Mejora de la transferencia de calor en la energía solar

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 9476 (2023) Citar este artículo

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El objetivo de esta investigación es explorar el uso de barcos con energía solar (SPS) como un medio para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y la dependencia de los combustibles fósiles en la industria marítima. El estudio se centra en mejorar la eficiencia de transferencia de calor en SPS mediante el empleo de nanofluidos híbridos (HNF) que contienen nanotubos de carbono (CNT). Además, se propone un enfoque novedoso que utiliza energía renovable y control electromagnético para mejorar el rendimiento de SPS. La investigación implementa el modelo de flujo de calor de tipo Maxwell no newtoniano y Cattaneo-Christov en colectores solares cilindroparabólicos utilizados para barcos. El estudio lleva a cabo experimentos teóricos y simulaciones para evaluar la conductividad térmica y la viscosidad del HNF basado en CNT. Se evalúan varias propiedades, incluida la radiación térmica solar, la disipación viscosa, la velocidad resbaladiza y los medios porosos, para determinar la eficacia del transporte térmico en SPS. La investigación emplea variables de similitud para simplificar las ecuaciones diferenciales parciales complejas en ecuaciones diferenciales ordinarias y las resuelve utilizando el método espectral de colocación de Chebyshev. Los resultados indican que el nanofluido híbrido MWCNT-SWCNT/EO mejora significativamente la conductividad térmica, mejorando así la transferencia de calor. El HNF exhibe una tasa de eficiencia de aproximadamente 1,78% con una tasa de eficiencia mínima de 2,26%.

La demanda mundial de energía continúa aumentando, pero el agotamiento de los combustibles fósiles y el aumento del costo de las fuentes de energía tradicionales, como la electricidad, han llevado a los científicos a cambiar su enfoque hacia las energías renovables en los últimos años1. Generar electricidad a partir de fuentes sostenibles es una forma ecológica de producir energía, ya que no libera gases de efecto invernadero. Por el contrario, la quema de combustibles fósiles emite dióxido de carbono a la atmósfera, lo que contribuye al calentamiento global2. Además, los ambientalistas creen firmemente que el uso de recursos sostenibles puede tener un impacto significativo en la disminución de la contaminación por carbono y la disminución de la tasa de calentamiento global3. En los últimos años, la energía solar se ha convertido en una opción ampliamente discutida para la energía sostenible debido a su accesibilidad, ausencia de emisiones nocivas y mínimo impacto ambiental, lo que la convierte en una opción muy atractiva para la producción de energía4. La energía solar tiene el mayor potencial de uso a largo plazo, accesibilidad y el menor impacto negativo en el medio ambiente entre todas las fuentes de energía. Con una utilización adecuada, esta fuente de energía tiene el potencial de generar aproximadamente cuatro veces la cantidad de energía que se utiliza actualmente en todo el mundo5. Estudios recientes han demostrado que se espera que las emisiones globales de CO2 disminuyan en un 75% para 2050, en comparación con los niveles registrados en 19856. Según un estudio realizado por el Departamento de Energía de EE. UU., la cantidad de energía solar que llega a la superficie terrestre en solo 90 minutos son suficientes para satisfacer la demanda mundial de energía durante todo un año7. En un informe de los Estados Unidos, se descubrió que la energía solar puede servir como un sustituto natural de otras formas de energía. Además, los sistemas de energía solar pueden generar energía térmica que puede utilizarse para fines de calefacción y refrigeración. Por lo tanto, la principal preocupación ahora es descubrir la forma más efectiva de aprovechar la energía del sol.

Dos métodos destacados para convertir la luz solar en electricidad se utilizan ampliamente en la actualidad y deberían resultarle familiares: los sistemas fotovoltaicos (PV) y la energía solar concentrada (CSE)8. Los sistemas fotovoltaicos tienen numerosas aplicaciones, que incluyen (a) la generación de electricidad para hogares y empresas9 (b) el suministro de energía para naves espaciales y satélites10 (c) la alimentación de varios tipos de vehículos, como automóviles, autobuses y barcos, y (d) el suministro de energía en áreas remotas (RAPS) que consiste en generadores, farolas y dispositivos de comunicación inalámbrica que proporcionan electricidad a áreas ubicadas lejos de los centros urbanos. En resumen, los sistemas fotovoltaicos proporcionan una forma ecológica, asequible y de bajo mantenimiento de producir electricidad que es sostenible y puede funcionar independientemente de la red eléctrica. Un dispositivo fotovoltaico consiste principalmente en un material semiconductor que conduce la electricidad a través de electrones. A diferencia de los conductores, que pueden conducir un número ilimitado de electrones, los semiconductores poseen propiedades únicas que les permiten regular el flujo de electrones. Esta característica hace que los semiconductores sean componentes valiosos para dispositivos fotovoltaicos. Mientras tanto, la CSP es un método para generar electricidad a partir de los rayos del sol mediante el uso de superficies reflectantes o tecnología óptica para concentrar y enfocar la luz solar en un área muy pequeña. Esta luz solar concentrada se convierte en calor, que se puede utilizar para crear vapor que acciona una turbina y genera electricidad11. Las plantas de CSP pueden producir grandes cantidades de electricidad y son particularmente beneficiosas en áreas con altos niveles de radiación solar. Además, estas plantas se pueden construir a gran escala. Para generar electricidad a partir de la energía solar, se utiliza la tecnología de energía solar concentrada, que consiste en enfocar los rayos del sol en un área pequeña a través de reflectores u ópticas. Este proceso crea calor que luego se puede usar para producir electricidad al pasarlo a través de un generador eléctrico. Sin embargo, es importante tener en cuenta que no todas las tecnologías se basan en espejos para concentrar la luz solar, ya que algunas utilizan ópticas u otros sistemas. También se debe tener en cuenta que la conversión de la luz solar en calor ocurre a través de un proceso físico llamado absorción12. Según ref13, las áreas caracterizadas por climas secos y cálidos, como California y Arizona en los Estados Unidos, son propicias para el desarrollo de plantas más grandes que utilizan energía solar concentrada. Esta forma de energía renovable se prefiere a las alternativas no renovables, como los combustibles fósiles, debido a su respeto por el medio ambiente y la falta de emisiones de contaminantes nocivos. En conclusión, la energía solar es una opción limpia y sostenible que se prefiere a las fuentes de energía tradicionales.

