentant son énergie interne, qui peut ensuite être utilisée à diverses fins. Des capteurs solaires à plaques planes (FPSC) sans concentration optique sont utilisés dans la plage de température de 40 à 100 °C. Ils conviennent aux applications domestiques en raison de leur simplicité, de leur facilité d'entretien et de leurs coûts de fonctionnement minimes. Le FPSC a une efficacité et une température de sortie relativement faibles. Les matériaux, la conception6, le revêtement de la plaque collectrice7, l'angle d'inclinaison8, les conditions climatiques9 et le fluide de travail10 sont tous des facteurs qui influencent l'efficacité des capteurs solaires à plaque plate. Le remplacement d'un fluide à plus grande conductivité thermique par de l'eau pure (qui sert de fluide de travail) est l'un des moyens les plus simples et les plus efficaces d'améliorer l'efficacité.

Les fluides caloporteurs couramment utilisés (eau distillée, glycols, huiles, etc.) ont une efficacité limitée dans les systèmes de transfert de chaleur tels que les capteurs solaires thermiques en raison de leur faible conductivité thermique et de leurs capacités de transfert de chaleur11,12. Les nanoparticules solides peuvent être mises en suspension dans un fluide de base pour obtenir une conductivité thermique élevée. Les nanofluides sont définis comme la dispersion de particules de taille nanométrique dans l'eau avec une conductivité thermique plus élevée que l'eau ordinaire13,14. Choi13 a été le premier à inventer l'expression "nanofluides". Masuda et al.15 ont été les premiers à observer une modification significative des paramètres thermophysiques du liquide de base suite à la dispersion des nanoparticules. Ces « nanofluides » peuvent améliorer considérablement les performances de transfert de chaleur des fluides ordinaires16.

De nombreuses études examinent l'utilisation de nanofluides dans le FPSC pour augmenter l'efficacité du collecteur. Selon Said et al.17, l'efficacité du collecteur a été améliorée jusqu'à 76,6 % en utilisant un nanofluide de TiO2 à un débit de 0,00833 kg/s pour une fraction de 0,1 % en poids de nanofluide. Il n'y avait pas de différence significative dans les valeurs de perte de charge et de puissance de pompage par rapport au fluide de base. He et al.18 ont mené une enquête expérimentale pour déterminer les impacts du nanofluide cuivre-eau (Cu-H2O) sur les performances thermiques du FPSC tout en maintenant un débit massique de 140 L/h pour différentes fractions massiques de nanofluide. Une méthode en deux étapes a été utilisée pour la préparation des nanofluides. Selon les résultats de l'expérience, il y a eu une amélioration substantielle de l'efficacité thermique, 23,83 % pour une concentration massique de 0,1 % et une taille de 25 nm. L'efficacité du collecteur a diminué avec l'augmentation de la taille des nanoparticules. Hajabdollahi et al.19 ont mené une étude de modélisation et d'optimisation d'un réchauffeur de réseau solaire utilisant des capteurs plans. L'efficacité énergétique et le ratio de coût sont tous deux considérés comme deux fonctions objectives. Selon les résultats, cela n'est pas économiquement faisable dans le cas d'une efficacité de collecteur élevée. Chaque augmentation de 10 % du prix du carburant entraîne une baisse du ratio de coûts de 4,75 %. Dans une étude de Said et al.20, l'efficacité thermique d'un cycle de Rankine organique solaire à petite échelle couplé à un capteur solaire à plaque plate a été étudiée sur le nanofluide hybride MWCNT + WO3 / eau et le nano-réfrigérant MWCNT / R141b. L'efficacité thermique et exergétique du système ORC a été étudiée expérimentalement à divers débits et concentrations de nanofluides. Il a été rapporté que 0,5% en volume de concentration de nanofluide et 3 lpm de débit de nanofluide dans le collecteur entraînaient une augmentation considérable de l'efficacité énergétique et exergétique de 8,52% et 6,30%, respectivement.

