Influencia de las nanopartículas en la congelación dentro de un recipiente equipado con aletas.

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 14792 (2022) Citar este artículo

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Con la carga de nanopartículas de diferentes formas, se puede cambiar la velocidad de solidificación, lo cual se analizó en el trabajo actual. Aunque la dispersión de las nanopartículas puede disminuir la capacidad calorífica, el modo de conducción se puede mejorar con dicha técnica y cambiar los estilos de los nanopolvos puede alterar la fuerza de la conducción. Los términos de velocidad se descuidaron en la congelación, por lo que las ecuaciones principales incluyen dos ecuaciones con forma inestable para escalares de fracción sólida y temperatura. La adaptación de la red con la posición del frente de hielo se ha considerado en simulaciones que utilizan FEM. Las paredes sinusoidales superiores y rectangulares interiores mantienen la temperatura fría y la congelación comienza en estas regiones. Agregar nanomaterial puede acelerar el proceso alrededor de un 15,75% (para m = 4,8) y un 29,8% (para m = 8,6). Además, el uso de partículas con forma de cuchilla puede aumentar la tasa de congelación en alrededor del 16,69%. La eficacia de m en el proceso de congelación aumenta alrededor del 4% con una mayor concentración de nanopartículas.

Obtener la estabilidad entre el uso o incluso la generación de calor mínimo y máximo es una cuestión absorbente entre los especialistas en mecanismos térmicos1,2,3,4,5. En los años anteriores, científicos de diversos campos de análisis intentaron desarrollar el uso de la calefacción. Los esfuerzos contienen análisis sobre el incremento del proceso térmico6,7,8,9,10, la promoción de unidades solares que utilizan sustancias de gran eficiencia11,12,13,14,15, etc. Los mecanismos de almacenamiento de energía tienen una técnica decente al respecto. El ahorro de energía puede ocurrir como calor latente dentro del cambio de fases de la sustancia a temperatura constante16,17,18,19,20. Las sustancias utilizadas para este almacenamiento se denominaron PCM. En comparación con una unidad sensible típica, se puede ahorrar una gran cantidad de calor en volúmenes muy menores de PCM21,22,23,24,25. Dentro de la descarga y carga de calor, el PCM se puede instalar en gradientes de temperatura más pequeños26,27,28,29,30. No obstante, la baja conductividad térmica de los PCM es la desventaja clave de las sustancias PCM en el desempeño de los mecanismos térmicos31,32,33,34,35,36. Por lo tanto, el aumento de la conductividad térmica puede asumirse como parámetro clave para usos industriales37,38,39,40,41,42,43. Cao et al.44 expresaron que la tasa de carga de parafina aumenta con la adición de aletas. Los autores vieron que el número de aletas es un término principal para la temperatura de cada pared.

Los autores de 45 preguntaron el impacto del tipo de sustancia de superficie extendida y nanomaterial en la eficiencia de la unidad solar y expresaron que la presencia de tales técnicas puede aumentar considerablemente la fusión del PCM. Zeng et al.46 investigaron el impacto de varios conjuntos de ubicaciones de un agujero acumulado con parafina. Vieron que la velocidad del cambio de fase aumentaba al cambiar la ubicación al estilo vertical. Mehta et al.47 presentaron una comparación entre los contenedores horizontales y verticales y vieron que la fuerza de flotación es operativa en la unidad vertical dentro del procedimiento de carga, lo que lleva a una tasa de carga aproximadamente fija en comparación con las unidades horizontales. Usman et al.48 investigaron varias formas de un disipador térmico. Vieron que instalar aletas con varias disposiciones reduce la temperatura más adecuada. Esto se debió a un aumento en la conductividad térmica eficiente. Los autores de 49 investigaron el impacto de Gr y la relación de aspecto en la difusión por convección dentro de la congelación. Los autores vieron que la velocidad de congelación dependía del calor y de los términos geométricos del mecanismo. Chen et al.50 investigaron el impacto de los medios porosos y las aletas dobles triangulares en la carga de un contenedor vertical. Vieron que la aplicación de aletas triangulares, incluida la zona porosa, reduce el período de fusión en aproximadamente un 98%. Los investigadores de 51 investigaron el procedimiento de carga de la cera de parafina como PCM dentro de recintos triangulares e informaron el impacto efectivo del ángulo del vértice en el proceso inestable. Mohamed et al.52 consultaron al RT44HC PCM para encontrar el resultado de diferentes cantidades de flujo térmico de la pared y vieron que aumentar la potencia de entrada disminuye el tiempo requerido en un 42,10 por ciento.