Actualmente, la utilización de fuel oil pesado (HFO) y diesel oil marino (MDO) para el transporte industrial es responsable de aproximadamente el 3 % de las emisiones globales totales de dióxido de carbono14. Con base en la referencia15, se informó que aproximadamente 932 millones de toneladas métricas de contaminantes fueron descargadas al aire durante el año 2015. Para poner esto en perspectiva, esta cantidad es más que la contaminación total generada por Alemania en el año 2017, que fue aproximadamente 905 millones de toneladas. Los contaminantes liberados por estos barcos contienen numerosos contaminantes dañinos que pueden afectar negativamente la salud humana, el medio ambiente y el clima. Además, la referencia 16 enfatiza que la descarga de gases de la combustión de fuel oil pesado incluye una mezcla de óxido de azufre, subproductos de la combustión, óxidos de nitrógeno y metales pesados, así como dióxido de carbono. En los últimos tiempos, los investigadores han estado investigando la posibilidad de utilizar la energía solar para impulsar barcos comerciales. El objetivo es reducir la cantidad de gases de efecto invernadero producidos por estos buques. Muchos países consideran que el uso de energía solar para propulsar barcos es una opción deseable porque permite la creación de embarcaciones ecológicas. En el siglo XIX, el científico francés Augustin Mouchot fue el primero en proponer la idea de utilizar la energía solar como fuente de propulsión de los barcos17. Las primeras embarcaciones operativas con energía solar se construyeron en la década de 1970 y su objetivo principal era para actividades recreativas. En 1990, Suiza fue el lugar donde se ensambló el Sun 21, que fue el primer transporte comercial propulsado por energía solar. Este barco era un catamarán que tenía dos motores eléctricos, los cuales eran alimentados por paneles solares montados en la superficie del barco. Tras este innovador desarrollo, se han desarrollado y utilizado numerosos barcos con energía solar en diversas industrias, como el transporte de carga, así como en la investigación científica18. El objetivo principal detrás del desarrollo de barcos con energía solar es reducir la dependencia de los combustibles fósiles y mitigar el impacto ambiental del transporte marítimo. La industria del transporte marítimo es responsable de una cantidad significativa de emisiones de gases de efecto invernadero, y los barcos que funcionan con energía solar ofrecen una alternativa más limpia y sostenible. Al aprovechar la energía del sol, estos barcos pueden reducir su huella de carbono y proporcionar un modo de transporte más respetuoso con el medio ambiente. Según la referencia19, la Organización Marítima Internacional (OMI) se ha fijado el objetivo de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero del transporte en al menos un 50 % para el año 2050. Este objetivo es parte de los esfuerzos de la OMI para abordar el cambio climático y promover el desarrollo sostenible en el Industria marítima. El estudio realizado por Obalalu et al.20 se centra en evaluar la eficiencia de la transferencia térmica en un barco con energía solar que utiliza nanofluidos mono/híbridos para bombas de agua solares. El análisis tiene en cuenta la radiación solar como fuente principal de calor y examina diferentes factores, como el flujo de radiación térmica, la disipación viscosa y la fuente de calor para determinar el rendimiento del barco. Se concluyó que la proporción relativa de la tasa de transmisión de calor aumenta en un 24 % en el nanofluido híbrido en comparación con el nanofluido. El trabajo de investigación de Bellos et al.21 enfatiza la importancia de llevar a cabo análisis térmicos y de entropía integrales en los sistemas termosolares. Además, el estudio sugiere la utilización de nanofluidos para mejorar el rendimiento de los colectores solares cilindroparabólicos (PTSC). El estudio concluyó que hay un aumento significativo en la tasa de transmisión de calor relativa cuando la permeabilidad del medio permeable aumenta de 1,6 a 14,9%. Según el estudio de Kirkpatrick22 sobre buques de combate de superficie de la Armada, se evaluó la eficiencia de los sistemas fotovoltaicos instalados. Los hallazgos del estudio revelaron que el peso adicional causado por la instalación de celdas solares es insignificante en comparación con el peso de los suministros críticos, incluidos el combustible y los alimentos, que son indispensables para los barcos durante los viajes. Un estudio realizado por23 investigó la viabilidad de utilizar paneles solares como fuente de energía en pequeñas embarcaciones pesqueras que operan en áreas remotas. Los resultados indican que la colocación de paneles solares en el barco puede causar una resistencia adicional, lo que podría aumentar el consumo de combustible, especialmente en condiciones de viento. Hussein et al.24 realizaron una investigación que indica la viabilidad de utilizar sistemas fotovoltaicos como medio para generar energía renovable en los barcos, reduciendo así la dependencia de los combustibles fósiles no renovables. En el estudio de Lan et al.25, los investigadores introdujeron una metodología que tiene como objetivo identificar la proporción óptima de integración del sistema fotovoltaico para las operaciones de energía de los barcos. El objetivo de este enfoque es reducir los gastos de financiación, los costos de combustible y las emisiones del motor. Además, llevaron a cabo más investigaciones para mejorar la característica del ángulo de inclinación de los paneles fotovoltaicos instalados en un gran buque petrolero. La figura 1 ilustra un barco que funciona con energía solar.

Representa el barco con energía solar.

En los últimos años, los nanofluidos se han vuelto cada vez más populares como fluido de trabajo para diversas aplicaciones de calefacción, incluidos los colectores solares. Esto se debe a su eficacia para mejorar la transferencia de calor26. La captación solar cilindroparabólica (PTSC) es un tipo de dispositivo de energía solar que aprovecha la energía del sol mediante el uso de un espejo cóncavo para reflejar y concentrar la luz solar en un tubo que contiene un líquido, que a su vez absorbe el calor y lo convierte en energía utilizable. Es una práctica común usar un fluido de transferencia de calor (HTF) para llenar el tubo receptor27. El propósito del HTF es transferir energía térmica a un intercambiador de calor, donde se emplea para crear vapor para producir electricidad. Múltiples estudios de investigación han encontrado que el uso de nanofluidos como fluidos de transferencia de calor en colectores solares cilindroparabólicos puede aumentar la efectividad general del sistema. Esto se debe a las propiedades térmicas superiores de los nanofluidos en comparación con los fluidos tradicionales. Estas propiedades incluyen una mayor conductividad térmica y capacidad calorífica específica. Además, la presencia de nanopartículas en los nanofluidos conduce a una mayor área de superficie para la transferencia de calor, lo que en última instancia mejora la eficacia del sistema28. El rendimiento mejorado de los colectores solares cilindroparabólicos logrado mediante la utilización de nanofluidos tiene repercusiones significativas para el desarrollo de fuentes de energía sostenibles en el futuro. Mediante el uso de fluidos de trabajo más eficientes, se puede aumentar la energía producida por la luz solar. Este enfoque puede conducir a una disminución de la dependencia de los combustibles naturales, lo que a su vez puede ayudar a mitigar los impactos del cambio climático.

Los nanofluidos (NF) son conocidos por sus propiedades térmicas distintivas, que pueden mejorar significativamente la eficiencia de transferencia de calor de los sistemas de energía solar (SPS)29. Nanofluido (NF) es un término utilizado para describir una mezcla fluida que contiene nanopartículas (NP) de materiales metálicos (oro, dióxido de titanio, hierro) o no metálicos (polietilenglicol, óxido de zinc, sílice) suspendidos en un fluido base ( FB). Los nanofluidos son una opción prometedora para aplicaciones térmicas debido a varios factores clave. Estos factores incluyen la capacidad de conducir el calor de manera eficiente, aumentar el área superficial, mejorar la capacidad calorífica específica, garantizar la estabilidad y reducir la viscosidad30. La combinación de estas características hace que los nanofluidos sean una opción convincente para su uso en muchas industrias. Nanotubos de carbono (CNT), que son un tipo de nanopartícula compuesta principalmente de átomos de carbono. Los nanotubos de carbono tienen forma cilíndrica y vienen en varias longitudes, que van desde unos pocos nanómetros hasta varios micrómetros31. Las propiedades físicas, mecánicas y eléctricas únicas de los CNT los hacen adecuados para su uso en diversos campos, incluidos la medicina, la electrónica y el almacenamiento de energía. (CNT) se clasifican en varios tipos, como nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT), nanotubos de carbono de pared doble (DWCNT) y nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT)32. Los SWCNT están compuestos por una estructura cilíndrica solitaria formada por átomos de carbono. Por el contrario, los MWCNT y los DWCNT se componen de múltiples cilindros anidados de átomos de carbono. Las características estructurales y de composición de los tipos individuales de nanotubos de carbono (CNT) confieren propiedades distintas que los hacen útiles en una amplia gama de campos33. Salawu et al.34 realizaron un estudio para examinar la deformación elástica de una mezcla de magneto-nanofluidos que contienen SWCNT recubiertos con nanopartículas de plata y MWCNT funcionalizados con nanopartículas de disulfuro de molibdeno dentro de un cilindro poroso. Hachicha et al.35 realizaron un estudio para investigar la efectividad del uso de un tipo de nanofluido hecho de MWCNT y agua para mejorar la transferencia de calor en el PTSC en diferentes condiciones estacionales. Sus simulaciones por computadora mostraron que el uso de este nanofluido condujo a un aumento significativo de hasta 21 puntos porcentuales en el número de Nusselt, que es un parámetro clave utilizado para medir la tasa de transferencia de calor. El trabajo reciente de36 estudia la tensión del par electromagnético de los nanotubos de carbono de una y varias paredes (SWCNT, MWCNT) sobre un disco giratorio bajo la influencia de reacciones químicas. El mecanismo de transferencia de calor en el nanofluido ternario entre el canal de placas paralelas utilizando el modelo modificado de Hamilton-Crossers y los efectos de la radiación térmica fue estudiado por37. El estudio numérico de la mejora térmica en el nanolubricante ZnO-SAE50 sobre una superficie magnetizada esférica influenciada por el calentamiento newtoniano y la radiación térmica fue estudiado por38. El análisis del rendimiento de la transferencia de calor para el flujo ternario de nanofluidos en el canal radiado bajo diferentes parámetros físicos utilizando GFEM fue estudiado por39. La inspección de transferencia de calor en [(ZnO-MWCNTs)/water-EG(50:50)]hnf con rayos de radiación térmica y condiciones convectivas sobre una superficie de Riga fue estudiada por40. La eficiencia térmica en nanofluidos híbridos (Al2O3–CuO/H2O) e híbridos ternarios (Al2O3–CuO–Cu/H2O) al considerar los efectos novedosos del campo magnético impuesto y la condición de calor convectivo fue estudiado por41. La característica térmica numérica en el nanofluido gAl2O3–C2H6O2 bajo la influencia de la radiación térmica y la condición de calor convectivo mediante la inducción de efectos novedosos del modelo de número de Prandtl efectivo (EPNM) fue estudiada por42.

