AFDASC

PN-III-P4-ID-PCE-2020-0353

Numar contract: ID 241/2021

Autoritatea Contractantă:  Unitatea Executiva pentru Finantarea Invatamantului Superior a Cercetarii, Dezvoltarii si Inovarii (UEFISCDI)

Denumirea Programului: Proiecte de Cercetare Exploratorie

Contractor:: Universitatea Transilvania din Brasov, Romania - Prof.dr.habil.ing. Gabriela HUMINIC

Durata contractului: 36 luni: 01.04.2021 - 31.03.2024

Rezumat:

Nanofluidele hibride (HNFs) sunt o nouă metodă de îmbunătătire a transferului de căldură convectiv. Acestea sunt fluide de lucru realizate prin adăugarea de nanoparticule complexe sau prin amestecarea a două sau mai multor particule solide diferite in fluidul de bază (apa, etilen glicol, ulei).

Una dintre aplicațiile deosebit de utile ale nanofluidelor hibride este utilizarea acestora în colectoarele solare cu absorbție direct (DASC), unde razele solare sunt absorbite direct de nanofluid. Având în vedere faptul că majoritatea fluidelor de lucru conventionale (de exemplu, apă și etilenglicol) au coeficienți de absorbție scăzuți, rezultă că adăugarea de nanoparticule în fluidele conventionale are ca efect atât îmbunătățirea proprietăților optice, cât şi a eficienței colectorelor solare.

Datorită proprietăților lor termice şi optice îmbunătățite, HNFs pot fi utilizate în diferite aplicații de energie solară, constituind o soluție atractivă pentru îmbunătățirea eficienței termice generale.

Obiective

Obiectivul proiectului constă în dezvoltarea de noi nanofluide hibride solare ca fluide de lucru (sinteză, caracterizare și preparare) cu performanțe termice și optice îmbunătățite pentru a maximiza absorbția energiei solare și, de asemenea, pentru a spori eficiența solară prin absorbția direct a luminii soarelui. În acest fel, eficiența generală a DASC este îmbunătățită considerabil, economisând costuri și promovând utilizarea surselor regenerabile.

O1. Dezvoltarea de noi nanofluide hibride (HNFs) cu compoziții optimizate (tipuri de particule, concentraţii, dimensiune și distribuție) și cu proprietăți termofizice și optice adecvate.

O2. Dezvoltarea tehnicilor experimentale pentru caracterizarea proprietăților termofizice (conductivitate termică, vâscozitate, densitate, tensiune superficială) și stabilitate.

O3. Modelare analitică și investigare experimentală a proprietăților optice a HNfs.

O4. Studii experimentale privind eficiența conversiei fototermice a HNfs.

O5. Studiul caracteristicilor de performanță ale unui colector solar cu absorbție directă de tip rezidențial folosind HNfs.

Membrii echipei:

Director: Prof. dr. habil. ing. Gabriela HUMINIC https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=24491895600

Membri:

Prof. dr. habil. ing. Angel HUMINIC  https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=24492157400

Dr. fiz. Florian DUMITRACHE https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=8299140500

Dr. chim. Claudiu FLEACĂ https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=7801361494

Ing. Alexandru VĂRDARU https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57359326500

Ing. Anda DUDĂU

Prezentarea activităților realizate în perioada de implementare (aprilie 2021-martie 2024)

