La aplicación de no

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 8471 (2023) Citar este artículo

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La mejora de la transferencia de calor dentro de los intercambiadores de calor solares es importante para el desarrollo de la energía solar en una zona urbana. En este estudio, se examina el uso de un campo magnético no uniforme en la eficiencia térmica del nanofluido (Fe3O4) que fluye dentro del tubo de giro en U de los intercambiadores de calor solares. Se aplica dinámica de fluidos computacional para visualizar el flujo de nanofluido dentro del intercambiador de calor solar. Se investiga a fondo el papel de la intensidad magnética y el número de Reynolds en la eficiencia térmica. En nuestra investigación también se estudia el efecto de fuentes simples y triples de campo magnético. Los resultados obtenidos indican que el uso del campo magnético produce la producción de vórtices en el fluido base y mejora la transferencia de calor dentro del dominio. Nuestro hallazgo indica que el uso del campo magnético con Mn = 25 K mejoraría la transferencia de calor promedio en aproximadamente un 21% a lo largo del tubo de giro en U de los intercambiadores de calor solares.

El avance térmico de los intercambiadores de calor es fundamental para ahorrar entornos y costes. El rendimiento de los intercambiadores de calor es crucial en diferentes industrias, ya que se utilizan ampliamente en industrias como centrales eléctricas, plantas petroquímicas y refinerías de petróleo, así como en usuarios domésticos1,2,3. La importancia de este dispositivo para salvar el medio ambiente se menciona en trabajos anteriores ya que reducirá las emisiones de CO2 al quemar petróleo para la producción de energía. Por otro lado, un nuevo tipo de recurso energético como la energía solar se vuelve económico cuando el rendimiento de los intercambiadores de calor es lo suficientemente alto4,5.

El desarrollo de nuevas fuentes de energía es muy importante ya que la fuente de energía actual no es duradera por más de dos siglos6,7. De ahí que las energías renovables se hayan convertido en el tema principal para los investigadores como el mejor sustituto del petróleo crudo8,9. Además, la reducción de la contaminación no se logra con la fuente de energía clásica, ya que la producción de CO2 es inevitable al quemar petróleo crudo10,11. Entre las energías renovables disponibles, la energía solar ha sido considerada una fuente confiable de energía debido a su accesibilidad y bajo costo, especialmente para los usuarios domésticos12,13. Aunque las plantas de energía solar no son comparables con otras plantas de energía (es decir, nucleares) para la producción de energía a gran escala, esta fuente de energía podría usarse de manera eficiente para usuarios de pequeña escala que viven a largas distancias de las áreas urbanas14,15,16,17. Así, el uso de sistemas solares para la producción de fuentes de energía para usuarios domésticos ha aumentado en los últimos tres años al aumentar el precio del petróleo18,19,20.

El uso de nanopartículas ha mejorado considerablemente la eficiencia de los intercambiadores de calor actuales21,22. De hecho, las partículas ferro mejoran ampliamente la capacidad térmica del fluido base en los intercambiadores de calor y esto economiza el rendimiento de los paneles solares para proporcionar el agua caliente necesaria para los usuarios domésticos23,24,25. La capacidad calorífica del nanofluido aumenta sustancialmente con el uso del campo magnético. De hecho, la aplicación de la fuente magnética cerca de la tubería con la corriente de nanofluido produce una alteración en el fluido y se produce una estructura de vórtice en la corriente de nanofluido26,27. Por tanto, la transferencia de calor se intensifica dentro de los intercambiadores de calor. Esta característica del flujo de nanofluidos se ha investigado exhaustivamente en otro proceso, es decir, la ebullición y la fusión, ya que esto cambiaría las propiedades térmicas del proceso28,29,30. Aunque en la investigación actual se ha explorado el uso de una fuente magnética uniforme o no uniforme cerca del nanofluido con partículas ferro, este aspecto del flujo de nanofluido no se exploró exhaustivamente en diferentes secciones de los intercambiadores de calor31,32,33. En la mayoría de estos estudios, se utiliza un enfoque teórico para el análisis térmico del flujo de nanofluidos34,35,36. La técnica numérica de dinámica de fluidos computacional también se utiliza para la investigación de la transferencia de calor de intercambiadores de calor37,38. Debido al bajo costo de las investigaciones computacionales, esta técnica se considera como el método inicial para la preevaluación de nuevos enfoques innovadores para el desarrollo de investigaciones actuales39,40. Aunque varias investigaciones se han centrado en el campo magnético uniforme para la mejora de los intercambiadores de calor, el campo magnético no uniforme se estudió en artículos limitados mediante dinámica de fluidos computacional41,42,43.

En este artículo, se analiza el papel de un campo magnético no uniforme en la mejora térmica del flujo de nanofluidos a lo largo de un intercambiador de calor de doble tubo con giro en U (Fig. 1). Las características de flujo y las propiedades térmicas del flujo de nanofluido se examinan y analizan mediante dinámica de fluidos computacional. Se explora en profundidad la racionalización del flujo base con partículas ferro en un modelo bidimensional para revelar los principales factores de flujo que mejoran los aspectos térmicos del nanofluido. También se simulan los impactos del número de Reynolds del nanofluido y las intensidades magnéticas en la hidrodinámica de la corriente de nanofluido. Además, se representa la variación de la transferencia de calor a lo largo de la tubería de giro en U en diferentes condiciones.