Un nanofluido híbrido (HNF) es un fluido compuesto que consta de un fluido base y nanopartículas, que se utiliza para mejorar las características de transferencia de calor del fluido43. HNF se ha identificado como un medio potencial para mejorar la eficacia de los colectores solares y las células solares con la radiación del sol. Los colectores solares son dispositivos que recolectan energía del sol, la transforman en calor y luego la transfieren a un líquido que fluye dentro del colector. Los nanofluidos híbridos contienen partículas diminutas que pueden mejorar la eficiencia de transferencia de calor del fluido al aumentar su conductividad térmica. Esta mejora tiene el potencial de mejorar el rendimiento general del colector solar y convertir la radiación solar en energía útil a un ritmo más rápido36. Las células solares generan mucho calor cuando convierten la radiación solar en energía eléctrica. Para abordar este problema, los nanofluidos híbridos se pueden utilizar como agente refrigerante. Al mezclar nanofluidos, esto se puede lograr fácilmente.

El uso de HNF en sistemas de energía solar puede evitar el sobrecalentamiento de las células fotovoltaicas, lo que mejora su eficiencia y vida útil. La incorporación de nanofluidos híbridos en los sistemas de energía solar puede aumentar la eficiencia de la transferencia de calor y mejorar la velocidad a la que la radiación solar se convierte en energía útil. Aunque existen desafíos para el uso de nanofluidos híbridos en sistemas de energía solar, los investigadores están trabajando actualmente para superarlos. El objetivo es mejorar la eficiencia y seguridad de estos nanofluidos. Aunque existen obstáculos, los nanofluidos híbridos tienen el potencial de hacer que los sistemas de energía solar sean más eficientes y mejores para el medio ambiente. Con respecto a esto, el trabajo de Khan et al.44 enfatizó los desempeños térmicos de cobre-alúmina viscosa radiativa con etilenglicol/agua HNF a través de cilindros estirados porosos. El modelado matemático del canal poroso vertical MHD de óxido de cobre-óxido de hierro/sangre HNF bajo la influencia de la radiación térmica fue investigado por45. Su resultado muestra que el flujo sanguíneo es mayor para el NF de óxido de cobre que para el HNF de óxido de cobre-óxido de hierro. 46 investigó la evaluación numérica de un nanofluido híbrido Sutterby sobre una lámina extensible con un factor de forma de partículas. Investigación térmica solar-HVAC utilizando (Cu-AA7075/C6H9NaO7) flujo giratorio de nanofluido híbrido impulsado por MHD a través de una técnica convergente de segundo orden:48 investigó un nuevo estudio de ingeniería. La solución de elementos finitos de Galerkin para el impacto radiativo electromagnético en el flujo de nanofluidos bifásicos de Williamson viscoso a través de una superficie extensible fue investigada por 49. Análisis de irreversibilidad del flujo magnético dependiente del tiempo del nanofluido híbrido de Sutterby: un modelo matemático térmico fue investigado por50. Dinámica del nanofluido híbrido Williamson radiativo con generación de entropía:51 investigó la importancia en los aviones solares. La dinámica de los nanofluidos hidromagnéticos radiativos y absorbentes de calor a través de una superficie de estiramiento con reacción química y disipación viscosa fue investigada por52. El híbrido mejorado térmicamente de dióxido de cobre-zirconio/nanofluido de etilenglicol que fluye en el colector solar de la aplicación de bomba de agua fue investigado por53. Reacción química y características térmicas del colector solar de flujo continuo de nanofluidos de Maxwell como una aplicación potencial de enfriamiento de energía solar: un modelo de Buongiorno modificado fue investigado por54. La dinámica del grafeno a base de etilenglicol y el nanofluido híbrido de disulfuro de molibdeno sobre una superficie estirable con condiciones de deslizamiento fue investigada por55. Las exploraciones numéricas y estadísticas sobre la dinámica del agua que transporta el flujo de nanofluidos híbridos de Cu-Al2O3 sobre una lámina estirable exponencialmente con las condiciones de salto térmico y deslizamiento parcial de Navier fueron investigadas por56. 57 investigaron la mejora mecánica en aeronaves solares mediante el uso de nanofluidos monofásicos hiperbólicos tangentes. Caracterización del análisis térmico de un barco alimentado por energía solar utilizando nanofluidos híbridos Oldroyd en un colector solar cilindroparabólico: una aplicación térmica óptima fue investigada por59.

La viscosidad es un concepto fundamental en la mecánica de fluidos que se refiere a la resistencia de una sustancia al movimiento. Este principio divide los fluidos en dos categorías: fluidos newtonianos y no newtonianos (NNF). Los fluidos newtonianos tienen una viscosidad fija que no cambia con la cantidad de fuerza o presión que se les aplica. Los ejemplos de fluidos newtonianos incluyen agua, aire y varios aceites60, 61. Por otro lado, los fluidos no newtonianos tienen un tipo diferente de comportamiento donde su viscosidad cambia según las condiciones del flujo y la cantidad de presión o fuerza ejercida sobre ellos62. Entonces, la viscosidad de los fluidos no newtonianos varía según las condiciones de flujo a las que están sujetos. El NNF está presente en una amplia gama de sistemas naturales y artificiales, incluidos productos dietéticos, cosméticos, productos farmacéuticos y sistemas geológicos y biológicos. Algunos ejemplos comunes de NNF son la salsa de tomate, la pasta de dientes y la sangre. Una de las variables más significativas que pueden afectar el espesor de NNF es la cantidad de radiación solar a la que está expuesta la sustancia. La radiación solar, particularmente en forma de rayos ultravioleta (UV), puede causar cambios tanto en la estructura molecular como en las propiedades físicas de NNF63. Estos cambios pueden afectar la viscosidad y la fluidez del material. Los hallazgos de la investigación sugieren que las fibras no naturales, incluidos los polímeros y las proteínas, pueden sufrir modificaciones en su estructura molecular cuando se exponen a la radiación ultravioleta. Las propiedades de NNF, como su capacidad de fluir y elasticidad, pueden verse influenciadas por la energía de la luz, que puede cambiar su temperatura. Cuando NNF se expone a la radiación UV, puede descomponerse, reduciendo su espesor y eficacia. En los sistemas geológicos, la luz solar puede calentar el NNF, haciéndolo menos viscoso y más fácil de mover64. El fluido Maxwell es un tipo particular de NNF que exhibe propiedades viscosas y elásticas cuando se somete a tensión, lo que lo hace único entre otros fluidos no newtonianos65. Los fluidos de Maxwell se utilizan con frecuencia en el modelado de materiales viscoelásticos, como soluciones de polímeros, gelatinas y suspensiones coloidales. El comportamiento de estos fluidos fue caracterizado por el científico escocés James Clerk Maxwell66. La efectividad de una nanopartícula híbrida hecha de un líquido refrigerante viscoelástico Maxwell y nanotubos de carbono en PTCS fue estudiada por67. Los investigadores68, 69 analizaron las características térmicas de un flujo bidimensional de nanofluido de Maxwell sobre una lámina elástica permeable utilizando el método de elementos finitos. El objetivo de este estudio fue mejorar la comprensión del comportamiento de estas sustancias y sus posibles aplicaciones.