L'efficacité thermique du capteur solaire FP a été examinée par Ahmadi et al.21 en utilisant un nanofluide à base de nanoplaquettes de graphène (PNB) comme fluide caloporteur. Les résultats expérimentaux ont montré une amélioration de 18,87 % de l'efficacité du collecteur en utilisant le nanofluide de graphène. Les propriétés thermophysiques des nouveaux nanofluides hybrides liquide ionique-MXène ont été examinées par Said et al.22. Avec 0,5 % en poids de nanomatériau MXene, la conductivité thermique de 0,82 W/mK a été atteinte. Une autre étude a examiné l'efficacité énergétique, l'énergie visualisée et la génération de pollution d'un capteur solaire à plaques planes qui utilise un nanofluide hybride eau/cuivre-aluminium23. Il a été déterminé que l'efficacité énergétique du collecteur du nanofluide hybride est supérieure à celle des autres fluides de travail. Une étude expérimentale visant à analyser les performances d'un échangeur de chaleur à calandre et tube fonctionnant à l'énergie solaire utilisant des MWCNT/nanofluides à base d'eau a été réalisée par Said et al.24. A 0,3% vol., le coefficient de transfert thermique est amélioré de 31,08%. La surface a été réduite de 5,4 % pour un système à 0,3 % MWCNT/eau par rapport au fluide de base. Jouybari et al.25 ont examiné expérimentalement l'efficacité thermique du FPSC en utilisant un nanofluide SiO2/eau déminéralisée. Ils ont trouvé une augmentation de 8,1% de l'efficacité thermique. Le paramètre de pente de la courbe d'efficacité diminue à mesure que la taille des nanoparticules diminue. Kiliç et al.26 ont mené une étude expérimentale pour vérifier l'effet de l'utilisation du nanofluide TiO2/eau comme fluide de travail sur les performances thermiques du FPSC. Le tensioactif Triton X-100 a également été ajouté lors de la préparation du nanofluide pour augmenter la stabilité du nanofluide. Il a été constaté qu'une efficacité instantanée maximale de 48,67 % a été atteinte. Staline et al.22 ont mené une étude expérimentale et théorique pour analyser l'efficacité des collecteurs à plaques planes liquides utilisant un nanofluide à base de CeO2. Par rapport à l'eau fluide de base, un capteur solaire avec un nanofluide de dioxyde de cérium (CeO2/H2O) a atteint une efficacité thermique de 78,2 %, soit 21,5 % de plus que l'eau. Cependant, certaines études indiquent également une réduction de l'efficacité du collecteur en utilisant un nanofluide à base d'alumine27. La formation de paroi de dépôt de nanoparticules a noté une réduction de 5,5 % de l'efficacité. Cette couche de dépôt a créé une résistance thermique supplémentaire au transfert de chaleur et, finalement, l'efficacité thermique a été réduite. Arora et al.28 ont étudié les performances des capteurs solaires à plaques planes à l'aide d'un tube absorbant innovant, c'est-à-dire en forme de marquise et d'un nanofluide Al2O3/eau. Les résultats expérimentaux ont montré qu'à un débit massique de 3 lpm, l'efficacité du collecteur avec et sans nanofluide est de 83,17 % et 59,72 %, respectivement. Une autre étude a été réalisée par Akram et al.29 pour étudier les performances du FPSC. La méthode de fonctionnalisation covalente a été adoptée pour synthétiser des nanofluides à base de graphène vert. Il y avait une augmentation significative de la stabilité colloïdale du nanofluide. Les résultats expérimentaux ont montré que l'efficacité thermique était améliorée de 18,2 % en utilisant des nanofluides par rapport à l'eau. Choudhary et al.30 ont réalisé une étude expérimentale pour vérifier le comportement thermique du collecteur en utilisant un nanofluide ZnO/eau. La méthode de fonctionnalisation non covalente a été adoptée pour préparer le nanofluide. Il a été constaté qu'avec le temps, le nanofluide devient inefficace en raison de la sédimentation, aidée par une taille de particule plus élevée. Le pourcentage d'amélioration de l'efficacité était de 19,9 % par rapport au fluide de base. Moravej et al.31 ont utilisé le nanofluide rutile TiO2/eau pour l'étude des performances du FPSC symétrique. Le nanofluide a été synthétisé par une méthode de fonctionnalisation non covalente sans utiliser de tensioactif. L'utilisation du nanofluide TiO2-eau a considérablement augmenté l'efficacité thermique. Une autre recherche a été menée par Sarsam et al.32 pour analyser le comportement thermique du collecteur en utilisant un nanofluide à base de PNB. Ils ont utilisé la méthode de fonctionnalisation conventionnelle/covalente pour fonctionnaliser les PNB avec de la triéthanolamine (TEA). Bien qu'une amélioration considérable de l'efficacité du collecteur ait été notée, des produits chimiques puissants ont été utilisés dans la fonctionnalisation covalente, qui produit des sous-produits toxiques dangereux. Akram et al.33 ont utilisé des nanofluides à base de carbone et de métal comme fluides de travail pour analyser l'efficacité thermique du FPSC. Les nanoplaques de carbone ont été fonctionnalisées de manière covalente dans cette étude, et les oxydes métalliques ont été fonctionnalisés de manière non covalente à l'aide d'un tensioactif. Les résultats ont indiqué 60 jours de stabilité pour le nanofluide à base de carbone et 30 jours pour le nanofluide à base de métal. Le pourcentage d'amélioration de l'efficacité était de 17,45 % pour le nanofluide à base de carbone par rapport à l'eau. Kumar et al.34 ont rapporté que les GGNP avec un débit de 0,1 % en poids et de 1,5 l/min entraînaient une augmentation de 24,09 % de l'efficacité du LFPSC par rapport à l'eau distillée. La fonctionnalisation covalente des nanoplaquettes de graphène avec de l'acide gallique a été réalisée. La puissance de pompage relative a légèrement augmenté avec l'augmentation de la concentration de GGNP.

Bien que les nanofluides à base de nanoparticules de carbone offrent un taux de transfert de chaleur élevé, les nanomatériaux à base de carbone ont une faible stabilité colloïdale dans le fluide de base en raison de leur nature hydrophobe. Par conséquent, il est crucial de modifier la surface des nanoparticules à base de carbone pour améliorer leur stabilité colloïdale. La modification de surface peut être effectuée en utilisant des méthodes de fonctionnalisation covalentes ou non covalentes. Les tensioactifs sont nécessaires pour la fonctionnalisation non covalente, ce qui a des conséquences indésirables telles que la formation de mousse, la corrosion et bien d'autres. Par conséquent, pour obtenir une stabilité dispersible à long terme, la méthode de fonctionnalisation covalente est préférée. Les caractéristiques thermo-physiques des fluides de travail sont également améliorées dans la fonctionnalisation covalente32,35.

De plus, des produits chimiques concentrés sont utilisés dans la fonctionnalisation covalente, produisant des sous-produits toxiques dangereux35,36. Par nécessité, l'utilisation d'ingrédients écologiquement acceptables pour synthétiser des nanoparticules, en particulier des nanoparticules à base de carbone, est essentielle.

L'acide gallique (GA), un polyphénol antioxydant, est présent dans de nombreux fruits et légumes, dont le raisin et le thé37. Le secteur pharmaceutique utilise beaucoup l'acide gallique. En raison de ses propriétés respectueuses de l'environnement, GA peut être utilisé pour fonctionnaliser de manière covalente des nanotubes de carbone multiparois, convertissant leur surface hydrophobe en hydrophile et améliorant leur stabilité dans le fluide de base.

Selon la littérature disponible, les études axées sur l'utilisation de nanofluides respectueux de l'environnement, stables et fonctionnalisés de manière covalente pour évaluer les performances thermiques des FPSC ne sont pas découvertes. Dans la présente étude, un nanofluide d'eau et de nanotubes de carbone à parois multiples, stable à long terme et stable à long terme, est utilisé comme fluide caloporteur pour évaluer l'efficacité énergétique et exergétique d'un capteur solaire à plaque plate. Une analyse économique du FPSC utilisant un nanofluide GAMWCNT-eau synthétisé vert est également réalisée. L'effet de la température de sortie sur l'efficacité du collecteur, le facteur de frottement (f), la puissance de pompage, la réduction de la taille du collecteur et les réductions de coûts sont évalués. Les expériences sont réalisées avec trois concentrations pondérales différentes de nanofluide GAMWCNT-H2O, 0,025 %, 0,065 % et 0,1 %, à différents débits massiques de 0,010, 0,0144 et 0,0188 kg/s, tout en maintenant des intensités de flux de chaleur de 600, 800 et 1000 W/m2 et des températures à l'entrée entre 303 et 323 K.