El esquema de una tubería con giro en U en presencia de (a) una sola (b) una fuente magnética triple no uniforme.

El nanofluido es la mezcla de partículas ferro (3 a 15 nm) dentro del fluido base que es agua en este estudio. La simulación del nanofluido se realiza mientras el fluido base es agua incompresible con las características térmicas del ferrofluido. Se supone que la corriente de nanofluido es estable, incompresible y laminar44,45,46. Las principales ecuaciones que rigen la corriente de nanofluidos 2D con el supuesto mencionado son las siguientes:

Hay dos términos fuente en las ecuaciones de momento y están asociados con el campo magnético y se conocen como Fuerza Kelvin. Estos términos fuente se calculan mediante estas fórmulas:

donde el valor de M se calcula mediante estas ecuaciones:

El valor adimensional para la evaluación de la intensidad magnética se calcula mediante

En los artículos publicados anteriormente, se presentan y explican todos los detalles del campo magnético no uniforme aplicado a las principales ecuaciones rectoras del ferrofluido. Las termocaracterísticas del fluido base, aire y agua se presentan en la Tabla 1.

La densidad, viscosidad y capacidad calorífica de la mezcla (agua con partículas ferro) se calculan mediante

Para comparar las características hidroeléctricas y térmicas de la corriente de nanofluidos, los números de Reynolds y Nusselt deben calcularse de la siguiente manera:

El modelo seleccionado de una tubería doble en U con flujo de nanofluido se muestra en la Fig. 1. Las fuentes del campo magnético se demuestran con una distribución no uniforme. Se aplica un flujo de calor uniforme (1000 W/m2K) en la pared como se muestra en la figura. Se supone que el ferrofluido ingresa a la tubería con temperatura y velocidad constantes (300 K). El tamaño de la tubería es d/D = 0,8.

También se realiza un estudio de grilla para la simulación numérica del ferrofluido dentro de la tubería. La Figura 2 ilustra la rejilla producida para el modelo de giro en U elegido. La rejilla generada está completamente estructurada y el tamaño de la rejilla cerca de la pared es menor que el de otras regiones debido a la interacción del campo magnético en la corriente de nanofluido. Se realiza un análisis de independencia de la cuadrícula (Tabla 2) para lograr las celdas de la cuadrícula óptimas para la geometría introducida. Los resultados de la independencia de la rejilla se presentan en la Fig. 3. Como se observa en la tabla, se cambia el tamaño de las rejillas y se comparan sus efectos sobre las características térmicas de la tubería única. Para este estudio se elige el modelo con un número de cuadrícula de 9000 celdas (30 × 300).

Red.

Validación (a) φ = 0,24 (b) φ = 1,18.

La validación de nuestro método se realiza para una corriente de nanofluido a lo largo de una sola tubería y nuestros datos se comparan con datos tanto experimentales como computacionales46,47,48,49. Como se demuestra en la Fig. 3, se simula el coeficiente de transferencia de calor del nanofluido con dos fracciones de volumen de nanopartículas en Re = 1500 y los resultados comparados confirmaron que la desviación de nuestro resultado es inferior al 8%, lo cual es aceptable para nuestros estudios futuros50,51,52 . Este enfoque se utiliza en diferentes problemas científicos53,54,55,56,57,58.

La Figura 4 ilustra los impactos de la fuente magnética en la racionalización del flujo de nanofluidos dentro de la tubería de giro en U. Cuando se aplica una única fuente magnética en las proximidades de la sección media del giro en U, se produce un único vórtice. La formación de este vórtice es el resultado principal de la fuerza Kelvin. En el caso de tres fuentes magnéticas, hay tres vórtices dentro del dominio. Se comprueba que los primeros vórtices (cable 3) son más grandes que los demás. La principal razón de la formación de vórtices es la falta de uniformidad del campo magnético. En las siguientes secciones se explicará cómo la formación de vórtices mejora la transferencia de calor.

Aerodinámica del nanofluido en existencia de (a) campo magnético simple (b) triple no uniforme con Mn = 165.000.

La influencia de estos vórtices en la transferencia de calor a lo largo del tubo de giro en U se ilustra en la Fig. 5. En esta figura, la fluctuación del número de Nusselt muestra la influencia de la fuente magnética en la transferencia de calor del tubo de giro en U en diferentes números de Reynolds. A medida que aumenta la velocidad del flujo de nanofluido de entrada, los impactos de la fuente magnética en la hidrodinámica del flujo de nanofluido son limitados debido al alto impulso del fluido. Por lo tanto, el tamaño del vórtice está restringido y, en consecuencia, la tasa de transferencia de calor disminuye como se demuestra en la Fig. 5. Uno de los aspectos principales de estos vórtices es el gradiente de alta velocidad dentro del dominio que hace que el nanofluido permanezca más tiempo. La Figura 6 demuestra la transferencia de calor a lo largo de la tubería con giro en U en diferentes números de Reynolds sin campo magnético.

