Gli effetti delle nanoparticelle della miscela CuO/CeO2 sulle prestazioni di un sistema di refrigerazione a compressione di vapore

Oct 16, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 8889 (2022) Citare questo articolo

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Questo studio è stato costruito sulla base dei risultati sperimentali di un semplice sistema di refrigerazione che utilizza R134a come refrigerante. Sulla base delle dimensioni reali del sistema e dei risultati sperimentali, è stato utilizzato il software Ansys fluente per simulare il sistema e prepararlo a introdurre teoricamente le nanoparticelle. Poiché il processo di preparazione delle nanoparticelle è costoso, questa ricerca presenta un metodo semplice, facile ed economico per il processo di preparazione basato su acqua distillata, ammoniaca, nitrato di rame e nitrato di cerio per sintetizzare sette tipi di nanoparticelle come un singolo ossido e come un miscela di due diversi ossidi. I risultati della preparazione mediante diffrazione di raggi X e microscopia elettronica a scansione hanno confermato che le particelle erano di forma sferica, con diametri medi adeguati compresi tra 78,95 nm, 79,9 nm, 44,15 nm e 63,3 nm per l'ossido di rame, l'ossido di cerio , rispettivamente la prima miscela e la seconda miscela. Lo studio teorico ha confermato che sia l'ossido di rame, sia l'ossido di cerio, sia la miscela composta da entrambi hanno migliorato le prestazioni del sistema di refrigerazione e ridotto il consumo energetico. Inoltre utilizzando le equazioni numeriche disponibili in letteratura per calcolare le proprietà termofisiche si è dimostrato un miglioramento di tali proprietà con un aumento della concentrazione di nanoparticelle quando miscelate con R134a.

La maggior parte degli studi attuali si concentra sul miglioramento delle prestazioni dei sistemi di refrigerazione e dei condizionatori d’aria, poiché sono tra i settori che consumano più energia. Per migliorare le proprietà termiche del fluido di lavoro, particelle molto piccole, di dimensioni variabili da millimetri a micrometri, vengono disperse all'interno del fluido di base, realizzato da Maxwell nel 1873, ma questo tentativo dovette affrontare molti problemi, tra cui stabilità, intasamento e erosione. Alla fine del XX secolo. Choi ha presentato il fluido di lavoro in un nuovo concetto, in cui le nanoparticelle sono disperse all'interno del fluido primario per migliorarne le proprietà termiche1,2. Il nanofluido è classificato come segue (i) mono-nanofluidi costituiti da nanoparticelle simili, (ii) nanofluidi ibridi costituiti da nanoparticelle dissimili; e (iii) nanofluidi ibridi costituiti da nanoparticelle composite1. Per ottenere le migliori proprietà di trasferimento del calore tra i fluidi e le nanoparticelle, è necessario fornire quanto segue (i) disperdibilità delle nanoparticelle (ii) stabilità delle nanoparticelle (iii) compatibilità chimica delle nanoparticelle e (iv) stabilità termica dei nanofluidi3. Recentemente, il concetto di nanofluidi è stato sviluppato per includere refrigeranti come nanorefrigeranti e oli lubrificanti come nanolubrificanti, dove il metodo di preparazione è limitato all'utilizzo di un metodo a una fase e di un metodo a due fasi. Nella due fasi le nanoparticelle vengono prodotte come polvere e quindi inserite nel fluido di base, seguite da diversi tipi di metodi di dispersione come l'agitazione tramite forza ultrasonica o magnetica, omogeneizzazione e miscelazione ad alto taglio per disperdere le nanoparticelle all'interno di una miscela . Un metodo in un'unica fase si basa sulla condensazione di polveri in nanofase di vapore in un liquido riducendo la pressione e quindi sciogliendole immediatamente all'interno del liquido4,5.

In questa sezione verranno presentati gli studi e i risultati più recenti che includono l'aggiunta di nanoparticelle ai sistemi di refrigerazione, nonché l'effetto delle nanoparticelle sul miglioramento delle proprietà termofisiche del fluido di lavoro.