Les trois sujets suivants sont traités en profondeur dans cette section :

Technique de synthèse de nanofluides de GAMWCNT fonctionnalisés covalents respectueux de l'environnement

Banc d'essai expérimental FPSC. pour tester les performances thermiques

Méthode de test pour la conduite d'expériences utilisant un nanofluide respectueux de l'environnement

L'extrait phénolique naturel d'acide 3,4,5 trihydroxybenzoïque, également connu sous le nom d'acide gallique (GA), a été utilisé pour fonctionnaliser de manière covalente des nanotubes de carbone multiparois (diamètre : < 8 nm, pureté : > 95 %, SSA : > 500 m2/g) . Une méthode en deux étapes, telle que suggérée par Akram et al.38, a été introduite pour la préparation de nanofluides de nanotubes de carbone multiparois traités à l'acide gallique vert. 5 g de nanotubes de carbone multi-parois immaculés (Nanostructured & Amorphous Materials Inc.) et 15 g d'acide gallique ont été plongés dans un bécher rempli de 1000 ml d'eau distillée puis agités pendant près d'1/4 h jusqu'à ce que le mélange devienne homogène. Pendant le temps de sonication, 25 ml de H2O2 (Brand-sigma-Aldrich) ont été injectés goutte à goutte dans le mélange. Le mélange résultant est passé aux ultra-sons pendant 1/3 h. Le mélange est ensuite porté au reflux pendant 14h à 80°C. La centrifugation du colloïde GAMWCNs a été effectuée à 14 000 tr/min et rincée plusieurs fois avec de l'eau distillée pour éliminer les particules résiduelles jusqu'à ce que le pH atteigne 7. Ensuite, l'échantillon synthétisé a été séché à 60 °C dans une étuve pendant une journée. Enfin, des nanotubes de carbone multi-parois traités à l'acide gallique - un nano-fluide d'eau ont été synthétisés en dispersant 0, 025, 0, 065 et 0, 1% en poids de nanoparticules de MWCNT fonctionnalisées de manière covalente dans de l'eau pendant 10 minutes par ultra-sonication. Les GAMWCNT se sont avérés bien dispersés dans le fluide de base. Un diagramme schématique de la synthèse de GAMWCNT est présenté à la Fig. 1.

Présentation graphique du processus de synthèse.

Des expériences ont été menées dans un laboratoire du département de génie mécanique de l'Université de Malaya en Malaisie (essais en intérieur) pour analyser les performances thermiques des capteurs solaires thermiques à plaques planes. Le tableau 1 répertorie les spécifications détaillées du FPSC utilisé dans cette enquête. La figure 2a montre une représentation schématique de l'agencement du banc d'essai, tandis que la figure 2b représente la vue picturale de la configuration expérimentale. Le banc d'essai comprend plusieurs éléments clés tels qu'une boucle de débit, des dispositifs de contrôle, un enregistreur de données, un circulateur de bain d'eau réfrigéré (milieu de refroidissement) et un FPSC. La vue intérieure du FPSC et le détail de l'installation des thermocouples sur les tubes de la colonne montante sont illustrés à la Fig. 3. Une pompe électrique centrifuge a été utilisée pour faire circuler le fluide de travail dans le système de convection forcée. Un thermocouple auto-adhésif de type T a mesuré les températures ambiantes et un élément chauffant adhésif flexible fixé à la surface du collecteur a été utilisé comme source de flux de chaleur constant semblable à l'irradiance solaire. Un circulateur à bain d'eau réfrigéré avec un réservoir à enveloppe isolée a été utilisé pour contrôler la température du nanofluide à l'entrée du collecteur. Un réservoir de stockage en acier inoxydable d'une capacité de 8 l a été utilisé comme stockage de fluide de travail (nanofluide), et pour mesurer le débit massique, un débitmètre numérique a été installé. Une vanne à pointeau a été insérée bien avant le débitmètre pour contrôler le débit massique pendant le test, et des détecteurs de température à résistance (RTD) PT-100 calibrés ont été utilisés pour surveiller les températures d'entrée et de sortie du capteur solaire.

(a) Vue schématique du montage expérimental. (b) Vue picturale de la configuration expérimentale.

Description détaillée du FPSC avec les positions des thermocouples.

Dans quatre positions différentes le long de l'axe des x, les températures des parois extérieures des deux tubes de colonne montante médians (TW) et la température de la ligne centrale de la plaque absorbante (AP) ont été déterminées, comme le montre la Fig. 3. On peut observer que les positions des thermocouples sont à 11,4, 34,29, 57,15 et 80,1 cm de la position de référence d'une plaque absorbante dans la direction de l'axe x. Il peut appeler la distance axiale sans dimension (x/d). La valeur de TW a été prise en faisant la moyenne de deux colonnes montantes à chaque position. La sortie, la plaque absorbante (AP), la paroi du tube (TW) et la température ambiante et la chute de pression pour chaque essai ont été enregistrées dans des conditions d'état stable et des intensités de flux de chaleur de 600, 800 et 1000 W/m2 comme suggéré par le Norme ASHRAE 93-2003 pour les tests en intérieur39.

La performance thermique d'un capteur solaire à plaque plane a été testée à l'intérieur selon la norme ASHRAE 93-200339. Tous les tests ont été effectués dans des conditions de régime permanent avec différents taux de flux de chaleur équivalents aux rayonnements solaires pour déterminer l'efficacité thermique du FPSC.

Le gain de chaleur utile dans des conditions de régime permanent est calculé à l'aide de l'équation. (1)40

L'efficacité thermique du capteur solaire FP est calculée à l'aide de l'équation. (2)32,41

L'équation (3) est utilisée pour trouver le facteur d'évacuation de la chaleur41

La perte d'exergie peut être calculée par41

L'énergie absorbée \({\dot{Q}}_{s}\) est donnée par34

Les changements d'enthalpie du nanofluide GAMWCNT sont calculés comme34

Et pour les changements d'entropie suivant l'Eq. (9) est utilisé34

Mettre les valeurs des termes des Eqs. (7-9) dans l'éq. (6),

Le taux de perte d'exergie et d'efficacité d'exergie est trouvé par Eq. (11) et éq. (12)34

Facteur de frottement expérimental tel qu'évalué à partir des valeurs de chute de pression données par34,42

Les équations (14) et (15) sont utilisées pour trouver le nombre de Reynolds et la vitesse d'écoulement du fluide34

Les corrélations suivantes peuvent être utilisées pour trouver des facteurs de friction théoriques43,44

La puissance de pompage est évaluée par11

L'équation (19) est utilisée pour trouver la puissance de pompage relative45

\({Z}_{nf}\) et \({Z}_{bf}\) sont la puissance de pompage du nanofluide de base CMWCNT et du fluide de base, respectivement.