El flujo de calor de Cattaneo-Christov es una forma modificada de la ley de conducción de calor de Fourier, que considera el hecho de que los materiales tardan algún tiempo en alcanzar el equilibrio térmico. En 1948, Cattaneo desarrolló una ecuación modificada para la transmisión de calor que consideraba un período de relajación70. En 1977, Christov mejoró aún más esta ecuación al introducir un componente adicional que explicaba los efectos de la viscosidad. El uso del flujo de calor de Cattaneo-Christov en el estudio de la energía solar es un desarrollo reciente que comenzó en la década de 1990. Desde entonces, la integración de este flujo de calor en los modelos solares ha llevado a avances significativos en la comprensión de la estructura y la dinámica internas del Sol. En el campo de la física solar, el flujo de calor de Cattaneo-Christov ha jugado un papel vital en la resolución de problemas de larga data. Al incluir esto en los modelos solares, los científicos han observado una mejora en la precisión de sus observaciones empíricas. Esto ha llevado a una mejor comprensión de la estructura interna y las características dinámicas del Sol, lo que ha dado como resultado una mayor precisión en el modelado solar71. Los estudios mencionados en la Referencia 72, 73 proporcionan más información sobre el flujo de calor de Cattaneo-Christov.

El uso de la energía solar es importante para los países en desarrollo y las fuentes de energía ecológicas. Los barcos y embarcaciones que funcionan con energía solar tienen numerosas ventajas, como asequibilidad, reducción de ruido, carga continua y la capacidad de cargar dispositivos personales. Además, tienen un impacto ambiental mínimo y son altamente confiables. La investigación realizada en varios estudios ha destacado la importancia de realizar un análisis exhaustivo de los factores térmicos y no newtonianos en los sistemas solares térmicos. Además, la incorporación de nanofluidos híbridos en los PTSC es crucial para mejorar la eficiencia operativa del sistema. La originalidad de la presente investigación radica en investigar las características de flujo de un nanofluido híbrido viscoso de Maxwell sobre una superficie horizontal sometida a un flujo de calor infinito, empleando el modelo Cattaneo-Christov para el análisis. El objetivo principal es mejorar la eficiencia térmica de los PTSC. Para lograr esto, se utilizan dos tipos de nanofluidos de Maxwell: nanotubos de carbono de pared simple-nanofluidos de Maxwell y nanotubos de carbono de pared múltiple/aceite de motor (MWCNT-SWCNT/EO). El carácter distintivo de este estudio radica en su enfoque en barcos y barcos que funcionan con energía solar, examinando el impacto de los números adimensionales en la producción de entropía. Al realizar un análisis exhaustivo de los factores térmicos y no newtonianos en los sistemas solares térmicos e investigar la aplicación específica de nanofluidos híbridos en los PTSC, esta investigación contribuye a la comprensión y el avance de la eficiencia operativa de los PTSC en el contexto del transporte marítimo alimentado por energía solar. . La figura 2 proporciona una representación gráfica del PTSC.

Diagrama geométrico del flujo.

El objetivo principal de crear la Fig. 2 es demostrar el proceso secuencial de desarrollar el modelo teórico actual. El diagrama describe cómo la energía solar llega al PTSC y viaja a través de un fluido acompañado de radiación térmica, lo que resulta en el máximo almacenamiento de energía en el PTSC a través de la conductividad térmica. La energía almacenada se encuentra en forma de calor, que luego se transforma en energía eléctrica mediante células fotovoltaicas en una batería. Esta energía eléctrica se utiliza para diversos fines dentro de la nave de energía solar.

La superficie cilíndrica del PTSC recibe energía solar del sol, que luego se transforma en energía térmica. La presencia de nanopartículas en el fluido que fluye a través del PTSC intensifica esta energía térmica. El objetivo central del experimento teórico actual es mejorar la capacidad de almacenamiento de calor del PTSC mediante la incorporación de fenómenos físicos como la radiación térmica y la conductividad.

La superficie de PTSC recibe una gran cantidad de energía solar en forma de calor, que se puede convertir en energía eléctrica para alimentar los sistemas de navegación e iluminación. Esto se logra utilizando una batería de celdas solares ubicada en la caja del área de combustible de la nave espacial, que puede transformar la energía térmica en energía eléctrica. Durante el día, la batería almacena la energía generada, que luego se utiliza para alimentar la nave espacial durante la noche.

La energía almacenada en una batería es un factor crítico para determinar su capacidad para alimentar diversas funciones, como aviónica, lámparas de navegación y comunicaciones militares. La capacidad de almacenamiento de energía de la batería afecta directamente su capacidad para operar estas funciones de manera efectiva. Por lo tanto, es importante tener en cuenta la capacidad de almacenamiento de energía de la batería al elegir una batería para aplicaciones específicas.

El modelo matemático que describe el flujo de fluidos en este sistema demuestra la velocidad de estiramiento no uniforme en una superficie sólida, como una placa plana que se mueve horizontalmente a través de un fluido. Una ecuación que representa esto es \({U}_{w}\)(x, 0) = \(bx\), donde el parámetro \(b\) denota la relación inicial de expansión. La temperatura de una superficie aislada se denota por \({\Theta }_{w}\)(\(x\), t) = \({\Theta }_{\infty }+{b}^{*} x\) y se supone que permanece constante en \(x\) = 0. La tasa de cambio térmico se denota como \({b}^{*}x\), mientras que \({\Theta }_{w} \) se refiere a la temperatura de la pared y \({\Theta }_{\infty }\) representa la temperatura circundante. La placa tiene una superficie resbaladiza que experimenta un cambio de temperatura. La Figura 3 presenta una representación esquemática del flujo.

Efecto de \(M\) sobre \({f}^{^{\prime}}\left(\xi \right)\), \(\theta \left(\xi \right)\).

La formulación matemática se ha desarrollado en base a los supuestos que se presentan a continuación:

Nanofluido Maxwell no newtoniano, flujo de calor Cattaneo-Christov.

Nanotubos de carbono de pared simple y pared múltiple (MWCNT y SWCNT).

El flujo tiene propiedades de disipación viscosa, un medio poroso y generación de calor.

Restricciones de frontera resbaladizas, Generación de entropía, Condiciones de flujo estacionario.

Radiación solar térmica, Campo magnético.

Aproximaciones de capa límite, aceite de motor (EG) como BF.

Dadas las suposiciones establecidas anteriormente, las ecuaciones que rigen el modelo de Maxwell no newtoniano con flujo de calor por radiación se pueden expresar de la siguiente manera12:

con condiciones de contorno74:

La Tabla 1 proporciona información sobre las características termofísicas del nanofluido, así como los símbolos utilizados en la investigación actual. Cuando una superficie se calienta por convección, es importante tener en cuenta la cantidad de calor que se pierde por conducción, también conocido como calentamiento newtoniano. También es importante comprender el comportamiento del fluido cerca de la superficie, que puede verse afectado por la condición de deslizamiento. Esto se refiere a cómo se comportan los fluidos cuando entran en contacto con límites sólidos y puede afectar la velocidad a la que el fluido se mueve cerca de la superficie. La extensión del deslizamiento está directamente relacionada con la cantidad de esfuerzo cortante experimentado por el fluido en el límite75, 76. Esta comprensión es crucial para analizar con precisión la transferencia de calor a través de la convección.

HNF consta de un fluido base y nanopartículas de dos elementos. Se utilizan para mejorar la capacidad de transferencia de calor de los fluidos regulares y poseen un mayor exponente de calor en comparación con NF. Las variables físicas de la termodinámica Maxwell HNF se enumeran a continuación.

NF:

HNF:

La Tabla 1 muestra los factores termofísicos de SWCNT, nanopartículas de MWCNT y fluido base de aceite de motor. Recientemente, se ha investigado cómo los nanomateriales podrían mejorar el rendimiento del intercambiador de calor79. Entre varios tipos de nanomateriales, los científicos han identificado SWCNT y MWCNT como prometedores para mejorar la eficiencia de la transferencia de calor en los intercambiadores de calor. Al agregar estos nanomateriales al fluido base del aceite de motor, la tasa de transferencia de calor y la conductividad térmica del fluido podrían mejorarse sustancialmente, lo que lleva a una mayor eficiencia del intercambiador de calor. Este método podría conducir potencialmente a la creación de intercambiadores de calor más eficientes, livianos y compactos, lo que sería beneficioso para varias aplicaciones de ingeniería que requieren el uso de aceite de motor, incluidos los barcos que funcionan con energía solar.