Vijayakumar et al.6 hanno studiato l'effetto dei nanolubrificanti sulle prestazioni dei frigoriferi a base di biossido di alluminio miscelato con olio poliolestere e come refrigerante sono stati caricati 60 g di R602a. I risultati hanno indicato che i miglioramenti sia nella capacità di raffreddamento che nel COP sono stati rispettivamente del 6,09% e del 20,09%, mentre la riduzione dell'energia consumata è stata del 15,78%. Choi et al.7 hanno studiato l'effetto dei nanolubrificanti sulle prestazioni dei frigoriferi basandosi sullo 0,1% in peso di MWCNT disperso nell'olio poliolestere e utilizzando R134a come refrigerante. I risultati hanno indicato che il consumo energetico è stato ridotto del 17%. Senthilkumar et al.8 hanno studiato l'effetto dei nanolubrificanti sulle prestazioni dei frigoriferi basati su nanoparticelle ibride Al2O3 e SiO2 e come refrigerante sono stati utilizzati 60 g di R600a. I risultati hanno mostrato che i miglioramenti sia nel COP che nella capacità di raffreddamento sono stati rispettivamente del 30 e 25%, mentre la potenza consumata è stata ridotta di 80 W. Senthilkumar et al.9 hanno studiato l'effetto dei nanolubrificanti sulle prestazioni di un sistema di refrigerazione a compressione di vapore basato su CuO e SiO2 e come refrigeranti sono stati utilizzati 40 e 60 g di R600a. I risultati hanno mostrato che sia il COP che la capacità di raffreddamento sono migliorati rispettivamente del 35% e del 18%, mentre la riduzione della potenza consumata è stata di 75 W. Senthilkumar et al.10 hanno studiato l'effetto dei nanolubrificanti sulle prestazioni del sistema di refrigerazione basato su 0, 0,2, 0,4 e 0,6 g/L di SiO2 aggiunti all'olio di poliestere e R410A sono stati caricati come refrigeranti. I risultati hanno mostrato che 0,4 g/L di SiO2 raggiungono la migliore capacità di raffreddamento, riducono la potenza consumata di 80 W e migliorano il COP di 1,7. Senthilkumar et al.11 hanno studiato l'effetto dei nanolubrificanti sulle prestazioni del sistema di refrigerazione basato su nanoparticelle ibride ZnO/SiO2 da 0,4 g/L e 0,6 g/L e come refrigerante è stato utilizzato R600a. I risultati hanno mostrato che 0,6 g/L di ZnO/SiO2 hanno raggiunto un'elevata capacità di raffreddamento di 180 W e hanno migliorato il COP di 1,7, mentre la minore potenza consumata è stata di 78 W. Senthilkumar et al.12 hanno studiato l'effetto dei nanolubrificanti sulle prestazioni di come refrigerante è stato caricato il sistema di refrigerazione basato su 0,2, 0,4 e 0,6 g/L di nanoparticelle ibride CuO/Al2O3 e 70 g di R600a. I risultati hanno indicato che l’aggiunta di CuO/Al2O3 ha migliorato sia il COP che la capacità di raffreddamento rispettivamente del 27% e del 20%, mentre la riduzione dell’energia consumata è stata del 24%. Javadi et al.13 hanno studiato l'effetto dei nanolubrificanti sulle prestazioni dei frigoriferi basati sullo 0,1% in peso di Al2O3. I risultati hanno mostrato che lo 0,1% in peso di Al2O3 ha ridotto la potenza consumata del 2,69%. Gill et al.14 hanno studiato l'effetto dei nanolubrificanti sulle prestazioni di un frigorifero domestico a base di 0,2, 0,4 e 0,6 g/L di TiO2 miscelato con olio (Capella D) come alternativa all'R134a e gas di petrolio liquefatto caricato come refrigerante . I risultati hanno mostrato che la capacità di raffreddamento e il COP erano superiori a quelli dell’R134a rispettivamente del 18,74–32,72 e del 10,15–61,49%. Inoltre, la potenza consumata era inferiore a quella dell’R134a di circa 3,20–18,1. Karthick et al.15 hanno studiato l'effetto dei nanolubrificanti sulle prestazioni di un sistema di refrigerazione sulla base dei seguenti campioni: campione 1 (olio minerale + 0,02 vol% Al2O3 + 0,01 vol% TiO2), campione 2 (olio minerale + 0,01 vol% Al2O3 + 0,005 vol% TiO2), campione 3 (olio minerale + 0,05 vol% Al2O3) e campione 4 (olio minerale + 0,02 vol% Al2O3 + 0,02 vol% ZnO). Come refrigerante è stato utilizzato l'R600a. I risultati hanno mostrato che il COP è aumentato del 14,61%. Tutti i nanolubrificanti hanno la capacità di migliorare il COP e di risparmiare sul consumo energetico. Adelekan et al.16 hanno studiato l'effetto dei nanolubrificanti sulle prestazioni di un frigorifero domestico a base di 0,2 g/L, 0,4 g/L e 0,6 g/L di TiO2 e il gas di petrolio liquefatto è stato utilizzato come refrigerante. I risultati hanno indicato che i nanolubrificanti hanno