L'indice de performance (IP) est utilisé pour évaluer la faisabilité et l'efficacité des nanofluides GAMWCNT dans les FPSC, qui est donné par46

La réduction de taille du capteur solaire à plaque plate est donnée comme47,48

Il y a un minimum de défauts et d'inexactitudes dans les données obtenues. Les erreurs ne peuvent être évitées dans toute expérimentation qui entraîne une incertitude dans les résultats. Une analyse d'incertitude a été effectuée pour évaluer la précision des valeurs expérimentales enregistrées49. L'efficacité du FPSC sera expliquée proportionnellement dans cette approche, comme le montrent les équations. (22) et (23)

R = R (x1, x2, …xn) si R est la sortie de la fonction fournie qui est proportionnelle aux paramètres indépendants x1, x2,…xn. L'équation (23), proposée par Moffat61 et Holman62, peut être utilisée pour mesurer l'incertitude (δR).

L'incertitude dans les données d'expériences de cette enquête est calculée à l'aide de l'équation. (24). qui est basé sur l'Eq. (23)

2,62 %, 1,4 %, 0,70 %, 2 %, 2,2 %, 1,9 %, 0,45 %, 0,45 % et 0,8 % sont des valeurs d'incertitude de la chaleur spécifique, de la densité, de la tension, du courant, de l'irradiance solaire, de la conductivité thermique, de la température d'entrée et de la température de sortie et le débit massique respectivement. La valeur d'incertitude pour l'efficacité du collecteur est de 3,90 %.

Cette section traite de diverses techniques utilisées pour caractériser les matériaux, notamment la spectroscopie FTIR, la spectroscopie Raman, le potentiel TEM et zêta et la spectroscopie UV/VIS.

Dans la technique FTIR, par rapport aux MWCNT purs, l'échantillon GAMWCNT montre une forte indication de l'existence de groupes hydroxyle (O – H). Les pics aigus et larges à 3446–3750 cm−1 sont liés aux vibrations d'étirement O–H au niveau de la structure primaire des MWCNT et des GAMWCNT avec diverses intensités en raison de l'interaction entre les MWCNT et les groupes hydroxyle (O–H) de gallique. acide (GA) et peroxyde d'hydrogène (H2O2). Le GA est effectivement lié aux MWCNT purs par le processus de greffage radicalaire, selon le spectre FTIR. La spectroscopie Raman est une méthode importante pour déterminer la fonctionnalisation chimique des matériaux à base de carbone. Selon cette méthode, les MWCNT et les GAMWCNT immaculés présentent des bandes D et G à des nombres d'onde d'environ 1350 et 1590 cm-1, respectivement. Une technique connue sous le nom de TEM a été utilisée pour vérifier le succès de la fonctionnalisation covalente sur les MWCNT. Selon TEM, la surface des MWCNT a été modifiée avec succès pour répondre aux exigences, comme le montre la figure 4. Une autre technique, le potentiel Zeta, est utilisée pour analyser la stabilité des nanoparticules dans le fluide de base. Selon le test de potentiel Zeta, pour une plage de pH de 2,70 à 9,56, les GAMWCNT affichent de fortes valeurs négatives allant de - 16 à - 52,4 mV, qui sont loin du point d'isoélectrique. Les GAMWCNT présentent une force de répulsion électrostatique significative dans la plage de pH de 3,10 à 9,56, ce qui empêche les MWCNT de s'agréger en raison d'interactions non covalentes. La stabilité du nanofluide a également été confirmée par spectroscopie UV/VIS. La lecture d'absorbance augmentera à mesure que la quantité de GAMWCNT dispersés augmentera, et la concentration relative de GAMWCNT restera stable jusqu'à 60 jours38.

( a, b ) Images TEM de MWCNT et GAMWCNT vierges (réutilisation avec la permission d'elsvier).

Les propriétés thermophysiques des GAMWCNT et les valeurs pour différentes concentrations sont présentées dans le tableau 2.

Un analyseur de propriétés thermiques KD2 Pro (Decagon Geräte, Inc., USA) précis à environ 5 % a été utilisé pour mesurer la conductivité thermique des nanofluides synthétisés dans cette étude. Sonde KS-1, d'un diamètre de 1,3 mm et d'une longueur de 60 mm utilisée comme capteur à aiguille, et son principe de fonctionnement est basé sur la méthode transitoire du fil chaud. Avec moins de 1 % d'incertitude, la conductivité thermique enregistrée pour le fluide de base (DW) affiche une bonne compatibilité avec les données NIST50. Par rapport à l'eau désionisée (DW), les nanofluides GAMWCNT-H2O ont une conductivité thermique significativement plus élevée, comme le montre le tableau 2, et la température du fluide de travail et la concentration de nanoparticules augmentent la conductivité thermique. Le mouvement brownien des nanoparticules dans un fluide est le principal facteur sous-tendant l'augmentation de la conductivité thermique du nano-fluide GAMWCNT, qui augmente avec l'augmentation de la température. Avec une élévation de température, la mobilité aléatoire des nanoparticules dans le fluide augmente. Par conséquent, l'énergie thermique est transportée très rapidement à travers le fluide. Le tableau 2 montre que l'augmentation maximale de la conductivité thermique est de 22,83 % à 323 K pour une concentration massique de 0,1 %.

Dans cette enquête, la viscosité des nanofluides a été mesurée à l'aide d'un rhéomètre rotatif Anton Paar (Anton Paar GmbH, Physica MCR 301). Des taux de cisaillement allant de 20 à 200 1/s ont été utilisés pour les essais à différentes températures. La viscosité du nano-fluide GAMWCNTs est supérieure à celle de l'eau désionisée (DW), comme on le voit dans le tableau 2, alors que la différence n'est pas significative. De plus, la viscosité effective du GAMWCNT diminue à mesure que la température du fluide de travail augmente, ce qui est presque équivalent à celle de l'eau déminéralisée (DW). Des forces intermoléculaires affaiblies entre les particules du nanofluide pourraient être la cause de cet événement51,52,53. On peut voir que l'ajout d'une faible concentration de nanoparticules de GAMWCNT entraîne une légère augmentation de la valeur de viscosité, ce qui est bénéfique car des valeurs de viscosité plus élevées diminuent les effets de l'augmentation de la conductivité thermique du fluide en raison de la puissance de pompage accrue des systèmes de transfert de chaleur54.

