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Scientific Reports volume 13、記事番号: 8471 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

都市部での太陽エネルギーの開発には、太陽熱交換器内の熱伝達の改善が重要です。 本研究では、太陽熱交換器のUターンパイプ内を流れるナノ流体(Fe3O4)の熱効率に対する不均一磁場の利用を検討した。 計算流体力学を適用して、太陽熱交換器内のナノ流体の流れを視覚化します。 熱効率に対する磁力とレイノルズ数の役割が徹底的に調査されています。 私たちの研究では、単一および三重の磁場源の影響も研究されています。 得られた結果は、磁場の使用によりベース流体内に渦が生成され、ドメイン内の熱伝達が改善されることを示しています。 私たちの発見は、Mn = 25 K の磁場を使用すると、太陽熱交換器の U ターン パイプに沿った平均熱伝達が約 21% 改善されることを示しています。

熱交換器の熱の進歩は、環境とコストを節約するために非常に重要です。 熱交換器は家庭ユーザーだけでなく発電所、石油化学プラント、製油所などの産業でも広く使用されているため、熱交換器の性能はさまざまな業界で重要です1、2、3。 この装置はエネルギー生産のために石油を燃やすことで CO2 排出量を削減するため、環境保全におけるこの装置の重要性については以前の研究でも述べられています。 一方で、太陽エネルギーなどの新しいタイプのエネルギー資源は、熱交換器の性能が十分に高ければ経済的になります4,5。

現在のエネルギー源は 2 世紀以上持続できないため、新しいエネルギー源の開発は非常に重要です6,7。 したがって、再生可能エネルギーは原油に代わる最良のエネルギーとして研究者らの主要なテーマとなっている8,9。 さらに、原油の燃焼では CO2 の生成が避けられないため、従来のエネルギー源では汚染の軽減は達成できません 10,11。 利用可能な再生可能エネルギーの中でも、太陽エネルギーは、特に家庭ユーザーにとって、アクセスしやすさと低コストのため、信頼できるエネルギー源と考えられています12、13。 太陽光発電所は、大規模なエネルギー生産に関しては他の発電所（つまり原子力）に匹敵するものではありませんが、このエネルギー源は都市部から遠く離れたところに住む小規模ユーザーにとって効率的に使用できる可能性があります14、15、16、17。 したがって、家庭ユーザー向けのエネルギー源の生産のための太陽光発電システムの使用は、石油価格の上昇により過去 3 年間で増加しました 18、19、20。

ナノ粒子の使用により、現在の熱交換器の効率が大幅に向上しました 21、22。 実際、フェロ粒子は熱交換器内のベース流体の熱容量を大幅に向上させ、これにより家庭ユーザーに必要な温水を提供するためのソーラーパネルの性能が節約されます23、24、25。 ナノ流体の熱容量は、磁場の使用により大幅に増加します。 実際、ナノ流体流が流れるパイプの近くに磁気源を適用すると、流体内に乱れが生じ、ナノ流体流内に渦構造が生成される26、27。 したがって、熱交換器内部では熱伝達が激しくなります。 ナノ流体の流れのこの特性は、プロセスの熱特性を変化させる可能性があるため、別のプロセス、つまり沸騰と融解で包括的に研究されています28、29、30。 現在の研究では、フェロ粒子を含むナノ流体の近くで均一または不均一な磁気源の使用が検討されていますが、ナノ流体の流れのこの側面は、熱交換器のさまざまなセクションで包括的に検討されていませんでした 31、32、33。 これらの研究のほとんどでは、ナノ流体の流れの熱分析に理論的アプローチが使用されています34、35、36。 数値流体力学の数値手法は、熱交換器の熱伝達の研究にも使用されます 37,38。 計算による調査のコストが低いため、この手法は、現在の研究の発展のための新しい革新的なアプローチを事前評価するための最初の方法と考えられています 39,40。 熱交換器の改良のための均一磁場に焦点を当てた研究がいくつかありますが、不均一磁場は数値流体力学による限られた論文で研究されています41、42、43。