En varios artículos publicados se mencionó que mezclar el PCM base con nanopartículas puede mejorar el rendimiento. Entonces, para acelerar el proceso de descarga dentro del contenedor actual, se han utilizado nanopartículas con dos estilos. Se derivó el procedimiento de modelado con el supuesto de despreciar la velocidad y dichas ecuaciones se resolvieron mediante FEM. Para representar la eficacia de dos factores activos, se han informado contornos y gráficos y se ha obtenido el tiempo necesario para la solidificación en todos los casos. La validación de este enfoque numérico se realizó de acuerdo con el artículo anterior y se informó una buena adaptación.

En el presente estudio se han involucrado dos paredes curvas con formas onduladas y rectangulares, como se muestra en la Fig. 1. El agua se mezcló con dos formas de nanopartículas (CuO) y para incorporar el modelado se eligió la técnica de fase única53. Las paredes curvas son frías y también existen dos paredes adiabáticas. Los términos de velocidad asociados se han descartado en el modelo matemático debido a su baja eficacia en la congelación. Así, las ecuaciones relacionadas para el modelado son53:

Congelación de agua en presencia de nanopartículas a través de un recipiente especial.

Existen tres términos en la ecuación. (1) que debe calcularse como características del nanomaterial y la aproximación de la mezcla homogénea se ha utilizado para este propósito. En el estudio actual se utilizaron las siguientes fórmulas53:

En la ecuación. (6), existe un término de factor de forma para involucrar las diversas formas de nanopartículas en las simulaciones. Se incorporaron dos formas de cilindro (m = 4,8) y de pala (m = 8,6). El modelo transitorio necesita un método potente para modelar, especialmente debe combinarse con una cuadrícula adaptativa para aumentar la precisión del modelado. Sheikholeslami53 sugirió utilizar un enfoque basado en elementos finitos para modelar el proceso de congelación y utilizó varios enfoques numéricos para diseñar las unidades de almacenamiento térmico. En este trabajo se utilizó el mismo método con la participación del método Galerkin.

En el estudio actual se ha analizado el tanque que incluye el cilindro rectangular interior que se conecta al flujo de frío, así como la pared fría sinusoidal exterior, para detectar fenómenos de liberación de calor. El tanque se llenó con agua líquida mezclada con nanopartículas de CuO para eliminar la limitación de su baja conductividad inherente. Se utilizaron dos formas diferentes de partículas para detectar la eficacia de este factor en la tasa de solidificación. En la geometría analizada, existen dos paredes horizontales que son adiabáticas mientras que otra pared tiene una temperatura inferior a 273 K. Para obtener el modelo matemático, se ha considerado el hecho de que existe un pequeño valor de velocidad para el proceso de congelación. Así, las ecuaciones del modelo incluyen la ecuación de temperatura y la concentración de PCM sólido. En la ecuación de temperatura, los términos de advección se han despreciado y se ha involucrado una técnica implícita para el proceso de modelado. Además, para incluir los fenómenos de congelación, existe un término transitorio para representar la conversión de líquido a sólido. La eficacia del nanomaterial puede aparecer en el cálculo de las características de NEPCM que se realizó basándose en un modelo homogéneo. El modelado se realizó mediante el enfoque FEM y el estilo de la malla se cambió con el aumento del tiempo. La Figura 2 muestra la resolución de la cuadrícula en tres niveles de tiempo e indica que se ha aplicado una mayor cantidad de elementos en el espacio cerca del frente de hielo porque la magnitud del gradiente de temperatura es más fuerte que en otros lugares. Se analizó la publicación anterior con fines de validación53 y los resultados relacionados se demostraron en la Fig. 3, que demuestra una buena acomodación. Por lo tanto, se utilizó el mismo procedimiento de modelado para el problema actual y se aplicó un enfoque de fase única para modelar el tratamiento NEPCM.

