ABSTRACT

The thermal performance of a flat-plate solar collector (FPSC) using novel heat transfer fluids of aqueous colloidal dispersions of covalently functionalized multi-walled carbon nanotubes with β-Alanine (Ala-MWCNTs) has been studied. Multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) with outside diameters of (< 8 nm) and (20–30 nm) having specific surface areas (SSAs) of (500 m²/g) and (110 m²/g), respectively, were utilized. For each Ala-MWCNTs, water-based nanofluids were synthesized using weight concentrations of 0.025%, 0.05%, 0.075%, and 0.1%. A MATLAB code was built and a test rig was designed and developed. Heat flux intensities of 600, 800, and 1000 W/m²; mass flow rates of 0.6, 1.0, and 1.4 kg/min; and inlet fluid temperatures of 30, 40, and 50°C were used to perform the test runs. Using water and nanofluids, the efficiency of the FPSC was found to increase with the increase in heat flux intensity and flow rate, and decrease with the increase in inlet fluid temperature. When applying nanofluids in the FPSC and as weight concentration and SSA increased, a reduction in the values of absorber plate temperature (AP) and tube wall temperature (TW) was observed down to 2.86% and 3.03%, respectively, while the FPSC’s efficiency increased up to 9.55% for 0.1-wt% Ala-MWCNTs < 8 nm at 1.4 kg/min, compared with water. Good agreement was obtained between the experimental values and MATLAB code predictions for AP, TW, and efficiency with maximum differences of 3.02%, 3.19%, and 3.26% for water, and 4.24%, 3.94%, and 12.64% for nanofluids, respectively. Consequently, the MATLAB code was judged suitable for modeling the nanofluid-based FPSC with suitable precision. It was proved that the positive effects of using nanofluids in the FPSC were higher their negative effects on pressure drop because all the calculated values of performance index (PI) were more than 1. As weight concentration and SSA increased, PI increased up to 1.095 for 0.1-wt% Ala-MWCNTs < 8 nm. Therefore, it was concluded that the nanofluids considered in this research can usefully be employed as working fluids in FPSCs for improved thermal performance, and the 0.1-wt% water-based Ala-MWCNTs < 8 nm nanofluid was fairly the distinguished one.

摘要

已经研究了使用具有 β-丙氨酸 (Ala-MWCNTs) 的共价官能化多壁碳纳米管的水性胶体分散体的新型传热流体的平板太阳能集热器 (FPSC) 的热性能。外径为（< 8 nm）和（20-30 nm）的多壁碳纳米管（MWCNTs），比表面积（SSAs）分别为（500 m ² /g）和（110 m ² /g），被利用了。对于每个 Ala-MWCNT，使用 0.025%、0.05%、0.075% 和 0.1% 的重量浓度合成水基纳米流体。构建了 MATLAB 代码，并设计和开发了测试台。热通量强度为 600、800 和 1000 W/m ²; 质量流量为 0.6、1.0 和 1.4 kg/min；和 30、40 和 50°C 的入口流体温度用于执行测试运行。使用水和纳米流体，发现 FPSC 的效率随着热通量强度和流速的增加而增加，并随着入口流体温度的增加而降低。当在 FPSC 中应用纳米流体时，随着重量浓度和 SSA 的增加，吸收板温度 (AP) 和管壁温度 (TW) 的值分别降低到 2.86% 和 3.03%，而 FPSC 的效率提高了与水相比，在 1.4 kg/min 时 0.1-wt% Ala-MWCNTs < 8 nm，高达 9.55%。AP、TW 和效率的实验值与 MATLAB 代码预测之间取得了良好的一致性，水的最大差异分别为 3.02%、3.19% 和 3.26%，以及 4.24%，纳米流体分别为 3.94% 和 12.64%。因此，MATLAB 代码被认为适合以适当的精度对基于纳米流体的 FPSC 进行建模。事实证明，在 FPSC 中使用纳米流体的正面影响大于其对压降的负面影响，因为性能指数 (PI) 的所有计算值均大于 1。随着重量浓度和 SSA 的增加，PI 增加到 1.095 0.1-wt% Ala-MWCNTs < 8 nm。因此，得出的结论是，本研究中考虑的纳米流体可以有效地用作 FPSC 中的工作流体以提高热性能，而 0.1-wt% 的水基 Ala-MWCNTs < 8 nm 纳米流体是相当突出的。MATLAB 代码被认为适合以适当的精度对基于纳米流体的 FPSC 进行建模。事实证明，在 FPSC 中使用纳米流体的正面影响大于其对压降的负面影响，因为性能指数 (PI) 的所有计算值均大于 1。随着重量浓度和 SSA 的增加，PI 增加到 1.095 0.1-wt% Ala-MWCNTs < 8 nm。因此，得出的结论是，本研究中考虑的纳米流体可以有效地用作 FPSC 中的工作流体以提高热性能，而 0.1-wt% 的水基 Ala-MWCNTs < 8 nm 纳米流体是相当突出的。MATLAB 代码被认为适合以适当的精度对基于纳米流体的 FPSC 进行建模。事实证明，在 FPSC 中使用纳米流体的正面影响大于其对压降的负面影响，因为性能指数 (PI) 的所有计算值均大于 1。随着重量浓度和 SSA 的增加，PI 增加到 1.095 0.1-wt% Ala-MWCNTs < 8 nm。因此，得出的结论是，本研究中考虑的纳米流体可以有效地用作 FPSC 中的工作流体以提高热性能，而 0.1-wt% 的水基 Ala-MWCNTs < 8 nm 纳米流体是相当突出的。事实证明，在 FPSC 中使用纳米流体的正面影响大于其对压降的负面影响，因为性能指数 (PI) 的所有计算值均大于 1。随着重量浓度和 SSA 的增加，PI 增加到 1.095 0.1-wt% Ala-MWCNTs < 8 nm。因此，得出的结论是，本研究中考虑的纳米流体可以有效地用作 FPSC 中的工作流体以提高热性能，而 0.1-wt% 的水基 Ala-MWCNTs < 8 nm 纳米流体是相当突出的。事实证明，在 FPSC 中使用纳米流体的正面影响大于其对压降的负面影响，因为性能指数 (PI) 的所有计算值均大于 1。随着重量浓度和 SSA 的增加，PI 增加到 1.095 0.1-wt% Ala-MWCNTs < 8 nm。因此，得出的结论是，本研究中考虑的纳米流体可以有效地用作 FPSC 中的工作流体以提高热性能，而 0.1-wt% 的水基 Ala-MWCNTs < 8 nm 纳米流体是相当突出的。