Ibrahim, Rashad (2026) Synthesis and Characterization of Mwcnts in a Paraffin-Based Pcm Using Two-Step Method for Energy Storage in Flat Plate Solar Collector. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Ms Thesis Report_Rashad Ibrahim_g202391910_Final.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 2 July 2027. Download (6MB)

Arabic Abstract

تُعد الحاجة إلى الاستخدام المستدام لمصادر الطاقة من المتطلبات الأساسية في عالمنا اليوم، وقد تم تطوير العديد من الطرق المبتكرة على مر السنين لتحقيق هذا الهدف. ومن بين هذه الطرق استخدام الطاقة الشمسية لأغراض تسخين المياه. في هذه الدراسة، تم إجراء بحث تجريبي على سخان مياه شمسي ذو لوح مسطح تحت ظروف بيئية خارجية بهدف تقييم أدائه مع الأخذ في الاعتبار العوامل الرئيسية مثل سرعة الرياح، والإشعاع الشمسي، ودرجة حرارة المحيط. تم تقييم أداء النظام من خلال تحليل درجات حرارة دخول وخروج المياه، والطاقة الحرارية المفيدة المكتسبة، والكفاءة الحرارية خلال فترة تجريبية استمرت ثلاثة أيام. بلغت أعلى قيمة للطاقة الحرارية المفيدة المكتسبة حوالي 1500 واط، بينما بلغت الكفاءة الحرارية القصوى 65% تحت ظروف تشغيل مناسبة. وبالتوازي مع ذلك، تم تصنيع وتوصيف مادة متغيرة الطور (PCM) قائمة على البارافين ومخلوطة مع الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران (MWCNT) لاستخدامها في تخزين الطاقة داخل نظام المجمع الشمسي بهدف تحسين توفر الماء الساخن. تم إجراء التوصيف البنيوي والفيزيائي الكيميائي باستخدام تقنيات: المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، حيود الأشعة السينية (XRD)، التحليل الوزني الحراري (TGA)، ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR). أظهرت نتائج هذه التقنيات نجاح دمج الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران داخل مادة البارافين دون التأثير على التركيب الكيميائي الأساسي والطبيعة البلورية لمادة تغيير الطور القائمة على البارافين. ولدراسة فعالية العينات المُوصّفة، تم تصنيع أسطوانتين نحاسيتين متحدتي المركز لتكوين قناتي تدفق مختلفتين. استُخدم الأنبوب النحاسي الأكبر لحفظ الماء الساخن القادم من خزان المجمع الشمسي، بأبعاد قطر 0.035 م وارتفاع 0.13 م، وبحجم إجمالي مقداره 0.000125 م³. أما الأنبوب الأصغر فقد استُخدم لاحتواء البارافين في إحدى القنوات، والمركب النانوي (بارافين + 2.0% وزني من MWCNT) في القناة الأخرى، بأبعاد قطر 0.01 م وارتفاع 0.22 م، وبحجم إجمالي مقداره 0.0000173 م³. استمرت التجربة لمدة خمسة أيام تقريبًا، حيث بدأت في 7 يونيو 2026 الساعة 18:00 وانتهت في 11 يونيو 2026 الساعة 17:00. بلغ معدل التدفق الأولي خلال الأيام الثلاثة الأولى 1.85 لتر/دقيقة (0.0308 كجم/ثانية)، ثم تغير لاحقًا إلى 0.62 لتر/دقيقة (0.0103 كجم/ثانية) في 10 يونيو 2026 الساعة 07:00. خلال فترة التجربة، بلغت أعلى درجة حرارة للمياه الخارجة المسجلة 53°C. كما بلغ الفرق في درجة الحرارة بين البارافين والمركب النانوي حوالي 15°C، حيث سجل المركب النانوي أعلى درجة حرارة وصلت إلى 67°C في 11 يونيو 2026 الساعة 15:00.

English Abstract

The need for sustainable use of energy resources is fundamental in today’s world; several innovative ways have been developed over the years to realize this dream. One of the ways is the use of solar energy for water heating purposes. In this present study, a flat plate solar water heater has been investigated in an outdoor environmental condition to examine its performance considering key parameters such as wind speed, solar radiation and ambient temperatures. Performance analysis such as inlet and outlet water temperatures, useful energy gain and thermal efficiency was evaluated over a three-day experimental period. The maximum useful energy gain recorded was 1500 W, while the efficiency was 65% under favorable operating conditions. Parallel to this was the synthesis and characterization of a paraffin-based phase change material mixed with multi-walled carbon nanotubes to be used for energy storage in the collector system to enhance hot water availability. The structural and physicochemical characterization was done with the help scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), Thermogravimetric analysis (TGA) and xx Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). These characterization techniques revealed that the MWCNT was successfully integrated without affecting the fundamental chemical structure and crystalline nature of the paraffin-based phase change material. To investigate the effectiveness of the characterized samples, two concentric copper cylinders were fabricated to form two different flow channels. The bigger copper tube was used to hold hot water from the collector tank with the following dimensions, a diameter of 0.035 m and a height of 0.13 m making a total volume of 0.000125 m3. The smaller tube was used to hold paraffin on one channel and nanocomposite (paraffin + 2.0 wt% MWCNT) on the other channel with the following dimensions, a diameter of 0.01 m and a height of 0.22 m making a total volume of 0.0000173 m3. The experiment lasted for about five days starting on 7 June 2026 at 18:00 and ended on 11 June 2026 at 17:00. The initial flow rate within the first three days was 1.85 L/min (0.0308 kg/s) and then later changed to 0.62 L/min (0.0103 kg/s) on 10 June 2026 at 07:00. Throughout the experimental period, the highest outlet water temperature recorded was 53oC. The temperature difference between the paraffin and the nanocomposite was about 15oC with the nanocomposite peaking at 67oC on 11 June 2026 at 15:00.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Environmental Architectural Chemical Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Thesis Advisor:	Luai Alhems,
Thesis Co-Advisor:	Shafiq Ur Rehman Waliullah,
Thesis Committee Members:	Mohammed Antar,
Depositing User:	RASHAD IBRAHIM
Date Deposited:	05 Jul 2026 06:55
Last Modified:	05 Jul 2026 06:55
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144639