Contributions to the use of nanofluids in a shell and tube heat exchanger

RESUMEN: La transferencia de calor toma un papel importante en una gran cantidad de procesos y productos como sistemas de refrigeración de coches, sistemas de aire acondicionado, torres de refrigeración, climatización de piscinas y otras aplicaciones térmicas (Ranjbarzadeh y col., 2017). Los fluidos refrigerantes convencionales tiene baja conductividad térmica por lo que varios autores proponen el uso de nanofluidos (Kumar and Sonawane, 2016). Los nanofluidos son suspensiones de nanopartículas en un fluido base. Su preparación es importante ya que es necesario obtener una suspensión uniforme, estable, sin aglomeraciones y sin cambios químicos en el fluido base (Devendiran y Amirtham, 2016). Existen dos tipos de nanofluidos, los convencionales sintetizados con nanopartículas de metales, óxidos metálicos, materiales carbonosos, etc. y los nanofluidos híbridos sintetizados con nanopartículas de composites preparados a partir de los nanomateriales anteriores (Sezer et al., 2018). El objetivo de este trabajo es evaluar las mejoras potenciales en un intercambiador de carcasa y tubos dado, en función del fluido para calentar el agua utilizado. Para calentar el agua se tomarán como fluidos base agua y etilenglicol y se considerará la aditivación de ambos con nanofluidos convencionales o híbridos. Para ello, en la primera parte se presentan los valores de la conductividad térmica y la viscosidad de varios nanofluidos estudiados por diversos autores. En la segunda parte se realiza un análisis del descenso del caudal volumétrico de nanofluido requerido y la caída de presión respecto a los fluidos base (agua y etilenglicol) en un intercambiador de carcasa y tubos comercial que es utilizado para mantener la temperatura del agua de una piscina. Para realizar los cálculos asociados al intercambiador de calor se empleará el método de Kern (Sinnott et al., 2005).ABSTRACT: The heat transfer process is important in many applications like car engine cooling systems, cooling towers, air conditioning, pool heating, and other thermal applications (Ranjbarzadeh et al., 2017). The conventional heat transfer fluids have low thermal conductivity so, the use of nanofluids has been proposed to improve the process (Kumar and Sonawane, 2016). Nanofluids are suspensions of nanoparticles in a base fluid. The synthesis of nanofluids has to be considered because they need a stable suspension, low agglomeration of particles, and no chemical reactions with the fluid (Devendiran y Amirtham, 2016). There are two types of nanofluids: conventional ones, which are synthetized with nanoparticles of metals, metal oxides, carbon nanomaterials, etc., and hybrid nanofluids, which are composed of nanoparticles of the previous materials (Sezer et al., 2018). The objective of this work is to evaluate the potential enhancement in a shell and tube heat exchanger using nanofluids based on water or ethyleneglycol. Two types of nanofluids will be considered: conventional ones, only with one type of nanoparticles or hybrid ones that include composite materials. The heat exchanger proposed is used to keep the temperature of the water in a swimming pool and Kern’s method (Sinnott et al., 2005) is used to determine the heat transfer coefficient and evaluate the flow rate and pressure drop.Máster en Ingeniería Químic

Global diagnosis of nitrate pollution in groundwater and review of removal technologies

Clean water and sanitation for the world population is one of the most important challenges established by the Sustainable Development Goals of the United Nations since worldwide, one in three people do not have access to safe drinking water. Groundwater, one of the main sources of fresh water, has been considerably damaged by human activities. Nevertheless, while numerous plants are globally aimed at removing pollutants from surface waters, a much scarcer number of facilities have focused on groundwater remediation. Nowadays, there is increasing concern about the presence of nitrates (NO3-) in groundwaters as a consequence of the intensive use of fertilizers and other anthropogenic sources, such as sewage or industrial wastewater discharge. In this context, the selection and development of highly effective and low-cost solutions for the sustainable management of groundwater resources need to be addressed. Thus, this work collects data from the literature regarding the presence of nitrates in groundwater, and, simultaneously, it reviews the main alternatives available to remove NO3- from groundwater sources. A total of 292 sites have been analyzed categorized by continents, carefully discussing the possible origins of nitrate pollution. In addition, a discussion is carried out of the different technologies currently employed to treat groundwater, highlighting the progress made and the main challenges to be overcome. Finally, the review gathers the data available in the literature for nitrate treatment plants at full-scale.This work has been conducted with financial support from the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (project RTI2018-093310-B100). This research is also being supported by the Project “HYLANTIC”-EAPA_204/2016, which is co-financed by the European Regional Development Fund in the framework of the Interreg Atlantic program. E. Abascal is supported by the Spanish Ministry of Science, Innovation and Universities through the grant PEJ2018-003323-A