El RA es una herramienta matemática utilizada para pronosticar la forma en que se transmite la energía desde una superficie al fluido que la rodea. El método de aproximación de Rosseland se considera adecuado para casos en los que existen pequeñas diferencias de temperatura entre la superficie y el fluido. Esto implica que cuando la diferencia de temperatura es insignificante, la aproximación de Rosseland puede predecir con precisión la cantidad de energía que se intercambiará entre la superficie y el fluido. Los pronósticos precisos de la transferencia de energía tienen una gran importancia en varios dominios científicos y de ingeniería, como el pronóstico del tiempo, la ciencia espacial y el estudio de materiales80. Esto hace que sea vital entender su importancia. Además, la fórmula para la energía es altamente no lineal y computacionalmente difícil de explicar a la temperatura (\(\Theta\)). Sin embargo, si las diferencias de temperatura dentro de la corriente son mínimas, se puede lograr una simplificación significativa. Esto significa que el proceso de cálculo se puede hacer más fácil si solo hay pequeñas variaciones térmicas dentro de la corriente. Bajo ciertas circunstancias, la fórmula de aproximación de Rosseland se puede simplificar sustituyendo la variable \({\Theta }_{\infty }\) con \({\Theta }^{3}\) para obtener una ecuación lineal a la temperatura \( ({{\Theta }_{\infty })}^{3}\). Para tener en cuenta el impacto de la radiación, se utiliza la fórmula proporcionada por Rosseland en la fórmula (3), que se representa mediante la siguiente expresión81:

El coeficiente de absorción, que está representado por k*, y la constante de Stefan Boltzmann, simbolizada por σ*.

Las ecuaciones utilizadas para resolver problemas de valores en la frontera (BVP) conocidas como Eqs. (1)–(3) se transforman en formas adimensionales más simples mediante conversiones de similitud. Esta técnica de conversión transforma las PDE en ODE. Esto conduce a la expresión de la función de transmisión y cantidades de similitud de la forma:

Reemplazando la Ec. (6) en el sistema de Ecs. (1)–(3), se obtiene el siguiente resultado:

Con

dónde

La fórmula (1) se cumple de forma idéntica. La notación ' denota diferenciación a (\(\xi\)), como se muestra en las ecuaciones anteriores. Las propiedades termofísicas del nanofluido, junto con los símbolos utilizados en el estudio, se describen en la Tabla 2 que se encuentra a continuación.

Algunas ramas de la ingeniería se basan en dos parámetros importantes: fuerza de arrastre (\({C}_{f})\) y número de Nusselt (\({\mathrm{Nu}}_{x}).\) Las medidas de fuerza de arrastre cuánta resistencia experimenta un objeto sólido mientras se mueve a través de un fluido, lo cual es crucial en campos como la mecánica aeroespacial y de fluidos82, 83. Mientras tanto, el número de Nusselt predice qué tan rápido se transfiere el calor entre una superficie líquida y una sólida, lo cual es importante en el Diseño de intercambiadores de calor. Ambos parámetros no tienen unidades y se utilizan para mejorar la eficiencia de los diseños de ingeniería. El \({C}_{f}\) junto con \({\mathrm{Nu}}_{x}\) se puede establecer como84:

Al aplicar conversiones adimensionales a la ecuación mencionada anteriormente, obtenemos:

Aquí, \({\mathrm{Re}}_{x}\)=\(\frac{{U}_{w}x}{{v}_{f}}\).

En el campo de la termodinámica, el principio de generación de entropía describe la reducción gradual de la capacidad de un sistema para realizar trabajo a medida que la energía se vuelve menos disponible85. Este principio es especialmente importante para la radiación solar, ya que proporciona un medio para medir las ineficiencias que surgen durante la conversión de la luz solar en formas utilizables de energía. La pérdida de energía ocurre debido a la falta de eficiencia exhibida por los paneles solares y otros componentes que se utilizan para transformar la energía. Para maximizar la eficiencia de la conversión de energía solar, es importante minimizar la cantidad de energía perdida como entropía. Esto se puede lograr mediante materiales avanzados y técnicas de diseño que reducen las pérdidas de energía y aumentan la cantidad de energía utilizable obtenida de la radiación solar. La segunda ley de la termodinámica ofrece un medio para aproximar la cantidad de irreversibilidad o generación de entropía que ocurre durante el proceso de flujo de nanofluidos. Esto se puede expresar matemáticamente como35:

donde Re = \(\frac{{u}_{w}{b}^{2}}{x{\upsilon }_{f}}\), \(\beta =\frac{{\mathrm{T }}_{w}-{\mathrm{T}}_{\infty }}{{\mathrm{T}}_{\infty }}\) y,\({B}_{N}=\frac {{\mu}_{f}{u}_{w}^{2}}{{k}_{f}\left({\mathrm{T}}_{w}-{\mathrm{T} }_{\infty }\right)}\)

Estas soluciones propuestas para las funciones \(f\left(\xi \right)\), \(y \theta \left(\xi \right)\) son76:

Aquí, \({A}_{j}\left(\frac{2\xi }{L}-1\right)\) es una función base de Legendre desplazada que se define en el intervalo [1;1] a [ 0; L]. Para resolver los valores de las constantes \({a}_{j}\) y \({b}_{j}\) necesitamos usar la fórmula (13) y sustituirla en los BC.

Al insertar la fórmula (13) en la fórmula (7–8), obtuvimos tres residuos: \({R}_{f}\left(\xi \right)\) y \({R}_{f}\ left(\xi \right)\), se utiliza el método de colocación y su descripción se proporciona de la siguiente manera:

con

Los puntos desplazados de Gauss-Lobatto se denotan como \({\xi }_{j}\). El sistema de ecuaciones algebraicas. (7-8) incluye 2N + 2 ecuaciones, y con coeficientes que son desconocidos \({a}_{j}\), y \({b}_{j}\). Estos coeficientes se calcularon utilizando el software MATHEMATICA. La Tabla 3 muestra los diferentes grados de convergencia de aproximación. No obstante, LBCS produce una rápida convergencia de soluciones aproximadas. La validez de la solución numérica utilizada en el presente estudio se demuestra al comparar los resultados con los obtenidos en un estudio anterior. La Tabla 4 presenta esta comparación y muestra que existe una fuerte correlación entre los resultados numéricos de ambos estudios.

Esta sección del estudio muestra gráficos que ilustran los cambios en la velocidad del fluido \(({\mathrm{f}}^{\prime}({\upxi })),\;{\text{and}}\;{\text {térmica}}\;{\text{perfil}}\;({{\theta (\xi )}})\;{\text{entropía}}\;{\text{producción}}\;{\text {(Ng)}}\) para nanofluido híbrido MWCNT-SWCNT/EO (HNF) y nanofluido MWCNT-SWCNT (NF). Las Figuras 3a, 4a, 5a, 8a, 9a muestran variaciones en \(\mathrm{f}{{^{\prime}}}(\upxi )\), mientras que las Figs. 3b, 4b, 5b, 6a,b, 7a,b, 8b, 9b representan cambios en \(\uptheta (\upxi )\). Además, las Figs. 4c, 10a,b muestra variaciones en \((\mathrm{Ng})\). Además, el estudio presenta los resultados numéricos del número de Nusselt. Los resultados se muestran en la tabla de formularios (Tabla 5).

Efecto de \({\Lambda }_{M}\) sobre \({f}^{^{\prime}}\left(\xi \right)\), \(\theta \left(\xi \right )\) y \({N}_{G}\).

Efecto de \(\varphi {,\varphi }_{h}\) sobre \({f}^{^{\prime}}\left(\xi \right)\), y \(\theta \left( \xi \derecha)\).

Efecto de efecto de \({R}_{M}\) sobre \(\theta \left(\xi \right)\), y Ng.

Impacta Ec y \({Q}_{M}\) en \(\theta \left(\xi \right)\).

Impacto \({\varpi }_{M}\) y \({\delta }_{N}\) \({f}^{^{\prime}}\left(\xi \right)\), y \(\theta \left(\xi \right)\).