Une autre propriété thermophysique importante est la capacité thermique spécifique. La calorimétrie à balayage différentiel (DSC-Q2000, TA Instruments) a été utilisée pour mesurer la chaleur spécifique du nanofluide produit à diverses concentrations pondérales et températures. Le tableau 2 affiche les valeurs de capacité thermique spécifiques enregistrées à diverses concentrations pondérales de nanofluides GAMWCNT et de températures de fluide. Les valeurs de capacité calorifique spécifique pour l'eau déminéralisée (DW) sont également présentées à titre de comparaison. La capacité calorifique spécifique du nano-fluide à base de GAMWCNT diminue à mesure que la concentration pondérale des nanoparticules augmente ; par rapport à l'eau déionisée du fluide de base, la baisse de la valeur de Cp était de 0,33 à 1,42%, ce qui n'est qu'une légère baisse. D'autre part, la capacité calorifique spécifique augmente avec la montée en température du nano-fluide.

La densité du nanofluide GAMWCNT et de l'eau désionisée (DW) à différentes températures de fluide et concentrations de nanoparticules a également été évaluée, et les résultats sont présentés dans le tableau 2. La densité des nanofluides a été mesurée à l'aide d'un densimètre Mettler Toledo (DM40). En raison de la dilatation thermique du liquide, la densité du nano-fluide GAMWCNT et du DW diminue un peu à mesure que la température augmente. On observe que lorsque la température est portée de 293 à 323 K, la densité des GAMWCNT diminue de 0,9 % pour une fraction massique de 0,1 % poids. De plus, une corrélation linéaire entre la concentration et la densité des nanoparticules est observée, c'est-à-dire que la densité augmente avec le chargement des nanoparticules.

La figure 5 montre la variation de l'efficacité thermique d'un capteur solaire à plaque plane pour différents débits massiques et concentrations pondérales de nano-fluide GAMWCNTs. Une baisse du facteur d'évacuation de la chaleur (FRUL) et une augmentation du facteur d'absorption de chaleur FR (τα) sont observées pour l'augmentation du débit massique (\(\dot{m)}\). Le tableau 3 répertorie les valeurs des facteurs de chaleur absorbée et d'évacuation de la chaleur pour les GAMWCNT à différents débits et concentrations pondérales, et ces valeurs sont comparées à l'eau déminéralisée. On peut observer que la valeur de FR (τα) augmente avec le débit massique et est plus grande pour le nanofluide GAMWCNT que pour l'eau déminéralisée. L'augmentation des valeurs d'absorption de chaleur et de la conductivité thermique du nano-fluide GAMWCNT contribue à l'amélioration des valeurs du coefficient de convection (h). En conséquence, l'efficacité du capteur solaire est observée avec l'augmentation du débit massique de 0,010 à 0,0188 kg/s pour chaque fraction pondérale de GAMWCNT. On peut observer qu'à 0,1 % en poids de GAMWCNT et un débit massique de 0,0188 kg/s par rapport à l'eau désionisée du fluide de base, l'amélioration maximale de l'efficacité thermique du FPSC est de 30,881 %. De plus, il a été constaté qu'une amélioration de l'efficacité des LFPSC est obtenue avec des fractions pondérales croissantes de GAMWCNT. C'est principalement parce que le système peut absorber plus d'énergie.

Variation de l'efficacité du collecteur avec \(\frac{\left({T}_{i}-{T}_{a}\right)}{{G}_{T}}\) à différents débits (a) 0,010 kg/s, (b) 0,0144 kg/s, (c) 0,0188 kg/s.

La figure 6 présente la relation entre l'efficacité thermique du FPSC et le paramètre de température réduit \(\frac{\left({T}_{i}-{T}_{a}\right)}{{G}_{T }}\) pour différents débits massiques d'eau distillée en tant que fluide de base et de nanofluides à base de GAMWCNT à différentes fractions pondérales de nanofluides de GAMWCNT. On peut noter que les nanofluides GAMWCNT ont des valeurs de FR (τα) supérieures à celles du fluide de base. La valeur la plus élevée a été atteinte à un débit de 0,0188 kg/s et à 0,1 % en poids. concentration. Le taux de transfert de chaleur est amélioré avec des valeurs croissantes du facteur d'absorption de chaleur en raison d'une épaisseur de couche limite thermique plus mince.

Variation de l'efficacité du collecteur avec \(\frac{\left({{\varvec{T}}}_{{\varvec{i}}}-{{\varvec{T}}}_{{\varvec{a} }}\right)}{{{\varvec{G}}}_{{\varvec{T}}}}\) à différentes concentrations pondérales (a) 0,025 %, (b) 0,065 %, (c) 0,1 %

Le coefficient thermique de convection (h), dont la valeur est proportionnelle à la conductivité thermique (K) du fluide utilisé, améliore l'efficacité thermique du FPSC. L'amélioration substantielle du coefficient de convection (h) est principalement attribuable au développement d'une fine couche limite thermique au niveau des parois du tube élévateur en raison de la conductivité thermique accrue du nanofluide GAMWCNT et de la réduction de la résistance thermique entre le fluide caloporteur et la surface de la paroi interne du tube élévateur. . De plus, l'épaisseur de la couche limite thermique est réduite à l'aide de nanoparticules à base de carbone comme le GNP et les MWCNT. L'amélioration du coefficient de transfert de chaleur (h) et de l'efficacité thermique des capteurs solaires à plaques planes est également attribuée à la surface spécifique (SSA) et au mouvement brownien des GAMWCNT dans l'eau distillée.

Par rapport à l'eau désionisée du fluide de base, il y a une augmentation des facteurs de perte d'énergie pour les nanofluides GAMWCNT à différents débits, comme indiqué dans le tableau 3. En outre, les valeurs des facteurs d'absorption d'énergie augmentent avec une augmentation du débit massique, comme le montre le tableau 3. Il est à noter qu'avec l'augmentation de la fraction pondérale de GAMWCNT par rapport à l'eau déminéralisée, l'augmentation du paramètre d'énergie absorbée est de 16,99 %, 23,70 % et 28,07 % à un débit massique de 0,0188 kg/s. Le paramètre de perte d'énergie est de 6,17 %, 6,69 % et 7,03 %.