Variación de la transferencia de calor a lo largo del giro en U en presencia de una única fuente de fuente magnética en (a) Re = 50 (b) Re = 150.

Variación de la transferencia de calor a lo largo del giro en U sin fuente magnética.

Los efectos del campo magnético sobre la variación de temperatura del flujo de nanofluido se representan en la Fig. 7. Se observa que el cambio de temperatura ocurre en la región donde se produce el vórtice. La variación de la temperatura no solo está relacionada con los vórtices sino también con los cambios en la capacidad calorífica del nanofluido bajo impactos de fuerza magnética no homogénea. El contorno de temperatura adimensional demuestra estos efectos en nuestro modelo. La intensidad del campo magnético también intensifica la formación de fuertes vórtices y, en consecuencia, mejora la transferencia de calor.

Contorno de temperatura adimensional bajo impactos de una fuente magnética no uniforme (a) Mn = 0, (b) Mn = 92 000 y (c) Mn = 258 000.

En la Fig. 8 se representa una comparación de la transferencia de calor para la fuente magnética no uniforme simple y triple. La formación del pico en el gráfico representa la formación de vórtices bajo el impacto del campo magnético no uniforme. El número de Nusselt máximo se produce cerca del cable 3 de la caja de la fuente magnética triple. La figura simplificada también confirma que en esta zona se produce un gran vórtice. De hecho, esto se debe a la forma de la tubería en U que tiende a que el flujo se mueva en la pared más alejada en lugar de en la pared interior. Por tanto, hay menos resistencia a la alteración del vórtice.

Variación del número de Nusselt a lo largo de la tubería para campos magnéticos simples y triples.

La Figura 9 ilustra el contorno de temperatura de una fuente magnética única y triple, así como un modelo sin campo magnético. La variación de temperatura cerca de la fuente del campo magnético verifica que la existencia del campo magnético no uniforme mejora la transferencia de calor en el tubo de vuelta en U. A medida que aumenta el número de fuentes del campo magnético, un área más grande dentro del dominio está bajo el impacto de la fuente magnética.

Comparación de la temperatura adimensional bajo impactos de (a) fuente única y (b) triple de campo magnético no uniforme.

La influencia de la intensidad magnética en el número de Nusselt promedio a lo largo de la tubería de giro en U se presenta en la Fig. 10. La velocidad de entrada es constante (Re = 50) y la fuente de campos magnéticos no uniformes es uniforme. La variación del número de Nusselt promedio con cambios en la fuente magnética es casi lineal. El número de Nusselt promedio aumenta aproximadamente un 21% cuando una sola fuente aplica una fuente magnética con una intensidad magnética de Mn = 258.000. Se obtiene la siguiente ecuación para estimar la transferencia de calor promedio a lo largo de una tubería con giro en U.

Efectos de la intensidad magnética de un solo campo magnético no uniforme sobre el número de Nusselt promedio a lo largo de la tubería de giro en U.

En el presente estudio se explora la influencia de un campo magnético no uniforme en la transferencia de calor de nanofluido a través de una tubería con giro en U. La técnica CFD se utiliza para modelar las características hidrodinámicas y térmicas del nanofluido con ferropartículas de Fe203 bajo impactos del campo magnético simple y triple en una tubería con giro en U. El papel de la intensidad magnética y la velocidad de entrada del nanofluido en la hidrodinámica del flujo de nanofluido. Se explica ampliamente la producción de los vórtices y su impacto en la transferencia de calor del fluido base. En el estudio actual también está presente el contorno de temperatura de diversas condiciones de fluidos. Los resultados obtenidos muestran que la aplicación de un campo magnético único no uniforme (Mn = 25,8 K) cerca de la sección media del tubo de giro en U aumentaría la transferencia de calor hasta en un 21%.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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Laboratorio clave de tecnología de equipos de cosecha de cultivos de la provincia de Zhejiang, Politécnico de Jinhua, Jinhua, China

Sida Li

Chongqing Conservación del Agua y Energía Eléctrica Instituto de Investigación sobre Construcción y Diseño Sucursal de Hangzhou, Hangzhou, China

Liudan Mao

Departamento de Ingeniería Civil, Facultad de Ingeniería, Universidad Cihan-Erbil, Erbil, Irak

As'ad Alizadeh

Zhejiang Tongjing Technology Co. Ltd., Quzhou, China

Xin Zhang

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad Técnica y Vocacional (TVU), Teherán, Irán

S. Valiallah Mousavi

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SVM y AA escribieron el texto principal del manuscrito y SL y LM prepararon las figuras y SL y LM y XZ mejoraron la redacción y la conclusión en inglés. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia al líder Mao o S. Valiallah Mousavi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Li, S., Mao, L., Alizadeh, A. et al. La aplicación de un campo magnético no uniforme para la mejora térmica del flujo de nanofluido dentro de la tubería de giro en U en los colectores solares. Representante científico 13, 8471 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35659-7

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Recibido: 22 de marzo de 2023

Aceptado: 22 de mayo de 2023

Publicado: 25 de mayo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35659-7

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