1. Repositorio Institucional del Tecnológico Nacional de México (RI - TecNM)
2. Tesis de Posgrado
3. Morelos
4. Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
5. Tesis CENIDET
6. Tesis Doctorado
7. Tesis de Doctorado en Ingeniería Mecánica

Title:	Viabilidad termo-económica del uso de nanofluidos en sistemas de calentamiento de agua con colectores de placa plana
Authors:	García Rincón, Marco Antonio%738350
metadata.dc.subject.other:	Colector solar, Calentadores solares planos, Nanofluidos, Alúmina, Estabilidad de nanopartícula, Dispersión de partículas, Colectores placa plana con nanofluidos, Potencial Z, Al2O3 en FPSC, FPSWH.
Issue Date:	2026-01-21
Publisher:	Tecnológico Nacional de México
metadata.dc.publisher.tecnm:	Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
Description:	En este trabajo se presenta un estudio de la viabilidad del uso de nanofluidos en sistemas de calentamiento de agua con colectores de placa plana, considerando la eficiencia térmica en función de la estabilidad del nanofluido. El estudio compara un sistema convencional con agua y otro con nanofluidos a base de nanopartículas de óxidos metálicos, considerando los costos asociados a la obtención de agua caliente sanitaria y la evolución de la eficiencia térmica en función de la estabilidad del nanofluido durante la operación. El caso de estudio se desarrolla en Cuernavaca, Morelos, México, utilizando un colector solar de placa plana. La eficiencia térmica se evalúa con calorimetría de flujo, mientras que la estabilidad del nanofluido se analizó a partir de la deriva del potencial-Z. El modelado térmico anual permitió estimar la energía específica de cada sistema, los costos nivelados y el periodo de retorno, con el fin de determinar la viabilidad económica del uso de nanofluidos. En el estado del arte se determinó que los nanofluidos en calentadores solares mejoran la eficiencia térmica entre 5 % y 35 %, pero su estabilidad aún es limitada. Los estudios actuales cubren solo el 2.5 % de la vida útil esperada (0.5 años de 20). La hibridación de nanopartículas logra mejoras de hasta 30 % y eficiencia de 0.85, mientras que los nanofluidos poliméricos ofrecen hasta 86 % de estabilidad y 35 % de eficiencia. Las mejores condiciones se dan con partículas de 24 nm, 0.1 % de concentración y caudales de 0.04 kg/s. Tasas de flujo entre 0.02–0.04 kg/s y concentraciones de 0.2–0.3 % mejoran la estabilidad (hasta 6 meses) y el rendimiento (>30 %). De forma teórica-experimental el uso de nanopartículas de Al2O3 aumentan la eficiencia del FPSWH hasta un 63 % acercándose al 80 %, y reducen las pérdidas globales de calor hasta 84 %. Sin embargo, el análisis no contemplo el efecto de estabilidad por lo que se muestra ideal en este primer resultado. El análisis mediante potencial-Z evidenció que una alta estabilidad inicial (44.4 mV) mejora el desempeño térmico; sin embargo, bajo condiciones reales esta se degrada rápidamente, alcanzando valores de 18 mV en menos de cuatro meses, lo que implica sedimentación y riesgo de obstrucción en las tuberías. El sistema de colector solar con nanofluido presentó una eficiencia óptica inicial (a₀) de 0.87, lo que representa una mejora del 58.47 % respecto al uso de agua (a₀ = 0.55). Las pérdidas térmicas globales con nanofluido fueron de −6.14, frente a −7.36 con agua, demostrando que el colector solar no sufre mayores pérdidas térmicas con el uso del nanofluido. Los nanofluidos muestran una mejora en la eficiencia térmica de hasta 58 % respecto al agua en condiciones al exterior basados en la norma UNE-EN ISO 9806:2017 y con flujo de prueba de 1 lpm, lo que los posiciona como una alternativa viable en aplicaciones solares térmicas; sin embargo, su estabilidad se reduce hasta un 50 % en menos de 4 meses bajo condiciones reales, comprometiendo su vida útil y aumentando el riesgo de sedimentación y obstrucción. Aunque el método de preparación ultrasónico mejora el potencial-Z en un 30 % y reduce el tamaño de partícula en un 55 %, estos beneficios no compensan la pérdida de estabilidad a largo plazo. En términos económicos, la necesidad de reemplazar periódicamente el nanofluido incrementa los costos nivelados de la energía, elevando el kWht a $20.74, frente a $14.84 utilizando combustibles fósiles, lo que vuelve inviable su aplicación actual. En conclusión, aunque los nanofluidos muestran un alto potencial para mejorar la eficiencia térmica en sistemas solares, su limitada estabilidad sigue siendo el principal desafío, por lo que se requiere continuar la investigación para desarrollar coloides con una vida útil comparable a la de los sistemas solares térmicos.
metadata.dc.type:	info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
Appears in Collections:	Tesis de Doctorado en Ingeniería Mecánica

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