Efecto de \({K}_{M}\) sobre \(f{^{\prime}}(\xi ),y \theta (\xi )\).

Impacto de \({B}_{M},\) y Re en Ng.

Comprender el número de Nusselt es crucial para comprender completamente la tasa de transferencia térmica. Es uno de los factores clave que juegan un papel importante en la determinación de los resultados del proceso de transferencia térmica. Los números de Nusselt en la Tabla 5 sirven como evidencia de que el uso de combinaciones de nanofluidos híbridos (HNF) MWCNT-SWCNT/EO conduce a una tasa de transferencia térmica más alta en comparación con el nanofluido (NF) MWCNT-SWCNT. Esto valida la expectativa de que las combinaciones de HNF darían como resultado una mayor tasa de transferencia térmica. La Tabla 5 muestra un desglose de porcentajes, que revela que un aumento en el valor de Ec resultó en un aumento notable. El menor porcentaje observado fue de 1,96%, mientras que el mayor fue de 2,13%. La tabla muestra un aumento en \({R}_{M}\). La diferencia porcentual entre el punto más pequeño y el punto más grande es 1,99% y 2,25%, respectivamente. Además, el estudio demostró que los valores mínimo y máximo para el HNF y NF relativos ocurren entre 2.02 y 2.07% a medida que aumenta el valor de \({\delta }_{M}\). A medida que aumenta el valor de \(\mathrm{M}\), el rango de valores observados está entre 2,02 y 2,07 %, siendo el 2,2 % el valor mínimo y el 2,7 % el valor máximo. La tasa de transferencia térmica de HNF y NF aumenta en un mínimo de 2,2 a 2,6 % a medida que aumenta el valor de \({B}_{i}\). Esto significa que todos los parámetros físicos contribuyen positivamente a la tasa de transferencia térmica.

El efecto de M en el perfil de velocidad se ve en la Fig. 10. A medida que se intensifica la fuerza del campo magnético, ejerce una fuerza mayor sobre las partículas cargadas presentes en el fluido, lo que provoca un aumento de la resistencia. Este aumento de la resistencia conduce, en consecuencia, a una mayor reducción de la velocidad del fluido. El flujo de la capa límite se refiere a la capa delgada de fluido adyacente a una superficie, que puede experimentar inestabilidad y cambiar de un flujo suave y ordenado a un flujo desordenado y turbulento. Tal cambio puede provocar una elevación en la fuerza de arrastre experimentada por los objetos que se mueven a través del fluido, lo que en última instancia conduce a una eficiencia reducida. Según la presencia de nanopartículas híbridas en el fluido base, el nanofluido híbrido parece mostrar cierta disminución en comparación con el nanofluido normal en el mismo punto. El NF regular dificulta que el campo magnético influya en el fluido, lo que podría explicar esta ligera mejora en el rendimiento. La Figura 3b ilustra el fenómeno en el que la temperatura del sistema aumenta como resultado de la reducción de la transferencia de calor a otras áreas provocada por el movimiento más lento del flujo de fluido. Si el valor del coeficiente de transferencia de calor es positivo, indica que el calor se está moviendo desde la superficie hacia el fluido. Esto significa que la superficie libera energía térmica mientras que el fluido la absorbe. Comprender este mecanismo es fundamental para numerosas aplicaciones de ingeniería, incluidos los sistemas de refrigeración para componentes electrónicos o motores, y puede ayudar a mejorar la eficacia de los sistemas.

El número de Deborah es un concepto matemático que define cómo se relacionan entre sí la elasticidad y la viscosidad de un fluido. Desempeña un papel crucial en la determinación de cómo responde un fluido a diferentes tipos de presión y fuerza. De la Fig. 4a, se observó que el perfil de velocidad de un fluido se reduce en \({\Lambda }_{M}\). Mientras tanto, cuando el número de Deborah es bajo, el fluido se vuelve más elástico y su perfil de velocidad se vuelve parabólico. Esto ocurre porque las fuerzas elásticas son más dominantes que las fuerzas viscosas, lo que hace que el fluido se comporte como un sólido. mientras que la velocidad más baja ocurre cerca de las paredes, creando una forma parabólica curva. A medida que aumenta \({\Lambda }_{M}\), la capacidad del fluido para fluir cambia. Cuanto más aumenta \({\Lambda }_{M}\), más viscoso se vuelve el fluido y menos elástico se vuelve. Además, el fluido se comporta más como un líquido normal, con fuerzas viscosas que dominan sobre las fuerzas elásticas. Como se observa en la Fig. 4a, la velocidad del flujo del nanofluido híbrido de Maxwell muestra un patrón decreciente. La Figura 4b ilustra el impacto de \({\Lambda }_{M}\) en el perfil de temperatura. En el caso de números de Deborah bajos, el fluido exhibe un comportamiento newtoniano, donde la influencia de las fuerzas viscosas domina sobre las fuerzas elásticas. Cuando la \({\Lambda }_{M}\) sube, las fuerzas elásticas tienen un impacto mayor que las fuerzas viscosas, lo que conduce a la creación de variaciones de temperatura en el fluido. Este fenómeno surge porque las fuerzas elásticas inducen patrones de deformación y relajación en el fluido. El experimenta una mayor mejora en la distribución de la temperatura en comparación con el nanofluido híbrido. De la Fig. 4c, a medida que aumenta el número de Deborah, también aumenta la generación de entropía. Este fenómeno se puede atribuir al hecho de que los números de Deborah más altos están relacionados con velocidades de corte más altas y tiempos de relajación más prolongados, lo que provoca una cantidad más significativa de pérdida de energía irreversible.

El comportamiento de los fluidos, como la forma en que fluyen y distribuyen el calor, se ve significativamente afectado por la presencia de nanopartículas en el fluido (ver Fig. 5a,b). La fricción creada por estas nanopartículas juega un papel crucial en la determinación de las características físicas del fluido. Además, el tamaño de las nanopartículas es un factor importante que tiene cinco cantidades específicas, que se denotan por ejemplo, \({\phi }_{a}\)=\({\left(1-{(\phi }_{ 1}{+\phi }_{2})\right)}^{2.5} , {\phi }_{b}\)=\(\left(1-{(\phi }_{1}{+ \phi }_{2})\right)+{\phi }_{1}{\rho }_{{s}_{1}}/{{\rho }_{f}+\phi }_{ 2}{\rho }_{{s}_{2}}/{\rho }_{f}\),\({\phi }_{c}=\left(1-{(\phi }_ {1}{+\phi }_{2})\right)+{\phi }_{1}{\left(\rho {C}_{p}\right)}_{\mathrm{s}1 }/{\left(\rho {C}_{p}\right)}_{f}\)+\({\phi }_{2}{\left(\rho {C}_{p}\ derecha)}_{s2}/{\left(\rho {C}_{p}\right)}_{f}, {\phi }_{d}\)=\(\left(\frac{( {k}_{\mathrm{s}2}+2{k}_{nf}-{2\phi }_{2}\left({k}_{nf}-{k}_{\mathrm{ s}2}\right)}{({k}_{\mathrm{s}2}+2{k}_{nf}+{\phi }_{2}\left({k}_{nf} -{k}_{\mathrm{s}2}\right)}\right)\times \left(\frac{{k}_{\mathrm{s}1}+2{k}_{f}- 2{\phi }_{1}\left({k}_{f}-{k}_{\mathrm{s}1}\right)}{({k}_{\mathrm{s}1} +2{k}_{f}+{\phi }_{1}\left({k}_{f}-{k}_{\mathrm{s}1}\right)}\right)\) , basado en el modelo a nanoescala de Tiwari-Das, sin embargo, el comportamiento del flujo en la capa límite (BL) en presencia de radiación solar puede verse alterado por la presencia de nanopartículas en un fluido. La BL de un fluido que está en contacto directo con una superficie, como un panel solar, se conoce como capa límite y está influenciada por la transferencia de calor de la radiación solar. Cambiar la proporción de nanopartículas en el fluido puede causar una modificación en el perfil de velocidad del flujo de la capa límite. A medida que aumenta el parámetro de volumen fraccional de las nanopartículas, el flujo de fluido cerca de la superficie del panel solar se vuelve más uniforme y menos turbulento. Esto conduce a una disminución de la velocidad del fluido en la superficie del panel solar. Por lo tanto, el aumento de la concentración de nanopartículas provoca una reducción en la velocidad del fluido (ver Fig. 5a). El movimiento de fluidos y partículas en un sistema está muy influenciado por dos factores importantes. El primer factor es el parámetro de volumen fraccional de nanopartículas, que tiene un impacto significativo en el comportamiento del flujo de los sistemas de fluidos y partículas. El segundo factor es el perfil de temperatura del sistema, que describe la distribución de temperatura entre el fluido y las partículas. Estos dos factores son fundamentales para comprender el comportamiento de los sistemas de fluidos y partículas. La concentración de nanopartículas en sistemas fluido-partícula tiene un impacto significativo en la distribución de temperatura. A medida que aumenta la concentración de nanopartículas, la distribución de temperatura se vuelve más diversa debido a las diferencias en las propiedades térmicas del fluido y las partículas. Una mayor concentración de nanopartículas da como resultado una distribución de temperatura más uniforme porque la transferencia de calor entre el fluido y las partículas es más efectiva. Esto sugiere que la concentración de nanopartículas es un factor importante en el control de la distribución de temperatura en los sistemas de partículas fluidas (ver Fig. 5b).