De nombreux facteurs affectent l'efficacité d'un capteur solaire à plaque plane, et l'un des facteurs importants est le gradient de température (ΔT) du fluide de travail à l'intérieur du capteur. Il y a une amélioration des performances thermiques du FPSC avec le gradient de température car l'efficacité thermique est directement proportionnelle à la différence de température entre la sortie et l'entrée, comme présenté dans l'équation. (2). De plus, la température d'entrée est fixée pour un essai spécifique et l'amélioration de la température de sortie est obtenue en utilisant des nanofluides par rapport au fluide de base. Cette valeur améliorée de la température de sortie a un effet positif sur l'efficacité thermique du FPSC. La figure 7a présente la variation de la température de sortie à différentes fractions pondérales pour différents débits massiques de nanofluide GAMWCNT à GT constant et à température d'entrée. On voit qu'à concentration pondérale particulière, la température en sortie diminue avec l'augmentation du débit du fluide de travail. L'eau désionisée et la concentration en poids de 0,1 % de nanofluide GAMWCNT ont une réduction de 0,8710 % et 0,9292 % de la température de sortie, respectivement. D'autre part, la température de sortie augmente avec la concentration pondérale de nanofluide GAMWCNT dans le capteur solaire. Par rapport au fluide de base, la valeur de la température de sortie était élevée pour diverses concentrations de nanofluide GAMWCNTs. L'amélioration de la température était de 0,6774 %, 0,6489 % et 0,6183 % lorsque l'eau désionisée du fluide de base a été remplacée par une concentration en poids de 0,1 % de nanofluide GAMWCNT comme fluide de fonctionnement à 0,010, 0,0144 et 0,0188 kg/s respectivement. Il y a eu une amélioration de la valeur de gain de chaleur et des performances thermiques du FPSC en raison d'une augmentation de la concentration pondérale de nanofluide. Ainsi, l'efficacité thermique est considérablement améliorée en utilisant le nanofluide GAMWCNT au lieu de l'eau du fluide de base. La variation de la température de sortie avec la température d'entrée en maintenant le flux de chaleur et la concentration pondérale du fluide de fonctionnement constants est également étudiée, et les résultats sont présentés à la Fig. 7b. On observe qu'une augmentation de la température de sortie se produit lorsque la température d'entrée augmente à un débit spécifique. L'amélioration de la température de sortie était de 4,78 % à 0,010 kg/s, 4,95 % à 0,0144 kg/s et 5,02 % à 0,0188 kg/s par rapport à la température d'entrée. En raison de l'amélioration de la température de sortie, la plus grande différence de température est apparente lors de l'utilisation de nanofluides GAMWCNT par rapport à l'eau déionisée, même si la valeur de Cp pour les GAMWCNT est inférieure à celle de l'eau désionisée (fluide de base), ce qui entraîne une performance thermique plus élevée du solaire. collectionneur55,56.

Température de sortie en fonction de (a) concentration pondérale pour différents débits massiques du fluide de travail, (b) température d'entrée du fluide de travail.

Les valeurs de génération d'entropie (Sgen) et de destruction d'exergie (Edest) ont un impact significatif sur l'efficacité exergétique des systèmes de transfert de chaleur. Minimiser Edest et Sgen améliore les performances énergétiques de ces systèmes. La variation des valeurs Edest et Sgen pour 0,010, 0,0144, 0,0188 kg/s en maintenant le flux de chaleur (GT) et la température à l'entrée constants est présentée à la Fig. 8. Selon les résultats, il y a eu une amélioration des valeurs d'entropie génération (Sgen) et destruction par exergie (Edest) avec l'augmentation du débit massique de 0,010 à 0,0188 kg/s pour la même fraction massique de fluide de travail. Cette augmentation des valeurs d'Edest et de Sgen était due à l'augmentation du gain de chaleur à mesure que le débit massique augmente et que la température de sortie du fluide caloporteur chute rapidement. D'autre part, pour une augmentation de la fraction pondérale GAMWCNT à un débit massique fixe, il y avait une amélioration de la valeur du facteur de gain de chaleur et de la température de sortie avec un coût du facteur de frottement accru (Fr). Par conséquent, les valeurs de destruction d'exergie et de génération d'entropie sont réduites. En raison de sa capacité supérieure d'absorption de chaleur, le nanofluide GAMWCNT à 0,1 % produit les valeurs les plus faibles de destruction d'exergie et de génération d'entropie.

Génération d'entropie et destruction d'exergie pour le fluide de base et le nanofluide GAMWCNT.

La figure 9 montre la variation de l'efficacité exergétique (ηe) pour le nanofluide à base de GAMWCNT à un débit massique de 0,010, 0,0144 et 0,0188 kg/s. Pour une fraction pondérale donnée, il a été constaté que l'efficacité exergétique diminue lorsque le débit augmente. L'augmentation des valeurs de Sgen en est la principale cause. De plus, l'efficacité exergétique augmente instantanément avec l'augmentation de la concentration du fluide de travail à un débit massique fixe. Par rapport au fluide de base, des concentrations pondérales plus élevées de GAMWCNT ont démontré des valeurs d'efficacité exergétique plus élevées. À 0,025, 0,065 et 0,1 % de concentration de GAMWCNT pour 0,0188 kg/s, l'amélioration de l'efficacité exergétique est de 2,57 %, 4,18 % et 5,53 %, respectivement, par rapport au fluide de base. L'augmentation de l'efficacité exergétique est de 2,38 %, 3,45 %, 4,16 % à un débit massique de 0,0144 kg/s et de 1,62 %, 2,42 %, 2,91 % à 0,010 kg/s pour une concentration en poids de 0,025 %, 0,065 % et 0,10 %, respectivement.

Efficacité exergétique par rapport au débit massique pour le fluide de base et le nanofluide GAMWCNT.

