Otimizando as características de transferência de calor de MWCNTs e água TiO2

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 15154 (2022) Citar este artigo

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Este estudo teve como objetivo investigar o efeito de nano aditivos de dióxido de titânio (TiO2) no desempenho térmico de uma torre de resfriamento de fluxo cruzado em escala piloto. Além disso, é uma continuação do nosso estudo anterior sobre o efeito do uso de nanofluido de nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNTs), e os resultados foram comparados com os resultados de TiO2 e trabalhos anteriores. Um projeto experimental por metodologia de superfície de resposta (RSM) baseado em projeto composto central (CCD) com dois fatores (concentração e taxa de fluxo) foi usado para estudar a eficácia da configuração, número de Merkel e a faixa de resfriamento. Os nanofluidos foram preparados pelo método de duas etapas. Os testes de estabilidade foram realizados considerando diferentes surfactantes, como goma arábica, Triton X-100 e dodecil sulfato de sódio, e a goma arábica foi determinada como o surfactante ideal. O método visual, dispersão dinâmica de luz (DLS) e análises de potencial Zeta foram usados ​​para garantir a estabilidade dos nanofluidos e determinar a distribuição de tamanho das nanopartículas nos nanofluidos. Os resultados revelaram que as características de transferência de calor do fluido de trabalho foram melhoradas com a adição de nanopartículas. Além disso, comparando o efeito das nanopartículas, descobriu-se que os MWCNTs poderiam melhorar as características térmicas melhor do que o TiO2. O nanofluido contendo 0,085% em peso dos MWCNTs melhora o número de Merkel, eficácia e faixa de resfriamento em 28, 10,2 e 15,8%, respectivamente, enquanto esses valores para nanofluidos contendo TiO2 são 5, 4,1 e 7,4%, respectivamente. O nanofluido de MWCNTs com uma concentração de 0,069% em peso e uma taxa de fluxo de 2,092 kg/min foi proposto para a configuração ideal do sistema. Nessas condições, a faixa de resfriamento, a eficácia e o número de Merkel foram de cerca de 23,5, 55,75% e 0,64, respectivamente.

Nanofluido é definido como uma suspensão estável de baixo teor de nanopartículas na faixa de 1 a 100 nm nos fluidos de base, como óleo, água e etilenoglicol1. Recentemente, estudos consideráveis ​​foram dedicados a estudar o aprimoramento da transferência de calor utilizando nanofluidos em diferentes aplicações, como sistemas de resfriamento e refrigeração, engenharia de processos, motores de combustão, HVAC (aquecimento, ventilação e ar condicionado), geração de energia e ferramentas mecânicas, e muitos outros2,3,4. A transferência de calor e as características termofísicas, como viscosidade5, ponto de inflamação, condutividade térmica, ponto de fluidez, coeficiente de transferência de calor e massa e taxa de resfriamento podem ser aprimoradas utilizando nanofluidos6. Existe um amplo tipo de nano aditivos que têm sido utilizados na preparação de nanofluidos como metais e óxidos metálicos7,8, nanomateriais à base de carbono9,10; no entanto, embora tenham características notáveis ​​como tamanho pequeno, grande área de superfície e excelente capacidade térmica, eles tendem a ser aglomerados, especialmente em altas concentrações. Preparar um nanofluido estável ainda é um desafio, muitas soluções abordam esse problema comumente associado às nanopartículas, viz. métodos de modificação de superfície11, agitação ultrassônica12, utilizando surfactantes13 e tratamento de pH14. As nanopartículas de TiO2 têm sido amplamente utilizadas entre os diferentes nano aditivos comumente utilizados devido às suas propriedades distintas. Isso inclui excelente estabilidade coloidal e química, proteção ambiental15, capacidade de aprimoramento de transferência de calor16 e comportamento de redução de fricção.

Ao avaliar as características de transferência de calor de um sistema de resfriamento, os MWCNTs/nanofluidos mostraram uma melhoria significativa nas propriedades termofísicas medidas, como a condutividade térmica, uma vez que os NTCs possuem um valor quase 5 vezes maior do que outros materiais convencionais17. Consequentemente, a maior condutividade térmica dos MWCNTs/nanofluido garante uma melhor taxa de transferência de calor no sistema aplicado18.