El parámetro de flujo de calor radiativo es esencial para determinar cómo la radiación solar afecta la distribución de temperatura de un sistema. Este parámetro de flujo de calor radiativo es responsable de la transferencia de energía térmica a través de la radiación y determina cuánta energía absorberá o reflejará una superficie. Su valor es significativo ya que afecta directamente el perfil de temperatura del sistema. La influencia de \({\mathrm{R}}_{\mathrm{M}}\) en la distribución térmica se muestra en la Fig. 6a. Como se observa en la Fig. 6a, la distribución térmica del flujo de calor radiativo del nanofluido híbrido muestra un patrón creciente. Sin embargo, a medida que la superficie absorbe más radiación solar, provoca un aumento de su temperatura debido a la energía adicional recibida. Físicamente, la razón detrás de este hecho es que la energía del sol, que también se conoce como radiación solar, aumenta la temperatura de la superficie proporcionando energía. Además, este aumento de temperatura se puede amplificar aún más al mejorar el parámetro de flujo de calor radiativo, lo que permite que la superficie absorba más energía solar. El principal factor responsable de este efecto es el aporte extra de energía del sol, que provoca un aumento de la temperatura. Las implicaciones de este fenómeno son destacables en diferentes áreas, como la energía solar, la ingeniería y la ciencia de los materiales. La influencia de \({\mathrm{R}}_{\mathrm{M}}\) en la generación de entropía se muestra en la Fig. 6b. El parámetro de flujo de calor radiativo tiene un efecto significativo sobre cómo se genera la entropía, notablemente en sistemas que están expuestos a la radiación solar. Sin embargo, esto significa que comprender el impacto del parámetro de flujo de calor radiativo es crucial para modelar y predecir con precisión la generación de entropía en estos sistemas. La tasa de generación de entropía se puede utilizar para medir el grado de irreversibilidad en cada proceso. A medida que \({\mathrm{R}}_{\mathrm{M}}\) aumenta, la tasa a la que se genera entropía aumentará. Físicamente, esto ocurre porque el aumento del flujo de calor radiativo provoca una mayor diferencia de temperatura entre el sistema y su entorno, lo que conduce a una mayor transferencia de calor y una mayor generación de entropía. Para crear tecnologías energéticas que sean ambientalmente sostenibles y eficientes, es necesario comprender los mecanismos físicos subyacentes y la minimización de la generación de entropía. Esto puede conducir al desarrollo de nuevas tecnologías.

El número de Eckert (Ec) proporciona información sobre la proporción de energía cinética a energía térmica en un flujo de fluido. Específicamente, indica la relación entre la densidad de energía cinética y la densidad de energía térmica, lo que ayuda a comprender el equilibrio entre estos dos tipos de energía presentes en el flujo. Para comprender el impacto del número de Eckert en la temperatura del fluido, es esencial analizar el equilibrio entre la energía cinética y térmica presente en el flujo. La influencia de Ec en la distribución térmica se muestra en la Fig. 7a. Un número de Eckert alto indica un predominio de la energía cinética sobre la energía térmica, lo que da como resultado que el flujo sea controlado por la energía cinética. Cuando el número de Eckert es bajo, indica que la energía térmica en el fluido es mucho mayor que su energía cinética. Esto implica que el flujo del fluido está influenciado principalmente por su energía térmica. En consecuencia, habrá diferencias de temperatura notables a lo largo del flujo, lo que puede resultar en variaciones en los perfiles de temperatura. La razón detrás de este comportamiento se puede entender examinando cómo la radiación solar calienta el fluido. Cuando la radiación solar es absorbida, calienta el fluido y hace que se expanda, lo que hace que el fluido tenga más energía en movimiento. Luego, esta energía se disipa a medida que el fluido se mueve a través del flujo debido a las fuerzas viscosas, y finalmente se transforma en energía térmica. El número de Eckert juega un papel crucial para determinar qué tan rápido se lleva a cabo esta transformación al controlar el equilibrio entre la energía del movimiento y la energía térmica en el flujo. La Fig. 7b indica que a medida que aumenta \({Q}_{M}\), se producirá a un ritmo más rápido de lo que se puede disipar, lo que hará que el fluido se caliente más. Esto, a su vez, conduce a mayores diferencias de temperatura dentro del flujo de fluido. Este fenómeno es causado por cómo la radiación solar interactúa con el fluido. El fluido absorbe la radiación solar, lo que aumenta su temperatura y genera energía térmica. Como se observa en la Fig. 7b, la distribución térmica del flujo de calor radiativo del nanofluido híbrido exhibe un patrón creciente del nanofluido regular. Físicamente, si la tasa de generación de calor es demasiado alta, la energía térmica puede acumularse más rápido de lo que puede ser liberada por el fluido, lo que hace que se caliente más. Esto conduce a mayores diferencias de temperatura dentro del flujo de fluido.

La influencia de la velocidad de deslizamiento \(\left({\varpi }_{M}\right)\) aumenta el perfil de velocidad (ver Fig. 8a). Se demostró que la temperatura del fluido de velocidad para el nanofluido híbrido es más alta que la del nanofluido. El deslizamiento de velocidad es un término utilizado para describir la diferencia de velocidad entre la superficie sólida y el fluido en los nanofluidos, que es causada por la existencia de nanopartículas en el fluido. Este fenómeno tiene efectos notables en el comportamiento y las características de los nanofluidos y, por lo tanto, debe tenerse en cuenta al abordar las aplicaciones de estos fluidos. El perfil de velocidad en los nanofluidos está influenciado por \({\mathrm{K}}_{\mathrm{M}}\), que depende de las características únicas de las nanopartículas (CNT) y el fluido base (aceite de motor). A medida que se agrega MWCNT-SWCNT al aceite de motor, el parámetro de deslizamiento provoca una disminución de la velocidad cerca de las superficies sólidas. Físicamente, la ocurrencia puede explicarse por el hecho de que los CNT tienen una superficie hidrófoba, lo que provoca un efecto resbaladizo donde se encuentran las fases sólida y líquida. A medida que aumenta el parámetro de deslizamiento, el flujo de fluido cerca de la superficie se vuelve más uniforme, lo que implica una tasa de cambio de velocidad más débil. El parámetro de deslizamiento de la velocidad tiene un efecto notable en la velocidad del fluido para un nanofluido híbrido, lo que conduce a una reducción del gradiente de velocidad cerca de las superficies sólidas. Este fenómeno ocurre debido a la naturaleza hidrofóbica de los nanotubos de carbono, provocando una condición de deslizamiento en la interfaz del líquido y el sólido. En pocas palabras, el parámetro de deslizamiento de la velocidad influye en la forma en que los fluidos fluyen alrededor de las superficies sólidas en nanofluidos que contienen nanotubos de carbono debido a sus propiedades hidrofóbicas. El comportamiento físico del parámetro de tiempo de relajación \({\delta }_{M}\) se muestra gráficamente en la Fig. 8b. El parámetro de tiempo de relajación denota la duración que un fluido necesita para distribuir su energía térmica. Este parámetro se ve afectado por la conductividad térmica del fluido, así como por las propiedades de las partículas suspendidas. Cuando el fluido tiene una conductividad térmica más alta, el \({\delta }_{M}\) generalmente tiende a ser más bajo. En términos más simples, este parámetro significa la velocidad a la que un fluido libera su energía térmica, que depende de la capacidad de conducción de calor del fluido y del tamaño y la forma de sus partículas. Por lo tanto, un fluido que puede conducir el calor de manera más eficiente tendrá un tiempo de relajación más corto. El uso de un nanofluido híbrido que contiene MWCNT-SWCNT/aceite de motor demuestra una capacidad de conducción de calor superior en comparación con el aceite de motor SWCNT.

