عنوان مقاله:
همرفت فتوترمال یک نانوسیال مغناطیسی در یک کلکتور خورشیدی جذب مستقیم
Photothermal convection of a magnetic nanofluid in a direct absorption solar collector
سال انتشار: 2022
رشته: مهندسی مکانیک - مهندسی انرژی
گرایش: مکانیک سیالات - انرژی های تجدیدپذیر - فناوری انرژی - تبدیل انرژی
دانلود رایگان این مقاله:
دانلود مقاله نانوسیال مغناطیسی
مشاهده سایر مقالات جدید:
2. Methodology
The experiments on photothermal convection were carried out at a laboratory scale in a tubular rig containing a direct absorption solar collector with a magnetic nanofluid. 2.1. Nanofluid The nanofluid was produced by dispersing nanoparticles of iron oxide (Fe2O3 ) in water. The nanoparticles were purchased from Sigma Aldrich. According to the manufacturer, the size of the particles, determined by the Brunauer–Emmett–Teller technique, was below 50 nm (Sigma Aldrich, 2021). The results of the scanning electron microscope Jeol JSM-7400F are shown in Fig. 1. The individual particles are at least 25% of the experimental scale, confirming the information from the manufacturer. A two-step method was used to produce the nanofluid. In the first step, the required mass of the nanoparticles was mixed with a corresponding volume of distilled water (Fybikon, Norway). The fraction of particles was measured using the precision scale Sartorius CPA 324S (±0.1 mg). The mixture was mechanically stirred to form a suspension. In the second step, the suspension was subjected to intense sonication for 30 min. The ultrasonic treatment of the suspension was conducted using the ultrasonic bath Branson 3510 at 130 W. To avoid possible electromagnetic and rheological influence of surfactants on the studied photothermal convection, the obtained nanofluid was produced without an electrochemical stabilisation. The freshly made batches of the nanofluid were used in the experiments within 24 h after production without further treatment. The nanofluid remained visually stable during this period. The distribution of particle sizes in the nanofluid was inspected by means of static light scattering (SLS) using Malvern Mastersizer 2000. The particle size distribution for the freshly produced sample is presented in Fig. 2. From the figure, we note that the agglomeration of the nanoparticles in the fresh nanofluid resulted in an average particles size of 60 nm. The size distribution for the samples treated in the experiments is also presented in Fig. 2. The combined heating and magnetisation increased the average particle size to 110 nm. According to the literature, nanoparticles with sizes of about 100 nm remain stable after an ultrasonic dispersion in water (Moldoveanu et al., 2018). Therefore, we conclude on partial stability of the matured samples.
3. Results and discussion
3.1. Temperature difference The first experiments were conducted to clarify how the concentration of nanoparticles influences the photothermal heating in the system. For this purpose, we recorded the temperature difference in the loop without magnetic field at different concentrations of nanoparticles and at 0.4 A in the solenoid. This is shown in Fig. 5 as dynamic temperature curves. From the plot, we note that the temperature differences increase in time and reach a steady value after approximately 2500 s of the process. The maximum difference of 12.4 ◦C is seen for the concentration of 1.0% wt. The average combined experimental uncertainty of the data from the figure was 0.6 K. By increasing the concentration, the temperature difference decreased to 7.8 ◦C at 2.0% wt. We also note that the thermal stabilisation of the system occurs faster for higher concentrations. We return to this issue later in the paper, where we introduce the notion of the characteristic time of thermal stabilisation. We observed a continuous flow of nanofluid during the measurements in the DASC and heat exchanger. The flow started after the solenoid was activated and was thus induced by the magnetic convection due to the formation of temperature gradients in the rig. An increase in the flow rate can explain the reduction of the temperature difference for higher particle concentrations. The increase was obviously dependent on the number of magnetic particles as they drove the fluid via the interphase momentum coupling. Several mechanisms are responsible for the observed reduction of the temperature. At first, by enhancing the flow rate, we limited the radiant heat exposure to the particles. Next, increased flow enhances the heat transfer in the heat exchanger and increases the thermal leaks to the environment. In addition, increasing the concentration of the nanoparticles, we increased the thermal conductivity of the nanofluid (Colla et al., 2012) and further promoted heat exchange with the cold environments. Similar qualitative behaviour of heating in a conventional direct absorption solar collector was reported in the recent work by Struchalin et al. (2021). To verify whether natural convection occurs in the rig, we irradiated the DASC section of the loop for about an hour without activating the solenoid. A dynamic temperature log for 2.0% wt. nanofluid in the absence of a magnetic field is presented in Fig. 5 as a reference. According to the temperature logs, the steady-state temperature difference was 0.9 ± 0.4 ◦C when using various nanoparticle concentrations. This low value of the temperature difference was due to a very slow fluid circulation in the loop, which was also confirmed visually in the transparent sections of the pipes.