Removal of nitrates in groundwater using polymeric catalytic membranes

La creciente contaminación por nitratos del agua subterránea se presenta como un problema a nivel global. Este deterioro está producido principalmente por fuentes agrarias (fertilizantes y purines) e industriales y domésticas (descarga de agua residual sin tratamiento previo). Por ello, en la actualidad, existen dos tipos de tecnologías que eliminen dichos aniones del agua, tecnologías de separación (osmosis inversa, electrodiálisis e intercambio iónico) y tecnologías de transformación (reducción biológica y reducción catalítica). En esta Tesis Doctoral, se desarrolla la reducción catalítica en presencia de hidrógeno a través de la fabricación de membranas poliméricas para su ensamblado en un contactor de membranas de fibra hueca. Estas fibras huecas, fabricadas mediante la técnica de spinning, contienen nanopartículas de catalizador mono- o bimetálico para la reducción de nitritos y/o nitratos. Como resultado, se han obtenido concentraciones inferiores a 3 ppm de NO2- y 50 ppm de NO3-, límites establecidos por la Organización Mundial de la Salud para agua de consumo humano, así como altas selectividades a nitrógeno (superiores a 83%).The increasing nitrate pollution of groundwater is a global problem. This degradation is mainly caused by agricultural sources (fertilizers and manures) and industrial and domestic sources (discharge of wastewater without prior treatment). Therefore, at present, there are two types of technologies that remove these anions from water, separation technologies (reverse osmosis, electrodialysis and ion exchange) and transformation technologies (biological reduction and catalytic reduction). In this Doctoral Thesis, catalytic reduction in the presence of hydrogen is developed through the fabrication of polymeric membranes for assembly in a hollow fiber membrane contactor. These hollow fibers, fabricated by spinning technique, contain mono- or bimetallic catalyst nanoparticles for nitrite and/or nitrate reduction. As a result, concentrations below 3 ppm NO2- and 50 ppm NO3-, limits established by the World Health Organization for water for human consumption, have been obtained, as well as high nitrogen selectivities (above 83%).investigación se ha realizado con financiación del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades de España a través de la ayuda PEJ2018-003323-A. Además, ha recibido soporte económico de diferentes proyectos de investigación: “Separaciones microfluídicas de elevado rendimiento. Retos y oportunidades”. Proyecto RTI2018-093310-B-I00 financiado por MCIN/AEI/10.13039/501100011033/FEDER “Una manera de hacer Europa”. “HYLANTIC: Atlantic network for renewable generation and supply of hydrogen to promote high energy efficiency”. Proyecto EAPA_204/2016 en el marco INTERREG ATLANTIC financiado por la UE a través de los Fondos Europeos de Desarrollo Regional (FEDER). “Análisis de la eficiencia en la conversión de energía solar en hidrógeno a partir de agua de mar”. Proyecto PLEC2021-007718 financiado por MCIN/AEI/10.13039/501100011033 y por la UE Next GenerationEU/PRTR. “Piloto demostrador de un sistema híbrido solar fotovoltaico-hidrógeno para el abastecimiento energético en el ámbito residencial”. Proyecto TED2021-129951B-C21 financiado por MCIN/ AEI /10.13039/501100011033 y por la UE Next GenerationEU/PRTR

Optical properties of crystalline phases from high-charge layered silicates

Grado en Ingeniería Químic