L'augmentation des valeurs du facteur de frottement et de la puissance de pompage affecte négativement les performances thermiques des systèmes solaires thermiques, de sorte que les valeurs de ces paramètres doivent être minimales. La figure 10a affiche le facteur de friction théorique calculé à partir des modèles empiriques Petukhov et Blasius et le facteur de friction déterminé à partir d'expériences sur de l'eau déionisée de fluide de base à une température d'entrée fixe, un flux de chaleur et un nombre de Reynold variable (Re). En incluant une certaine variance, le juste accord est trouvé entre les valeurs de ces deux types de facteurs de friction (théorique et expérimental). On remarque que l'écart entre la valeur de frottement expérimentale (f) et le modèle de Blasius est de 7,23 %, tandis que la différence entre la valeur de frottement observée et le modèle de Petukhov est de 8,26 %.

( a ) Valeurs de frottement expérimentales, Blasius et Petukhov du fluide de base (eau DI) pour différents nombres de Reynold. ( b ) Valeurs du facteur de friction pour le nanofluide GAMWCNT et l'eau DI à différents nombres de Reynold.

La variation des valeurs du facteur de friction du nanofluide GAMWCNT à différents nombres de Reynolds est présentée sur la figure 10b. Les valeurs obtenues pour différentes concentrations de nanofluide sont comparées au fluide de base. On observe que les valeurs du facteur de frottement diminuent avec l'augmentation du nombre de Reynolds. En effet, lorsque le nombre de Reynolds augmente, le gradient de densité diminue, ce qui réduit l'amplitude de la résistance au frottement. D'autre part, à mesure que la concentration de GAMWCNT augmente, il y a une petite augmentation des valeurs de frottement par rapport à l'eau déminéralisée. Lorsque les GAMWCNT sont dispersés dans le fluide de base, la viscosité du nanofluide augmente, provoquant une chute de pression et, finalement, un facteur de friction. Par rapport au fluide de base, pour 0,025, 0,65 et 0,1 % de fraction pondérale de GAMWCNT, la plus forte augmentation du facteur de frottement (f) est de 2,29, 3,66 et 8,63 %. La concentration pondérale accrue de GAMWCNT favorise la chute de pression et la puissance de pompage car des forces de cisaillement par frottement sont induites à une viscosité et à des vitesses de fluide de travail plus élevées.

La puissance de pompage relative des GAMWCNT et du fluide de base (DW) est illustrée à la Fig. 11. On observe qu'il y a une légère augmentation de la puissance de pompage relative à mesure que la concentration pondérale des nanoparticules augmente. Cependant, la puissance de pompage du nanofluide GAMWCNT et de l'eau déminéralisée du fluide de base est très proche.

Puissance de pompage relative à différentes concentrations pondérales.

L'indice de performance (PI) est un paramètre clé pour évaluer l'efficacité du nanofluide GAMWCNT-H2O dans les systèmes de transfert de chaleur comme les capteurs solaires à plaques planes. Il est essentiel de se rappeler que le nanofluide utilisé dans les capteurs solaires doit avoir des valeurs d'indice de performance supérieures à un, car ne pas le faire annulera tout avantage potentiel et ce nanofluide spécifique n'est pas un fluide de fonctionnement acceptable32,46. La figure 12 affiche les valeurs de l'indice de performance à différents débits. On observe que pour toutes les concentrations pondérales de GAMWCNT, des paramètres d'indice de performance supérieurs à un sont trouvés car l'augmentation de l'efficacité du collecteur à plaques planes l'emporte sur l'augmentation de la valeur de perte de charge. De plus, les valeurs de PI augmentent avec l'augmentation de la concentration pondérale de GAMWCNT. Par conséquent, un nanofluide GAMWCNT à concentration plus élevée avec un indice de performance et une efficacité accrus peut être un fluide de fonctionnement alternatif viable dans le FPSC.

Indice de performance à différents débits massiques pour différentes concentrations pondérales de GAMWCNT.

L'objectif principal de cette enquête est d'évaluer la quantité d'énergie et de matière qui peut être économisée dans le développement du FPSC avec des nanofluides GAMWCNT comme fluides caloporteurs. La figure 13 montre la réduction de taille possible à une concentration pondérale différente de nanofluide GAMWCNT dans un collecteur à plaques plates. Il a été constaté qu'il y a une amélioration de la réduction de taille du collecteur avec l'augmentation du débit à la concentration fixe de nanofluide GAMWCNT. De plus, à débit constant, l'augmentation de la concentration de GAMWCNT a amélioré la possibilité de réduction de la taille du capteur solaire à plaque plate. Il est enregistré que lorsque le FPSC fonctionnait à 0,0188 kg / s et à une concentration de nanofluide GAMWCNT de 0,1%, la réduction de taille la plus élevée, 27,59%, était atteinte par rapport au FPSC avec de l'eau comme fluide caloporteur. Ainsi, le FPSC utilisant le nanofluide GAMWCNT est plus rentable que le FPSC utilisant de l'eau.

Réduction de la taille du FPSC à différentes concentrations pondérales de nanofluide GAMWCNT.

Le calcul de toute l'énergie nécessaire à la construction d'un produit ou d'un objet est appelé énergie grise. Les progrès continus de la technologie industrielle sont dus à une diminution de l'énergie grise. Différentes études démontrent que l'utilisation de nanofluides réduit les coûts de production d'énergie par rapport à l'utilisation d'eau. Puisque plus d'énergie utile est produite à l'aide de nanofluides, les coûts de production d'énergie du collecteur sont réduits et ses performances thermiques sont améliorées57,58,59. L'analyse économique s'appuie fortement sur l'évaluation de l'énergie grise dans les capteurs solaires à plaques planes. Une évaluation efficace des implications économiques des capteurs plats a été réalisée en utilisant l'approche d'évaluation du cycle de vie34,47,60,61. Étant donné que plus de 70 % de l'EE provenait de la construction du FPSC, la méthodologie adoptée ne considère que l'énergie grise (EE) pendant les phases de construction et d'exploitation du FPSC62,63. La présente recherche examine comment la masse et l'énergie intrinsèque affectent l'abaissement de la taille du collecteur à plaques planes. À différentes concentrations de nanofluide GAMWCNT et de fluide de base, l'analyse économique et de l'énergie intrinsèque est présentée dans le tableau 4. Le verre et le cuivre sont les deux principaux composants du capteur solaire. Les indices d'énergie grise pour le verre et le cuivre sont respectivement de 15,9 MJ/kg et 70,6 MJ/kg64,65. La présente analyse considère la réduction de taille du FPSC en fonction de la masse et de l'énergie grise. Il a été constaté que la taille du FPSC était réduite lorsque le nanofluide GAMWCNT était utilisé à la place de l'eau du fluide de base, économisant 321,72 MJ d'énergie grise.