(دقت کنید که این بخش از متن، با استفاده از گوگل ترنسلیت ترجمه شده و توسط مترجمین سایت ای ترجمه، ترجمه نشده است و صرفا جهت آشنایی شما با متن میباشد.)
2. روش شناسی
آزمایش‌ها بر روی همرفت فتوترمال در مقیاس آزمایشگاهی در یک دکل لوله‌ای حاوی یک کلکتور خورشیدی جذب مستقیم با یک نانوسیال مغناطیسی انجام شد. 2.1. نانوسیال نانوسیال از پراکندگی نانوذرات اکسید آهن (Fe2O3) در آب تولید شد. نانوذرات از سیگما آلدریچ خریداری شده است. به گفته سازنده، اندازه ذرات که توسط تکنیک Brunauer-Emmett-Teller تعیین شده است، زیر 50 نانومتر بوده است (Sigma Aldrich, 2021). نتایج میکروسکوپ الکترونی روبشی Jeol JSM-7400F در شکل 1 نشان داده شده است. ذرات منفرد حداقل 25 درصد مقیاس آزمایشی هستند که اطلاعات سازنده را تأیید می کند. برای تولید نانوسیال از روش دو مرحله ای استفاده شد. در مرحله اول، جرم مورد نیاز نانوذرات با حجم متناظر آب مقطر (Fybikon، نروژ) مخلوط شد. کسر ذرات با استفاده از مقیاس دقیق Sartorius CPA 324S (±0.1 میلی گرم) اندازه گیری شد. مخلوط به صورت مکانیکی هم زده شد تا یک سوسپانسیون تشکیل شود. در مرحله دوم، سوسپانسیون به مدت 30 دقیقه تحت سونیکاسیون شدید قرار گرفت. درمان اولتراسونیک سوسپانسیون با استفاده از حمام اولتراسونیک برانسون 3510 در 130 وات انجام شد. برای جلوگیری از تأثیر احتمالی الکترومغناطیسی و رئولوژیکی سورفکتانت‌ها بر روی همرفت فوتوترمال مورد مطالعه، نانوسیال به‌دست‌آمده بدون تثبیت الکتروشیمیایی تولید شد. دسته‌های تازه ساخته شده از نانوسیال در آزمایش‌ها طی 24 ساعت پس از تولید بدون درمان بیشتر مورد استفاده قرار گرفتند. نانوسیال در این دوره از نظر بصری پایدار ماند. توزیع اندازه ذرات در نانوسیال با استفاده از پراکندگی نور استاتیک (SLS) با استفاده از Malvern Mastersizer 2000 بررسی شد. توزیع اندازه ذرات برای نمونه تازه تولید شده در شکل 2 ارائه شده است. از شکل، توجه می کنیم که تجمع نانوذرات موجود در نانوسیال تازه به اندازه متوسط ذرات 60 نانومتر منجر شد. توزیع اندازه برای نمونه های تیمار شده در آزمایش ها نیز در شکل 2 نشان داده شده است. گرمایش و مغناطیس ترکیبی، اندازه متوسط ذرات را به 110 نانومتر افزایش داد. با توجه به ادبیات، نانوذرات با اندازه های حدود 100 نانومتر پس از پراکندگی اولتراسونیک در آب پایدار می مانند (Moldoveanu et al., 2018). بنابراین، ما در مورد پایداری نسبی نمونه های بالغ نتیجه می گیریم.