Colectorii solari convenționali constau dintr-o placă absorbantă care primește radiație și transferă energia termică către fluidul de lucru. Eficienţa colectorilor solari este însă limitată de pierderile de căldură prin convecţie şi radiaţie, dar şi de proprietăţile termofizice şi optice ale fluidului de lucru reduse. Colectorii solari cu absorbție directă (DASC) elimină toate aceste probleme, deoarece în acest caz fluidul de lucru absoarbe direct radiațiile solare și astfel reduc pierderile. Cu toate acestea, capacitatea de absorbție a fluidelor de bază utilizate în cea mai mare parte, cum ar fi apa sau etilen glicolii, este foarte scăzută în spectrul vizibil (400-700 nm). Pentru a îmbunătăţi performanţa colectoarelor solare, în fluidele de bază sunt introduse particule solide cu dimensiuni nanometrice, care îmbunătăţeşte astfel absorbția radiațiilor solare în întregul spectru solar. Scopul proiectului este de a dezvolta noi fluide de lucru cu proprietăţi termo-fizice şi optice îmbunătăţite pentru a fi utilizate în colectoare solare cu absorţie direct (DASC) în vederea îmbunătăţirii performanţelor acestora. În cadrul primei etape a proiectului au fost realizate studii parametrice pentru a optimiza procesul de sinteză de NPs (oxid de fier, compozit miez pe baza de fier şi invelis carbonic, dioxid de titan uşor nestoichiometric) prin piroliza laser relativ la proprietăţile acestora morfo-structurale, a controlului stoichiometric şi a proprietăţior magnetice (NPs pe baza de fier). Au fost preparate suspensii diluate de NPs de Ag cu rGO (oxid redus de grafene), precum şi suspensii mai concentrate de NPs de Ag (prin reducere cu NaBH₄ în prezenţa de CMCNa) ȋn care au fost dispersate fiecare din cele 3 tipuri de NPs sintetizate prin piroliza laser. A fost implementat un procedeu de preparare de astfel de suspensii apoase sau mixt apoase-etilen glicol stabilizate cu CMCNa pe baza acestor tipuri de NPs la diverse concentrații. Au fost realizate analize EDS, SEM, TEM şi XPS pentru nanostructurile stabilizate şi măsurători DLS ale nanofluidelor hibride. Noile suspensii hibride de NPs de Ag cu rGO, Fe₂O₃, Fe@C şi TiO_2-x în apă, precum şi în amestec de apă-etilen glycol au fost caracterizate din punct de vedere termofizic. Proprietățile termofizice, în special conductivitatea termică, are un rol semnificativ în determinarea performanței generale a nanofluidelor ca fluide de lucru în colectoare solare. Astfel, au fost realizate studii experimentale pentru conductivitatea termică şi vâscozitatea dinamică a noilor nanofluide hibride la diferite concentraţii masice de nanoparticule şi temperaturi. În final pentru fiecare tip de suspensie au fost propuse corelaţii proprietăţi-parametri (conductivitate termică – temperatură – concentraţie de nanoparticule şi vâscozitate dinamică – temperatură – concentraţie de nanoparticule). În etapa a doua a proiectului au fost realizate studii experimentale privind proprietăţile fizice (tensiune superficială şi densitate) şi optice (transmitanţa, absorbanţa şi coeficientul de extincţie) ale suspensilor hibride de NPs de Ag cu rGO, Fe₂O₃, Fe@C şi TiO_2-x în apă, precum şi în amestec de apă-etilen glycol, la diferite concentraţii masice de nanoparticule şi temperaturi. Pentru fiecare tip de suspensie au fost propuse corelaţii proprietăţi-parametri (tensiune superficială-concentraţie-temperatură, densitate-concentraţie-temperatură). De asemenea, au fost studiate efectele drumului optic şi ale concentraţiei de nanoparticule asupra transmitanţei şi absorbanţei fluidelor de bază şi ale nanofluidelor hibride. Legea lui Beer-Lambert a fost utilizată pentru a evalua analitic coeficientul de extincţie al nanofluidelor cu diferite concentraţii masice de particule. Cu ajutorul unui simulator solar a fost determinată performanţa nanofluidelor hibride pentru a fi utilizate într-un sistem DASC. Rezultatele au indicat că nanofluidele propuse pentru studiu pot fi folosite în colectoarele solare cu absorbție directă pe o perioadă scurtă de timp de iradiere solară și la o intensitate scăzută de iluminare. În etapa a treia a proiectului au fost proiectate şi realizate două colectoare solare cu absorbţie direct din sticlă laminată şi de asemenea a fost realizată instalaţia de testare a acestora. Colectoarele solare au fost testate cu amestec de apă-etilen glicol (1:1) şi cu nanoparticule de Ag şi rGO dispersate în apă-etilen glicol cu o concentraţie masică de 0.1%. Testarea celor două prototipuri a fost efectuată în paralel la diferite debite 0.5, 0.8, 1.0 și 1.5 l/min şi temperaturi de intrare, 20  şi 30 , în perioada august-octombrie, conform standardului EN-12975-2. Suspensia preparată (5 litri) de AgNPs+rGO s-a dovedit a fi foarte stabilă în timp fără niciun semn de sedimentare sau aglomerare sub expunere repetată la Soare. Rezultatele studiului arată o nouă clasă de fluide de lucru care poate fi utilizată pentru a obține o eficiență de conversie termică ridicată, care sunt mai stabile și care pot genera economii importante de energie. În etapa a patra a proiectului a fost stabilită o corelaţie pentru numărul Nusselt mediu, valabilă atât pentru colectorul solar cu apă şi etilen glicol, cât şi pentru cel care utilizează ca fluid de lucru nanoparticule de Ag şi oxid de grafenă redus (Ag NPs+rGO) dispersate în amestecul de apă şi etilen glycol, care ia în considerare raportul Dh/L şi unghiul de înclinare ( ) al colectorului solar în raport cu orizontala.

Colectoarele solare proiectate, construite şi testate în cadrul acestui proiect constituie o nouă tehnologie de conversie a energiei solare în energie termică. Rezultatele obţinute indică o nouă clasă de fluide de lucru care poate fi utilizată pentru a obține o eficiență de conversie termică ridicată, care sunt stabile și care pot genera economii importante de energie.