Resolución de grillas en diferentes etapas del proceso.

Evaluación de la corrección de la simulación53.

En este trabajo, se aplicó la dispersión de nanopartículas como método principal para determinar la velocidad de congelación. No sólo se asumió como factor activo en el modelado el volumen de las partículas, sino también la configuración de los polvos. Debido a la baja velocidad de la fase líquida, el término principal de este fenómeno es el término de difusión térmica, que es el origen principal del modo de conducción. Las Figuras 4 y 5 ilustran el comportamiento transitorio de los escalares de este trabajo al aplicar varios niveles de factores activos. El tiempo de congelación para el caso del agua pura es de aproximadamente 44,71 s y la inclusión de nanopartículas con una concentración de 0,02 conduce a una reducción del tiempo de congelación hasta 40,1 s y 37,66 s para partículas con un factor de forma de 4,8 y 8,6, respectivamente. Además, si la concentración de partículas en forma de pala aumenta, el período disminuye de 37,66 a 31,37 s. El aumento del factor de forma puede aumentar la tasa de congelación y su cantidad para ϕ = 0,04 es un 4,5% superior a la de ϕ = 0,02. Con la intensificación de ϕ, la velocidad del proceso aumenta y el valor relacionado para la forma de la hoja es un 4% mayor que el de m = 4,8.

Impacto de la configuración de nanopolvos en fenómenos transitorios.

Roles de ϕ en fenómenos transitorios.

El aumento de ϕ puede cambiar el movimiento del frente de hielo como se muestra en la Fig. 6 y los valores promedio de las funciones se pueden calcular en cada etapa de tiempo y los datos relacionados se informaron en la Fig. 7. La tendencia a reducir la temperatura y la energía con el progreso del tiempo se debe a la reducción de PCM líquido y se puede observar una mayor reducción si aumenta la concentración de nanomaterial. La fracción sólida mejora con el paso del tiempo y la adición de nanopartículas hace que la magnitud de este escalar aumente. La comparación de las formas cilíndricas y de cuchilla de las nanopartículas en vista del frente de hielo y el valor medio de los escalares se muestra en las Figs. 8 y 9. Cuando todos los dominios se convierten en sólidos, la magnitud de SF se extiende a la unidad y se puede informar el nivel mínimo de temperatura. Tanto el calor sensible como el latente disminuyen con el tiempo, por lo que la energía de la unidad se reduce. Las cantidades de energía para las partículas con forma de cuchilla son menores que las del otro estilo de partículas debido a la menor temperatura. El factor importante al diseñar la unidad para el proceso de descarga es el período de tiempo y los datos asociados se muestran en la Fig. 10. Con el aumento de la concentración de nanopolvos con cuchillas y formas cilíndricas, el tiempo necesario disminuye alrededor de 12,54% y 16,69%. respectivamente. La adición de nanopolvos puede aumentar la tasa de congelación entre un 15,75% y un 29,81%. Además, con el cambio de estilo de las partículas de forma cilíndrica a forma de pala, el tiempo requerido disminuye alrededor de un 6,07% y un 10,53% cuando ϕ = 0,02 y 0,04, respectivamente.

El papel de ϕ en el movimiento del frente de hielo.

Progreso del cambio temporal de parámetros con posterioridad de ϕ.