3. نتایج و بحث
3.1. تفاوت دما اولین آزمایش ها برای روشن شدن چگونگی تأثیر غلظت نانوذرات بر گرمایش فتوترمال در سیستم انجام شد. برای این منظور، اختلاف دما را در حلقه بدون میدان مغناطیسی در غلظت‌های مختلف نانوذرات و 0.4 A در شیر برقی ثبت کردیم. این در شکل 5 به عنوان منحنی های دما پویا نشان داده شده است. از نمودار، متوجه می‌شویم که اختلاف دما در زمان افزایش می‌یابد و پس از تقریباً 2500 ثانیه از فرآیند به یک مقدار ثابت می‌رسد. حداکثر اختلاف 12.4 ◦C برای غلظت 1.0٪ وزنی مشاهده می شود. میانگین عدم قطعیت تجربی ترکیبی داده‌های شکل 0.6 کلوین بود. با افزایش غلظت، اختلاف دما به 7.8 ◦C در 2.0٪ وزنی کاهش یافت. همچنین توجه می کنیم که تثبیت حرارتی سیستم برای غلظت های بالاتر سریعتر اتفاق می افتد. ما بعداً در مقاله به این موضوع باز می‌گردیم، جایی که مفهوم زمان مشخصه تثبیت حرارتی را معرفی می‌کنیم. ما یک جریان مداوم نانوسیال را در طول اندازه‌گیری‌ها در DASC و مبدل حرارتی مشاهده کردیم. جریان پس از فعال شدن شیر برقی شروع شد و در نتیجه توسط جابجایی مغناطیسی به دلیل تشکیل گرادیان های دما در دکل القا شد. افزایش نرخ جریان می تواند کاهش اختلاف دما را برای غلظت ذرات بالاتر توضیح دهد. این افزایش آشکارا به تعداد ذرات مغناطیسی بستگی داشت زیرا آنها سیال را از طریق جفت شدن تکانه بین فازی هدایت می کردند. چندین مکانیسم مسئول کاهش مشاهده شده دما هستند. در ابتدا، با افزایش سرعت جریان، قرار گرفتن در معرض حرارت تابشی را به ذرات محدود کردیم. در مرحله بعد، افزایش جریان باعث افزایش انتقال حرارت در مبدل حرارتی و افزایش نشت حرارتی به محیط می شود. علاوه بر این، با افزایش غلظت نانوذرات، هدایت حرارتی نانوسیال را افزایش دادیم (Colla et al., 2012) و تبادل گرما را با محیط های سرد بیشتر ارتقا دادیم. رفتار کیفی مشابه گرمایش در یک کلکتور خورشیدی با جذب مستقیم معمولی در کار اخیر استروچالین و همکاران گزارش شده است. (2021). برای بررسی اینکه آیا همرفت طبیعی در دکل رخ می‌دهد یا خیر، ما بخش DASC حلقه را برای حدود یک ساعت بدون فعال کردن شیر برقی تحت تابش قرار دادیم. گزارش دما پویا برای 2.0٪ وزنی. نانوسیال در غیاب میدان مغناطیسی در شکل 5 به عنوان مرجع ارائه شده است. با توجه به گزارش‌های دما، اختلاف دمای حالت پایدار هنگام استفاده از غلظت‌های مختلف نانوذرات 0.4 ± 0.9 درجه سانتی‌گراد بود. این مقدار کم اختلاف دما به دلیل گردش بسیار کند سیال در حلقه بود که به صورت بصری در بخش های شفاف لوله ها نیز تأیید شد.