Diseminarea rezultatelor:

2021:  Articole publicate in reviste cotate ISI:

1. Huminic A., Huminic G., Fleaca C., Dumitrache F., Morjan I.,  Influence of solid surface, temperature and concentration on contact angle of water-FeC nanofluid, International Communications in Heat and Mass Transfer, 2021, 128, 105650, FI: 5.683 (Q1).

2. Huminic G., Huminic A., Thermophysical properties of NH₃/IL+ carbon nanomaterial solutions, Nanomaterials, 2021, 11(10), 2612, FI: 5.076 (Q1).

2022: 

Articole publicate in reviste cotate ISI:

1. Vărdaru, A., Huminic, G., Huminic, A., Fleaca, C., Dumitrache, F., Morjan, I., Synthesis, Characterization and thermal conductivity of water based graphene oxide–silicon hybrid nanofluids: An experimental approach, Alexandria Engineering Journal, 2022, 61(12), 12111–12122, FI: 6.626 (Q1).

2. Huminic, G., Huminic, A., Heat and mass transfer characteristics of the NH3/IL + GNPs solution, Journal of Molecular Liquids, 2022, 348, 118073, FI: 6.633 (Q1).

3. Chereches, M., Vărdaru, A., Huminic, G., Chereches, E.I., Minea, A.A., Huminic, A. Thermal conductivity of stabilized PEG 400 based nanofluids: An experimental approach, International Communications in Heat and Mass Transfer, 2022, 130, 105798, FI: 6.782 (Q1).

4. Huminic, G., Vărdaru, A., Huminic, A., Fleaca, C., Dumitrache, F., Morjan, I., Water-Based Graphene Oxide–Silicon Hybrid Nanofluids—Experimental and Theoretical Approach International Journal of Molecular Sciences, 2022, 23(6), 3056, FI: 6.208 (Q1).
 

Lucrări publicate la conferinte internationale indexate în WEB OF SCIENCE:

Vărdaru, A., Huminic, G., Huminic, A., Thermal conductivity of Ag-rGO/water hybrid nanofluids: An experimental approach, ACME 2022, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 1262 (2022) 012086.

 Capitole de cărti:

1. Huminic, G., Huminic, A., Minea, A.A., Heat and mass transfer characteristics of magnetic nanofluids, capitol in “Nanofluids and Mass Transfer”, 2022, pp. 133–187, Elsevier, ISBN 978-012823996-4, doi: 10.1016/B978-0-12-823996-4.00006-9

2. Minea, A.A., Huminic, A., Huminic, G., Conjugate heat and mass transfer in nanofluids, capitol in “Nanofluids and Mass Transfer”, 2022, pp. 189–215, Elsevier, ISBN 978-012823996-4, doi: 10.1016/B978-0-12-823996-4.00005-7.

2023: 

Articole publicate in reviste cotate ISI:

1.      Huminic, G., Huminic, A., Vărdaru, A., Fleaca, C., Dumitrache, F., Morjan, I., Surface tension of Ag NPs-rGO based hybrid nanofluids, Journal of Molecular Liquids 390 (2023) 123002, FI: 6.0.

 2.  Vărdaru, A., Huminic, G., Huminic, A., Fleaca, C., Dumitrache, F., Morjan, I., Aqueous hybrid nanofluids containing silver-reduced graphene oxide for improving thermo-physical properties, Diamond & Related Materials 132 (2023) 109688, FI: 4.1.

Lucrări publicate la conferinte internationale indexate în WEB OF SCIENCE:

1. Vărdaru, A., Huminic, G., Huminic, A., Study of hybrid nanofluids used in direct absorption solar collectors, 2023, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 1290 (2023) 012003.

2. Dumitrache, F., Fleaca, C., Huminic, G., Huminic, A., Gavrila-Florescu, L., Goncearenco, E., Banici, A.-M., Morjan, I.P., Lungu, I., Tanasa E., High yield C- SiC composite nanoparticles synthesized by laser pyrolysis and their application for thermal transfer as aqueous nanofluids, E-MRS 2023 Spring Meeting, Strasbourg – Franta.

2024: 

Articole publicate in reviste cotate ISI:

1. Huminic, G., Huminic, A., Vărdaru, A., Dumitrache, F., Fleaca, C., Experimental investigation on Ag NPs-rGO -water/ethylene-glycol hybrid nanofluids used in solar applications, Diamond & Related Materials 143 (2024) 110851, FI=4.1.

2. Huminic, G., Huminic, A., Capabilities of advanced heat transfer fluids on the performance of flat plate solar collector, Energy Reports 11 (2024) 1945–1958, FI=5.2.

3. Yalçın, G., Huminic, G., Huminic, A., Panchal, H., Dalkılıç, A.S., Investigation on effect of surfactants on the viscosity of graphite water based nanofluids, Journal of Molecular Liquids 398 (2024) 124197 FI=6.0.

Contact:

Gabriela HUMINIC