Experiments and Models of Carbon Black-based Nanofluids for Photothermal and Electrical Applications

Abstract

Nanofluid er en type væske som inneholder spredte nanopartikler, som kan forbedre deres termiske og elektriske egenskaper sammenlignet med basevæsker. Dette har ført til omfattende bruksområder, som for eksempel solenergilagring. En type anvendelse av nanofluid er i direct absorption solar collectors (DASCs), der de brukes som arbeidsvæsker for å konvertere solenergi til termisk energi. I tillegg gjør deres forbedrede elektriske egenskaper dem egnet for bruk i kjølesystemer for elektriske enheter, som dielektriske materialer, i fotovoltaiske systemer, etc. Videre har nanofluid potensiale for bruk i hydrogenproduksjon via vannelektrolyse, som kan lagre solenergi som hydrogen. Grunnet dette kan det være verdifullt å undersøke ytelsen til nanofluid i ulike energiindustriapplikasjoner. Egenskapene til nanofluid påvirkes av ulike faktorer, som materialet til nanopartikler, deres størrelse og form og konsentrasjonen. Det er derfor avgjørende å måle deres optiske, elektrokjemiske og termiske egenskaper, inkludert utryddelseskoeffisient, zetapotensial og elektrisk ledningsevne. I denne studien ble en rektangulær DASC med interne baffler og rektangulære rør med tverrsnitt designet og testet. Karbon sot (CB) nanofluid ble brukt som arbeidsvæske, og en halogenlampe ble brukt til å simulere konsentrert solstråling. De fototermiske egenskapene og forbedringene av systemet ble evaluert ved å overvåke temperaturen til arbeidsvæskene ved innløpet og utløpet, samt effektiviteten til DASC. For å studere oppførselen til nanopartikler og andre viktige parametere som er vanskelige å observere under eksperimenter, for eksempel distribusjonen av temperatur og hastighetsvektorer til arbeidsvæsker, utviklet denne avhandlingen en numerisk modell for å analysere strømningsmønsteret og distribusjonen av CB-nanopartikler i DASCs ved hjelp av en volumetrisk varmeoverføringsmodell basert på Beer-Lamberts lov. Utryddelseskoeffisienten til CB-nanofluider, som ble bestemt ved å måle reduksjonen i varmefluks når lys passerte gjennom nanofluidene, var en viktig parameter i modellen. Simuleringsresultatene kan brukes til å analysere oppførselen og avleiringen av nanopartikler, samt varmeoverføring og strømningskarakteristikker av nanofluider på mikronivå. Den elektrokjemiske ytelsen til CB-nanofluider ble evaluert gjennom en eksperimentell elektrolyse av nanofluidelektrolytter. Hydrogenproduksjonsraten fra vannsplittelsesreaksjonen og effektiviteten av elektrolysen er viktige indikatorer for å bestemme forbedringen av nanofluidelektrolytter. I denne studien ble to typer nanofluidelektrolytter, natriumsulfat og natriumhydroksid, testet. En semi-empirisk korrelasjon basert på Faradays elektrolyselov og Maxwells modell for elektrisk ledningsevne ble utviklet for å evaluere effekten av CB-nanofluider. Noen forenklinger ble gjort med hensyn til konsentrasjonen av nanofluider, slik at de kunne evalueres ved hjelp av eksperimentelle resultater. Denne korrelasjonen kan brukes til å vurdere den totale hydrogenproduksjonen for alkaliske nanofluidelektrolytter ved lave konsentrasjoner. I tillegg til de nevnte studiene, ble stabilitetstester utført for å evaluere stabiliteten til forskjellige typer og konsentrasjoner av CB-nanofluider. Faktorene som bidrar til destabilisering av nanofluider ble også diskutert i denne studien.

Nanofluids are a type of fluid that contains dispersed nanoparticles, which can enhance their thermal and electrical properties compared to base fluids. This has led to their widespread use in applications such as solar energy storage. One specific application of nanofluids is in direct absorption solar collectors (DASCs), where they are used as working fluids to convert solar energy into thermal energy. Additionally, their enhanced electrical properties make them suitable for use in cooling systems for electrical devices, as dielectric materials, in photovoltaic systems, etc. Furthermore, nanofluids have the potential for use in hydrogen production via water electrolysis, which can store solar energy as hydrogen. Therefore, investigating the performance of nanofluids in various energy industry applications can be valuable. The properties of nanofluids are influenced by various factors, such as the material of nanoparticles, their size and shape, and their concentration. Therefore, it is crucial to measure their optical, electrochemical, and thermal properties, including the extinction coefficient, zeta potential, and electrical conductivity. In this study, a rectangular DASC with internal baffles and rectangular cross-section pipes was designed and tested. Carbon black (CB) nanofluids were utilized as working fluids, and a halogen lamp was used to simulate the concentrated solar radiation. The photothermal properties and enhancements of the system were evaluated by monitoring the temperature of the working fluids at the inlet and outlet, as well as the DASC's efficiency. To study the behavior of nanoparticles and other important parameters that are difficult to observe during experiments, such as the distribution of temperature and velocity vectors of working fluids, this thesis developed a numerical model for analyzing the flow pattern and distribution of CB nanoparticles in DASCs using a volumetric heat transfer model based on Beer-Lambert's law. The extinction coefficient of CB nanofluids, which was determined by measuring the reduction in heat flux when light passed through the nanofluids, was an important parameter in the model. The simulation results can be used to analyze the behavior and deposition of nanoparticles, as well as the heat transfer and flow characteristics of nanofluids at a micro level. The electrochemical performance of CB nanofluids was evaluated through an experiment on electrolyte nanofluids electrolysis. The hydrogen production rate of the water split reaction and the efficiency of electrolysis are important indicators to determine the enhancement of the electrolyte nanofluids. In this study, two types of electrolyte nanofluids, sodium sulfate and sodium hydroxide, were tested. A semi-empirical correlation based on Faraday’s law of electrolysis and the Maxwell model of electrical conductivity was developed to evaluate the effect of CB nanofluids. Some simplifications were made regarding the concentration of nanofluids, making it possible to evaluate them using experimental results. This correlation can be used to assess the total hydrogen production for alkaline electrolyte nanofluids at low concentrations. In addition to the aforementioned studies, stability tests were conducted to evaluate the stability of different types and concentrations of CB nanofluids. The factors that contribute to the destabilization of nanofluids were also discussed in this study.