De plus, à mesure que la surface du collecteur à plaques planes est réduite, il y a une diminution de la demande d'électricité, ce qui réduit les coûts d'exploitation du système. La période de récupération était de 1,897 ans pour le FPSC avec des nanofluides GAMWCNT à 0,1 % en poids, ce qui était 6,228 % plus court que l'utilisation d'eau comme fluide caloporteur. Par conséquent, il est conclu que le capteur solaire FP avec le nanofluide GAMWCNT comme fluide caloporteur est plus efficace et économise plus d'énergie que le FPSC avec de l'eau.

Des recherches expérimentales ont été menées pour analyser les effets du nanofluide GAMWCNT synthétisé vert, un fluide caloporteur non corrosif, non toxique et respectueux de l'environnement, sur les performances des capteurs solaires à plaques planes.

Les points suivants sont les points importants de la conclusion.

Le test d'analyse de stabilité a montré une plus grande stabilité des GAMWCNT dans le fluide de base pendant 60 jours sans agrégation.

L'efficacité thermique du collecteur a augmenté avec l'augmentation du flux de chaleur, du débit massique et de la concentration pondérale, mais une baisse a été observée à mesure que la température d'entrée augmentait. Selon les résultats expérimentaux, l'amélioration la plus élevée de l'efficacité énergétique était de 30,8 % pour une concentration en poids de 0,1 % de nanofluide GAMWCNT à 0,0188 kg/s par rapport au fluide de base.

L'analyse exergétique a révélé que l'efficacité exergétique (\({\eta }_{e})\) augmente avec l'amélioration de la concentration pondérale de GAMWCNT mais diminue avec l'augmentation du débit. L'efficacité exergétique maximale a été atteinte à une concentration de GAMWCNT de 0,1 % et un débit massique de 0,010 kg/s.

Pour des concentrations de nanofluide GAMWCNT de 0,025, 0,065 et 0,1 % par rapport au fluide de base (DW), l'augmentation maximale du facteur de friction était de près de 2,29, 3,66 et 8,63 %.

Des valeurs d'indice de performance (PI) supérieures à 1 ont été obtenues pour chaque concentration pondérale de nanofluide GAMWCNT-H2O. Une augmentation de la concentration de nanofluide GAMWCNT a montré des valeurs plus élevées pour PI. La période de récupération était de 1,897 ans pour le FPSC avec des nanofluides GAMWCNT qui étaient 6,228% plus courts que l'utilisation de l'eau comme fluide caloporteur. Il est donc conclu que les capteurs solaires FP avec le nanofluide GAMWCNT comme fluide caloporteur sont plus efficaces et économisent plus d'énergie que les FPSC avec de l'eau.

En fonction des résultats de la présente étude, les aspects spécifiques suivants pourront être pris en compte dans les études ultérieures sur les FPSC à base de nanofluides :

La préparation de nanomatériaux à plus grande surface spécifique nécessitera une attention particulière de la part des chercheurs pour s'assurer de leur excellente stabilité colloïdale, des caractéristiques thermophysiques et des performances thermiques des FPSC.

Les nanofluides doivent être stables dans des suspensions colloïdales pour être choisis comme fluides caloporteurs. Les nanofluides mal préparés ont tendance à s'agglutiner et à se déposer, ce qui pourrait obstruer les canaux d'écoulement et réduire leur conductivité thermique. Par conséquent, pour une utilisation réussie dans les FSPC ou d'autres systèmes de transfert de chaleur, les chercheurs doivent se concentrer sur la synthèse de nanofluides avec une longue stabilité colloïdale en suspension.

Les ensembles de données utilisés et analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Surface du capteur plan (m2)

Réduction de la surface du collecteur (m2)

Institut national des normes et de la technologie

Capacité calorifique du fluide (J/kg K)

Nanotubes de carbone

Nanotube de carbone multiparois

Nanotube de carbone multiparois à base d'acide gallique

PNB traité à l'acide gallique

Capteur solaire plat

La microscopie électronique à transmission

Acide gallique

Nanoplaquettes de graphène

Peroxyde d'hydrogène

Pourcentage en poids/fraction massique

Conductivité thermique du fluide (W/mK)

Kelvin

Longueur du tube (m)

Débit de fluide de travail (kg/s)

Spectroscopie ultraviolette-visible

Diamètre intérieur

Flux de chaleur (W/m2)

Fluide de base

Nanofluide

Coefficient de transfert thermique convectif (W/m2. K)

Le numéro de Reynold

Facteur de frottement expérimental

Température, °C

Le dioxyde de titane

Oxyde de cérium (IV)

Oxyde d'aluminium

Oxyde de zinc

Détecteur de température de la resistance

Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier

Triéthanolamine

Société américaine des ingénieurs en chauffage, réfrigération et climatisation

Aire de surface spécifique

L'intensité du flux de chaleur (W/m2)

Facteur de chaleur absorbée

Facteur d'évacuation de la chaleur

Destruction exergétique

Génération d'entropie

Index des performances

Énergie grise

Paroi tubulaire

Température ambiante (K)

La température du fluide à l'entrée(K)

La température du fluide en sortie (K)

La température ambiante (K)

Densité du fluide(kg/m3)

Différence de pression (Pa)

Efficacité exergétique

Efficacité thermique du capteur

Viscosité dynamique du fluide (mPa·s)

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Md Aboul Kalam

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Conceptualisation, MA; méthodologie, NA, MA et GQC ; analyse formelle, SNK, MA et NA ; enquête MAGQC; et NA ; rédaction—préparation du projet original, MA et NA ; rédaction - révision et édition, , supervision SNK, MA et NA, et MES, NMM et MA.K révision et édition du manuscrit . Tous les auteurs ont lu et accepté la version publiée du manuscrit.

Correspondance à Muhammad Amar ou Nabisab Mujawar Mubarak.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Amar, M., Akram, N., Chaudhary, GQ et al. Analyse énergétique, exergétique et économique (3E) d'un capteur solaire à plaques planes utilisant un nouveau nanofluide respectueux de l'environnement. Sci Rep 13, 411 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27491-w

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Reçu : 01 octobre 2022

Accepté : 03 janvier 2023

Publié: 09 janvier 2023

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

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