ottenuto una riduzione del consumo energetico rispettivamente del 14%, 9% e 8%. Subhedar et al.17 hanno studiato l'effetto dei nanolubrificanti sulle prestazioni del sistema di refrigerazione sulla base dell'aggiunta di 0,05 vol%, 0,075 vol%, 0,1 vol% e 0,2 vol% di Al2O3 all'olio minerale e R134a è stato utilizzato come refrigerante. I risultati hanno mostrato che lo 0,075 vol% ha consentito di ottenere il miglior miglioramento del COP pari a circa l'85% e di risparmiare circa il 27% sulla potenza del compressore. Inoltre, è stato segnalato che 0,075 vol% è la migliore concentrazione del sistema di refrigerazione. Babarinde et al.18 hanno studiato l'effetto dei nanolubrificanti sulle prestazioni di un frigorifero a base di 0,4 e 0,6 g/L di TiO2 aggiunti all'olio minerale e l'R600a è stato caricato come refrigerante in alternativa all'R134a. I risultati hanno mostrato che 0,4 g/L di TiO2 raggiungevano il valore massimo di COP e il valore minimo di consumo energetico. Selimefendigil e Bingölbalı19 hanno studiato l'effetto dei nanolubrificanti sulle prestazioni di un sistema di refrigerazione a compressione di vapore basato su 0,5 vol%, 0,8 vol% e 1% di TiO2 aggiunti al polietilenglicole e R134a è stato caricato come refrigerante. I risultati hanno mostrato che 0,5 vol%, 0,8 vol% e 1 vol% hanno ottenuto miglioramenti nel COP rispettivamente di circa 1,43%, 15,72% e 21,42%; 1 vol% ha risparmiato il consumo di energia del 15%. Sundararaj e Manivannan20 hanno studiato l'effetto dei nanolubrificanti sulle prestazioni di un sistema di refrigerazione a compressione di vapore basato su 0,1 vol% Au, 0,2 vol% Au, 0,1 vol% HAuCl4, 0,2 vol% HAuCl4, 0,1 vol% Au e 0,05 vol% CNT, 0,2 vol% Au e 0,02 vol% di CNT mescolati con olio di polietilenglicole e R134a è stato caricato come refrigerante. I risultati hanno mostrato che 0,2% in volume di Au e 0,02% in volume di CNT hanno ottenuto il consumo energetico più basso rispetto ad altre composizioni, la capacità di raffreddamento più elevata e il miglior valore di COP. Peyyala et al.21 hanno studiato l'effetto dei nanolubrificanti sulle prestazioni di un sistema di refrigerazione a compressione di vapore basato su una miscela di Al2O3 dallo 0,1% allo 0,2% in volume con olio minerale e R410a caricato come refrigerante. I risultati hanno mostrato che i valori di COP aumentano con l’aumentare delle concentrazioni di nanoparticelle. Babarinde et al.22 hanno studiato l'effetto dei nanolubrificanti sulle prestazioni di un sistema di refrigerazione a compressione di vapore basato su 0,2, 0,4 e 0,6 g/L di grafene miscelato con olio minerale e R600a è stato caricato come refrigerante. I risultati hanno mostrato che i nanolubrificanti hanno mostrato il consumo energetico più basso e il COP più alto. Adelekan et al.23 hanno studiato l'effetto dei nanolubrificanti sulle prestazioni di un frigorifero domestico utilizzando 0,1 g/L, 0,3 g/L e 0,5 g/L di TiO2, miscelati con olio minerale e R600a caricato come refrigerante. I risultati hanno indicato che i nanolubrificanti presentavano valori massimi di COP e capacità di raffreddamento rispettivamente di 4,99 e 290,83 kJ/kg. Ajayi et al.24 hanno studiato l'effetto dei nanolubrificanti sulle prestazioni di un sistema di refrigerazione a compressione di vapore basato su 0,5 g/l di Al2O3 aggiunti all'olio (Capella D) e 100 g di R134a caricati come refrigerante. I risultati hanno indicato che il nanolubrificante ha ottenuto miglioramenti sia nella capacità di raffreddamento che nel COP e ha consentito di risparmiare sul consumo energetico. Senthilkumar e Anderson25 hanno studiato l'effetto dei nanolubrificanti sulle prestazioni di un sistema di refrigerazione a compressione di vapore, basato su 0,2 g/L, 0,4 g/L e 0,6 g/L SiO2, miscelato con olio poliolestere e R410A caricato come refrigerante. I risultati hanno mostrato che 0,4 g/L di SiO2 hanno migliorato sia la capacità di raffreddamento che il COP e hanno consentito di risparmiare sul consumo energetico. Senthilkumar et al.26 hanno studiato l'effetto dei nanolubrificanti sulle prestazioni di un sistema di refrigerazione a compressione di vapore basato su 0,4 g/L e 0,6 g/L Al2O3/SiO2, e 40 e 60 g di R600a sono stati utilizzati come refrigeranti. I risultati hanno mostrato che 0,6 g/L e 60 g di R600a hanno raggiunto la massima capacità di raffreddamento, il COP massimo e il lavoro minimo del compressore.