L'applicazione del non

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8471 (2023) Citare questo articolo

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Il miglioramento del trasferimento di calore all'interno degli scambiatori di calore solari è importante per lo sviluppo dell'energia solare in un'area urbana. In questo studio viene esaminato l'utilizzo di un campo magnetico non uniforme sull'efficienza termica del nanofluido (Fe3O4) che scorre all'interno del tubo a U degli scambiatori di calore solari. La fluidodinamica computazionale viene applicata per visualizzare il flusso di nanofluidi all'interno dello scambiatore di calore solare. Il ruolo dell'intensità magnetica e del numero di Reynolds sull'efficienza termica è stato completamente studiato. Nella nostra ricerca viene studiato anche l'effetto delle sorgenti singole e triple del campo magnetico. I risultati ottenuti indicano che l'utilizzo del campo magnetico determina la produzione di vortici nel fluido base e il trasferimento di calore migliora all'interno del dominio. La nostra scoperta indica che l’utilizzo del campo magnetico con Mn = 25 K migliorerebbe il trasferimento di calore medio di circa il 21% lungo il tubo a U degli scambiatori di calore solari.

L’avanzamento termico degli scambiatori di calore è fondamentale per il risparmio di ambienti e costi. Le prestazioni degli scambiatori di calore sono cruciali in diversi settori poiché sono ampiamente utilizzati in settori quali centrali elettriche, impianti petrolchimici e raffinerie di petrolio, nonché per gli utenti domestici1,2,3. L'importanza di questo dispositivo per la salvaguardia dell'ambiente è menzionata in lavori precedenti poiché ridurrà le emissioni di CO2 bruciando petrolio per la produzione di energia. D'altro canto, un nuovo tipo di risorsa energetica come l'energia solare diventa economica quando la prestazione degli scambiatori di calore è sufficientemente elevata4,5.

Lo sviluppo di nuove fonti di energia è molto importante poiché l'attuale fonte di energia non è durevole per più di due secoli6,7. Pertanto, l’energia rinnovabile è diventata l’argomento principale per i ricercatori in quanto miglior sostituto del petrolio greggio8,9. Inoltre, la riduzione dell'inquinamento non è possibile con la classica fonte di energia poiché la produzione di CO2 è inevitabile nella combustione del petrolio greggio10,11. Tra le energie rinnovabili disponibili, l'energia solare è stata considerata una fonte di energia affidabile grazie all'accessibilità e al basso costo, soprattutto per gli utenti domestici12,13. Sebbene le centrali solari non siano paragonabili ad altre centrali elettriche (ad esempio nucleari) per la produzione di energia su larga scala, questa fonte di energia potrebbe essere utilizzata in modo efficiente per gli utenti su piccola scala che vivono a lunghe distanze dalle aree urbane14,15,16,17. Pertanto, l'utilizzo dei sistemi solari per la produzione di fonti energetiche per l'utenza domestica è aumentato negli ultimi tre anni, facendo aumentare il prezzo del petrolio18,19,20.

L'utilizzo di nanoparticelle ha notevolmente migliorato l'efficienza degli attuali scambiatori di calore21,22. Infatti, le particelle di ferro migliorano ampiamente la capacità termica del fluido base negli scambiatori di calore e questo economizza le prestazioni dei pannelli solari nel fornire l'acqua calda necessaria per gli utenti domestici23,24,25. La capacità termica del nanofluido aumenta sostanzialmente con l'utilizzo del campo magnetico. Infatti, l'applicazione della sorgente magnetica vicino al tubo con il flusso di nanofluido provoca un disturbo nel fluido e viene prodotta una struttura a vortice nel flusso di nanofluido26,27. Pertanto, il trasferimento di calore si intensifica all'interno degli scambiatori di calore. Questa caratteristica del flusso del nanofluido è stata studiata in modo approfondito in un altro processo, ad esempio l'ebollizione e la fusione, poiché ciò modificherebbe le proprietà termiche del processo28,29,30. Sebbene nella ricerca attuale sia stato esplorato l'uso di una sorgente magnetica uniforme o non uniforme vicino al nanofluido con particelle di ferro, questo aspetto del flusso del nanofluido non è stato esplorato in modo completo in diverse sezioni degli scambiatori di calore31,32,33. Nella maggior parte di questi studi, viene utilizzato un approccio teorico per l'analisi termica del flusso di nanofluidi34,35,36. La tecnica numerica della Fluidodinamica Computazionale viene utilizzata anche per lo studio dello scambio termico degli scambiatori di calore37,38. A causa del basso costo delle indagini computazionali, questa tecnica è considerata il metodo iniziale per la pre-valutazione di nuovi approcci innovativi per lo sviluppo della ricerca attuale39,40. Sebbene numerose ricerche si siano concentrate sul campo magnetico uniforme per il miglioramento degli scambiatori di calore, il campo magnetico non uniforme è stato studiato in articoli limitati tramite la fluidodinamica computazionale41,42,43.