El parámetro de medios porosos \({\mathrm{K}}_{\mathrm{M}}\) flujo de nanofluido híbrido muestra cuán suavemente un fluido puede ingresar a un material poroso, la distribución de velocidad del fluido para mono es más baja que la del nanofluido híbrido. Además, la ley de Darcy explica cómo un material poroso influye en el movimiento del fluido, específicamente cómo se ve afectada su velocidad. La ley establece esencialmente que el flujo del fluido a través del medio poroso está determinado por el gradiente de presión, la permeabilidad del medio y la viscosidad del fluido. A partir de la Fig. 9a, se observó que a medida que el fluido se mueve a través de un medio, experimenta una resistencia que conduce a una disminución de la velocidad. Sin embargo. El área superficial de los CNT posee la capacidad de mejorar el proceso de transferencia de calor y la conductividad térmica de los fluidos. Cuando estos nanotubos se mezclan con aceite de motor, producen una nueva categoría de fluidos conocidos como NF. Estos NF tienen el potencial de emplearse de manera efectiva en varios tipos de proyectos de ingeniería. El efecto de \({\mathrm{K}}_{\mathrm{M}}\) se muestra en la Fig. 9a. Se observó que \({\mathrm{K}}_{\mathrm{M}}\) mejora el perfil de temperatura. Físicamente, cuando la luz del sol entra en el material poroso, es absorbida por el material y aumenta la temperatura del material. La importancia de este fenómeno se enfatiza en el contexto de los barcos que funcionan con energía solar, donde el material poroso sirve como una herramienta eficaz para controlar la temperatura del sistema de almacenamiento de energía, como las pilas de combustible o las baterías. Al mantener la temperatura óptima dentro de estos sistemas, es posible mejorar su rendimiento y longevidad, lo que da como resultado una operación del barco más confiable y ecológica.

El número de Brinkman es un valor adimensional que se utiliza en el campo de la mecánica de fluidos para determinar la importancia de las fuerzas viscosas en comparación con las fuerzas de inercia dentro de un fluido. Nos ayuda a comprender cuánto afecta la viscosidad del fluido su comportamiento a su masa y movimiento. De la Fig. 10a, los aumentos de \({\mathrm{B}}_{\mathrm{M}}\), hay un aumento correspondiente en la tasa de generación de entropía. Físicamente, la implementación de la tecnología de energía solar en los barcos tiene el potencial de reducir la dependencia de las fuentes de energía no renovables y minimizar los efectos ambientales negativos de la industria naviera. La eficacia de la energía solar depende de una multitud de factores, como la accesibilidad de la luz solar y la capacidad de las células fotovoltaicas. De la Fig. 10a, a medida que aumenta el Re, la tasa de generación de entropía aumenta debido a la presencia de un nanofluido híbrido mayor en la capa límite, lo que hace que se disipe más energía en forma de calor. Físicamente, la optimización de la eficiencia del panel solar y la creación de entropía en un barco con energía solar se pueden lograr regulando el número de Reynolds dentro de la capa límite del sistema.

En conclusión, este estudio computacional ha demostrado el potencial de usar el nanofluido híbrido MWCNT-SWCNT/EO (HNF) y el nanofluido (NF) MWCNT-SWCNT y el modelo de flujo de calor de Cattaneo-Christov para mejorar el rendimiento de la transferencia de calor de los barcos con energía solar. Los resultados de este estudio destacan las perspectivas prometedoras de este enfoque novedoso para lograr mejoras significativas en las tasas de transferencia de calor. Con la creciente demanda de fuentes de energía renovables y sostenibles, este enfoque proporciona una solución práctica y eficiente para superar los desafíos que enfrentan los barcos que funcionan con energía solar. Se espera que la implementación de nanofluidos híbridos CNT y el modelo de flujo de calor de Cattaneo-Christov contribuyan al desarrollo de sistemas energéticos más eficientes y sostenibles. En general, este estudio proporciona una base sólida para futuras investigaciones sobre el uso de nanofluidos híbridos CNT y el modelo de flujo de calor de Cattaneo-Christov para mejorar el rendimiento de los barcos que funcionan con energía solar.

El resultado muestra que el HNF tiene una mejor mejora de la radiación térmica en comparación con el NF.

Al aumentar los valores de \({R}_{M}\), \({K}_{M}\), \({\delta }_{M},\) se observó que el campo de velocidad disminuye

El parámetro \({\varpi }_{M}\) tiene un impacto negativo en la velocidad del fluido, lo que hace que disminuya a medida que \({\varpi }_{M}\) aumenta.

Como los nanomateriales están presentes junto con \({R}_{M}\), Ec y \({Q}_{M}\), el espesor de la capa límite térmica aumenta gradualmente con el tiempo, lo que conduce a una disminución en la tasa de intercambio de calor.

La generación de entropía está influenciada por varios parámetros, como \({R}_{M},\) \({B}_{M},\) Re y \({\Lambda }_{M}\ ).

La eficiencia térmica de HNF funciona mejor que NF, con una mejora relativa que oscila entre 1,78 y 2,25 %.

Los valores crecientes de \({\delta }_{M}\) \({\Lambda }_{N}\) \({K}_{M}\), \(\varphi ,{\varphi }_ {h}\) fomentan la distribución de la temperatura.

Con base en los hallazgos de esta investigación, se sugiere que se lleven a cabo investigaciones adicionales para verificar los resultados obtenidos a través del modelado por computadora y evaluar la viabilidad de adoptar nanofluidos híbridos CNT y el modelo de flujo de calor de Cattaneo-Christov en aplicaciones industriales de barcos con energía solar. . Se anticipa que estos enfoques novedosos harán una contribución significativa hacia el desarrollo de sistemas de energía que sean más eficientes y más amigables con el medio ambiente. Se ha propuesto que la investigación futura debe concentrarse en realizar experimentos experimentales para validar los resultados de los modelos computacionales. Esta investigación también podría investigar otros tipos de nanofluidos y modelos de flujo de calor para averiguar si tienen o no la capacidad de mejorar el rendimiento de transferencia de calor de los barcos que funcionan con energía solar. En general, los resultados de este trabajo dan una base sólida para futuras investigaciones en esta área. También demuestran el prometedor potencial de utilizar nanofluidos híbridos CNT y el modelo de flujo de calor de Cattaneo-Christov para mejorar el funcionamiento de los barcos que funcionan con energía solar.

Todos los datos utilizados en este manuscrito se han presentado dentro del manuscrito. Ningún dato está oculto o restringido.

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AM Crazy y J. Agricultura

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M. Asif Memón

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Amsalu Fenta

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La conceptualización estuvo a cargo de AMO, MAM y OAO; la metodología también estuvo a cargo de AMO, MAM y OAO; AMO, OAO y JO realizaron trabajos mediante software; la validación fue realizada por JO y AF; la redacción del borrador original y la preparación del borrador de revisión estuvieron a cargo de AMO, OAO y MAM; JO y AF supervisó el manuscrito.

Correspondencia a Amsalu Fenta.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Obalalu, AM, Memon, MA, Olayemi, OA et al. Mejora de la transferencia de calor en barcos con energía solar: un estudio sobre nanofluidos híbridos con nanotubos de carbono y su aplicación en colectores solares cilindroparabólicos con controles electromagnéticos. Informe científico 13, 9476 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36716-x

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Recibido: 06 mayo 2023

Aceptado: 08 junio 2023

Publicado: 10 junio 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36716-x

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