INFLUENCE OF NANO PARTICLE SIZE, SHAPE AND VOLUME CONCENTRATION ON THE PERFORMANCE OF FLAT PLATE SOLAR COLLECTOR

INFLUENCE OF NANO PARTICLE SIZE, SHAPE AND VOLUME CONCENTRATION ON THE PERFORMANCE OF FLAT PLATE SOLAR COLLECTOR. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
Mohammed Ayaz Uddin.pdf - Other
Restricted to Repository staff only until 12 May 2021.

Download (10MB)

Arabic Abstract

إن الاحتياج العالمي للطاقة في تصاعد مستمر لآفاق جديدة، ولذلك هناك حاجة لمصادر طاقة بديلة بجانب الوقود الحفري. استخدام الأنظمة التي تعمل باستخدام الطاقة المتجددة هو الحل الأنسب لتلبية الطلب. في الدراسة الحالية يُجري تحليل أداء المجمّع الشمسي المُسطّح بأربعة سوائل نانوية مختلفة (Al2O3/H2O وSiO2/H2O وCuO/H2O وMoS2/H2O) تحت الظروف الجوية لمدينة الظهران بالمملكة العربية السعودية. الحافز الرئيس لإجراء هذه الدراسة هو تقصي تأثير قطر الجسيمات النانوية وتركيزها الحجمي وشكلها علي أداء المجمّع الشمسي قيد الدراسة، وهكذا فإن تلك العوامل الثلاثة تُغيّر كالتالي: القٌطر من ٢٥ إلى ١٢٥ نانومتر، التركيز الحجمي من صفر إلى 4%. بدأت هذه الدراسة بدراسة الخواص الثيرموفيزيائية، والتي تسيطر علي عملية انتقال الحرارة. بعد ذلك اتجهت الدراسة الحالية إلى عمل تحليل لانتقال الحرارة للسخّان الشمسي قيد الدراسة لدراسة عوامل انتقال الحرارة داخله، وذلك من خلال تحليل السائل النانوي الموجود بالمجمّع. اتّجهت الدراسة بعد ذلك إلى تحليل أداء المجمّع الشمسي بناءاً على عدّة عوامل مختلفة، والتي تشمل الخواص الثيرموفيزيائية وعوامل انتقال الحرارة وكفاءة المجمّع وعامل فقد الحرارة الكٌلي. في الجزء التالي من الرسالة، تم عرض النتائج المستخلصة من النموذج المستخدم، والتي توضح تأثير شكل الجسيمات النانوية علي أداء المجمّع الشمسي وعلى عوامله المختلفة. تم التوصل إلى أن السائل النانوي SiO2/H2O لديه كفاءة قوية تٌقدر بـ 43.21% مقارنةً بالسوائل الأخرى. توصلت الدراسة أيضاً إلى أن تأثير تغير الشكل والحجم الجزيئي على كفاءة المجمّع الشمسي هامشياً، بينما تتحسّن الكفاءة كثيراً مع زيادة التركيز الحجمي. وقد سجّل SiO2/H2O أعلى تحسّن في الكفاءة بنسبة تصل إلى 4%. اشتملت الدراسة أيضاً على دراسة تأثيرالحجم والشكل الجزيئي مع التركيز الحجمي علي قدرة الضّخ وعلى الفقد الناتج في الضغط. في هذا الصدد، تم التوصل إلى أن التركيز الحجمي 4% يُعطي أعلى فقد للضغط ومقداره 34.38 كيلوباسكال وأعلى قدرة ضخّ بمقدار0.6633 وات عندما يكون الحجم الجزيئي للسائل النانوي مساوياً 50 نانومتر. تتغير تلك الأرقام إلى 36.924 كيلوباسكال و 0.7124 وات في حالة الجزيئات ذات الشكل المسطّح وعند نفس التركيز الحجمي. على الجانب الآخر، تم التوصل إلى أن التركيز الحجمي 0.5% يُعطي أقل فقد للضغط ومقداره 32.637 كيلوباسكال وأقل قدرة ضخّ بمقدار0.657 وات عندما يكون الحجم الجزيئي للسائل النانوي مساوياً 100 نانومتر. تتغير تلك الأرقام إلى 32.697 كيلوباسكال و0.6569 وات مع الجزيئات ذات الشكل القالبي وعند نفس التركيز الحجمي للسائل النانوي SiO2/H2O. من بين الأربعة سوائل النانوية المختلفة قيد الدراسة فإن السائل النانوي CuO/H2O قد سجّل أعلى انخفاض الضغط بمقدار 38.268 كيلوباسكال، بينما أعلى قدرة ضخّ تم تسجيلها في حالة السائل النانوي SiO2/H2O بمقدار0.6867 وات؛ ويُعزى ذلك إلى الكثافة المنخفضة للسائل الأخير. بالإضافة إلى ما تقدم، فقد اشتملت الدراسة الحالية على إجراء تحليل للإكسيرجيا لنظام المجمّع الشمسي قيد الدراسة. خَلُص هذا التحليل إلى أن الفقد في الإكسيرجيا يقل مع زيادة الحجم والتركيز الحجمي مع كل الأشكال المختلفة للسوائل النانوية. تم التوصل أيضاً إلى أن الإنتروبيا المتولدة في المجمّع تقل مع زيادة التركيز الحجمي. في هذا الصدد، قد سجلًت الجزيئات ذات الشكل المسطّح أعلى إنتروبيا متولدة يتبعها على التوالي الجزيئات الإسطوانية ثم المُقولبة ثم ذات الشفرة. تضمّنت الدراسة الحالية أيضاً دراسة الحالة التي يكون فيها السريان مضطرب لملاحظة تأثير أشكال الجسيمات النانوية علي أداء المجمّع الشمسي. انتهت الدراسة بتقصّي احتمالية تقليل حجم المجمّع الشمسي. وقد تم التوصل إلى أن السوائل النانوية Al2O3/H2O وSiO2/H2O وCuO/H2O وMoS2/H2O ينتج عنها نسبة انخفاض في حجم المجمّع الشمسي بمقدار 4.6 و8و 11.7و 14.38% على الترتيب؛ وذلك يرجع إلى اختلاف سعة كل سائل نانوي على حمل الحرار