Papel de m en el movimiento del frente de hielo.

Progreso del cambio de tiempo de parámetros con posterioridad de m.

Cambio de factores y período computado del proceso.

La inclusión de nanopolvos con dos formas diferentes se ha considerado una técnica pasiva para aumentar la velocidad de los fenómenos de cambio de fase. El recipiente tiene paredes rectangulares y sinusoidales conectadas a flujos fríos y su temperatura se ha considerado inferior a 273 K. Para encontrar las nuevas propiedades del agua después de dispersar nanopartículas, se ha aplicado el supuesto de mezcla homogénea. Con la aparición de nanopartículas, la penetración en la región fría aumenta debido a un mayor modo de conducción. Se aplicó la técnica FEM que implica el estilo de cuadrícula dependiente del tiempo que ayuda a modelar la región del frente de hielo con más cuidado. Para verificar el procedimiento de modelado, se validó el artículo anterior y los resultados mostraron la buena concordancia. Para calcular la conductividad del material producido, se aplicó la influencia de la forma de los nanopolvos y este factor tiene un impacto significativo en la congelación. Los factores activos del estudio actual son la concentración y la forma de las nanopartículas y se han utilizado dos niveles para alcanzarlas. El aumento de la concentración hace que la conducción aumente y la penetración del flujo frío aumente lo que acelera la solidificación. La temperatura de la zona se reduce con el aumento del tiempo y al involucrar una mayor concentración de nanopartículas se ofrece una temperatura más baja. Además, el tiempo necesario puede disminuir con el aumento de ϕ. En este trabajo se incorporaron las formas cilíndrica y de cuchilla y la forma de la cuchilla tiene mayor conductividad, lo que ofrece un menor tiempo para la solidificación completa. Además, esta forma tiene un menor nivel de energía debido a la menor temperatura del dominio. Con el aumento de ϕ con estilos de partículas cilíndricos y de cuchilla, el tiempo requerido disminuye alrededor de 12,54% y 16,69%. El tiempo de congelación disminuye alrededor de un 15,75 % y un 29,81 % al agregar nanopartículas, dependiendo del estilo de los polvos. Además, con el cambio de estilo de las partículas, desde la forma del cilindro hasta la de la pala, el tiempo necesario disminuye en un 6,07% y un 10,53% en ϕ = 0,02 y 0,04. El tiempo de solidificación para el caso del agua pura es de aproximadamente 44,71 s y al agregar nanopartículas en forma de cuchilla, el tiempo necesario alcanza los 31,37 s.

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Departamento de Matemáticas, Facultad de Ciencias, Universidad de Jazan, Nuevo Campus, Post Box 2097, Jazan, Reino de Arabia Saudita

Adel Almarashi

Departamento de Matemáticas, Facultad de Ciencias y Estudios Humanitarios Al-Aflaj, Universidad Príncipe Sattam Bin Abdulaziz, Al-Aflaj, 710-11912, Reino de Arabia Saudita

Amira M. Hussain

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Yazd, Yazd, Irán

M. Mirparizi

Centro multidisciplinario de ingeniería de infraestructura, Universidad Tecnológica de Shenyang, Shenyang, 110870, China

M. Mirparizi y Chunwei Zhang

Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Taif, PO Box 11099, Taif, 21944, Reino de Arabia Saudita

Hosam A. Saad

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AA y AMH supervisaron y examinaron la verificación y MM modelaron y simularon el problema. CZ escribió el manuscrito revisado y HA editado la versión gramaticalmente.

Correspondencia a Amira M. Hussin o M. Mirparizi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Almarashi, A., Hussin, AM, Mirparizi, M. et al. Influencia de las nanopartículas en la congelación dentro de un recipiente equipado con aletas. Informe científico 12, 14792 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18714-7

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Recibido: 30 de diciembre de 2021

Aceptado: 18 de agosto de 2022

Publicado: 30 de agosto de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18714-7

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