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ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-3824-1729
Tipo do documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 United States
Título: Avaliação experimental do uso de nanofluidos em coletores solares de placa plana modificados para absorção direta
Título(s) alternativo(s): Experimental evaluation of the use of nanofluids in flat plate solar collectors modified for direct absorption
Autor(es): Beicker, Carolina Lau Lins
Primeiro orientador: Bandarra Filho, Enio Pedone
Primeiro membro da banca: Vedovotto, João Marcelo
Segundo membro da banca: Guimarães, Gilmar
Terceiro membro da banca: Moreira, José Roberto Simões
Quarto membro da banca: Passos, Júlio César
Resumo: Este trabalho foi desenvolvido com o intuito de contribuir com o conhecimento acerca do uso de nanofluidos em coletores solares. Foi realizada a produção de nanofluidos, a avaliação da estabilidade das amostras produzidas e testes em duas bancadas experimentais. A primeira teve por objetivo expor os nanofluidos à radiação solar e investigar parâmetros de absorção e conservação de energia do processo, resultando na seleção de um material e concentração volumétrica ideal de nanopartículas para aplicação em coletor solar. A segunda bancada foi construída visando a utilização dos nanofluidos selecionados na primeira etapa como meio de conversão fototérmica em um coletor solar de placa plana para aquecimento de água em escala reduzida devidamente modificado para tal aplicação. Foram testados na primeira bancada nanofluidos de grafeno, ZnO-Ag, ouro e MWCNT em água, em baixas concentrações volumétricas (entre 0,0001 e 0,0300%). Apenas as amostras de ouro e MWCNT se mantiveram estáveis após a exposição à radiação solar, apresentando um padrão de estabilização da taxa de absorção específica e da razão de energia armazenada com o aumento da concentração, indicando a existência de uma concentração limite para aplicações, determinada nesse trabalho como sendo 0,0020%(Ouro-água) e 0,010%(MWCNT-água). Dentre as amostras testadas, as de MWCNT em água apresentaram maior estabilidade, melhores resultados e menores custos, tendo sido selecionados para testes na segunda bancada nas concentrações de 0,0005%, 0,0008% e 0,0010%. Três coletores foram testados simultaneamente, um tradicional de placa plana, um cuja placa de aquecimento foi removida e adicionado nanofluido ao redor da serpentina de aquecimento, e o terceiro, mantida a placa absorvedora e adicionado nanofluido. Os coletores com nanofluidos tiveram melhor desempenho na concentração de 0,0010%, apresentando médias de variação de temperatura (7,19°C e 7,21°C) superiores às do coletor tradicional (6,49°C) e eficiências médias equiparáveis (0,43, 0,45 e 0,47). Por outro lado, os piores desempenhos foram observados nos testes na concentração intermediária (ϕv=0,0008%), com eficiências médias até 33% inferiores a do coletor tradicional. O coletor modificado que usava como meio de conversão fototérmica nanofluidos em conjunto com a placa absorvedora apresentou as maiores médias de variação de temperatura, no entanto, foi observado em todas as concentrações, a degradação das amostras de nanofluido presente em seu interior. O coletor tradicional e o modificado que operava apenas com nanofluidos (sem placa absorvedora, apenas serpentina) apresentaram, respectivamente, as melhores e piores eficiências médias. Por fim, concluiu-se que o preenchimento dos coletores solares com nanofluidos implica em uma maior área de absorção da radiação, no entanto, resultou em menores eficiências médias e em ganhos totais de energia que, no máximo, se equipararam aos do modelo tradicional.
Abstract: The present work was developed to contribute to the knowledge about the use of nanofluids in solar collectors. The production of nanofluids, the evaluation of the stability of the samples produced and tests on two experimental benches were carried out. The first one was designed to expose nanofluids to solar radiation and investigate parameters of energy absorption and conservation, resulting in the selection of an ideal material and nanoparticles volumetric concentration to use in a solar collector. The second bench was built aiming the use of the previously selected nanofluids as photothermal conversion medium in a reduced scale modified flat plate solar collector for water heating. Nanofluids of graphene, ZnO-Ag, gold and MWCNT in water were tested in the first bench at low volumetric concentrations (between 0.0001 and 0.0300%). Only the gold and MWCNT nanofluids samples remained stable after exposure to solar radiation, presenting a stabilization trend of the specific absorption rate and the stored energy ratio with the concentration increase, indicating the existence of a limit concentration for applications, determined in this work as being 0.0020%(Gold-water) and 0.010%(MWCNT-water). Among the samples tested, MWCNT in water showed greater stability, better results, and lower costs, motivating its selection for tests on the second experimental bench at concentrations of 0.0005%, 0.0008% and 0.0010%. Three collectors were tested simultaneously, the first with a traditional flat absorber plate, the second without the flat plate and with nanofluid added around the heating coil, and the third compound by the flat plate and the nanofluid added around the heating coil. The collectors operating with nanofluids had better performance in the concentration of 0.0010%, presenting average temperature variation (7.19°C and 7.21°C) higher than the traditional model (6.49°C) and similar average efficiencies (0.43, 0.45 e 0.47). On the other hand, the worst performances were observed in tests at intermediate concentration (ϕv=0.0008%), presenting average efficiencies up to 33% lower than the traditional collector. The modified collector that used an absorber surface combined with nanofluids as photothermal conversion medium showed the highest temperature variation averages, however, it was observed in the tests, with all three concentrations, the degradation of the nanofluid samples present in its interior. The traditional collector and the modified one operating only with nanofluids (without flat absorber plate) presented, respectively, the best and worst average efficiencies. Finally, it was concluded that filling the solar collectors with nanofluids implies in greater radiation absorption area, however, it also resulted in lower average efficiencies and in total energy gains that, at most, were equal to those of the traditional model.
Palavras-chave: Nanofluidos
Nanofluids
Conversão Fototérmica
Photothermal Conversion
Coletores Solares
Solar Collectors
Eficiência
Efficiency
Área(s) do CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::ENGENHARIA TERMICA::APROVEITAMENTO DA ENERGIA
Assunto: Engenharia mecânica
Idioma: por
País: Brasil
Editora: Universidade Federal de Uberlândia
Programa: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Referência: BEICKER, Carolina Lau Lins. Avaliação experimental do uso de nanofluidos em coletores solares de placa plana modificados para absorção direta. 2023. 188 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2024. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.5
Identificador do documento: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.5
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/43485
Data de defesa: 19-Dez-2023
Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS): ODS::ODS 13. Ação contra a mudança global do clima - Tomar medidas urgentes para combater a mudança climática e seus impactos.
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