English Abstract

As the global requirement for energy is continuously mounting new heights, there is a need for alternative sources of energy besides fossil fuels. Use of systems that operate utilizing renewable energy is the most appropriate solution to meet the demand. In the current work, a performance analysis of flat plate solar collector (FPSC) is carried out analytically with four different working fluids i.e. Al2O3/H2O, SiO2/H2O, CuO/H2O and MoS2/H2O nanofluids under the weather conditions of Dhahran city in kingdom of Saudi Arabia. The main motive of conducting this study is to investigate the effect of nanoparticle size, volume concentration and its shape upon FPSC performance. The range of nanoparticle size is 25-125nm and the range of volume concentration considered in this study was 0-4 %. In this study, firstly the thermophysical properties which dominate the heat transfer phenomenon are studied. Secondly, the heat transfer analysis is carried out for the collector by analysing the nanofluid within the collector followed by the heat transfer parameters. Later FPSC performance is analysed based upon the thermophysical properties, heat transfer parameters and the collector efficiency factor along with the coefficient of total heat loss. In the following part of the thesis, the effect of nanoparticle shape upon the performance of the FPSC are illustrated. The study concludes that the SiO2-H2O has a profound efficiency of 43.21% among other nanofluids. It is observed that upon varying the nanoparticle shape and size, the improvement in efficiency is marginal whereas the enhancement in efficiency due to the increase in volume concentration is significant. The highest was for SiO2/H2O, an enhancement of 4%. Next section in this work studies the effect of size and shape along with volume concentration upon the pumping power and pressure drop. It can be stated that the highest pressure drop of 34.38 KPa and 0.6633 Watts of pumping power was required for 4% concentration nanofluid comprising of 50nm sized nanoparticles and in terms of nanoparticle shape effect, highest pressure drop of 36.924 KPa and pumping power of 0.7124 Watts was for platelets shaped nanoparticles at 4% concentration. Whereas least pressure drop, and pumping power required was 32.637 KPa, 0.657 watts for 0.5% concentration 100nm sized nanoparticle and with respect to shape effect 32.697 KPa, 0.6569 watts for brick shaped at 0.5% volume concentration of SiO2-H2O nanofluid. Among the 4 distinct nanofluids pressure drop for CuO/H2O i.e. 38.268 KPa was the highest meanwhile in terms of pumping power, SiO2/H2O 0.6867 Watt was highest due to less density. Exergy destruction for all nanoparticle shapes decreased with increase in size and volume concentration whereas entropy generation for various shapes decreased upon increasing the volume concentration. Among the shapes, platelets had the highest entropy followed by cylinder, bricks and blade. Another case study for turbulent flow regime is conducted to observe the influence of different nanoparticle shapes upon the collector performance. Lastly, the possibility of collector size reduction was observed, there was 4.6% reduction in collector area due to SiO2/H2O, 8% reduction due to Al2O3/H2O, 11.7% reduction due to MoS2/H2O and 14.38% reduction due to CuO/H2O, and this was thoroughly due to heat carrying capacity of each nanofluid.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Mechanical
Divisions: College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor: Ahmet Z, Sahin
Committee Members: Bekir Sami, Yilbas and Abdullah, Al-Sharafi
Depositing User: MOHAMMED AYAZ UDDIN (g201708010)
Date Deposited: 03 Jun 2020 15:31
Last Modified: 03 Jun 2020 15:31
URI: http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141544