Ottimizzazione delle caratteristiche di trasferimento del calore di MWCNT e acqua TiO2

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 15154 (2022) Citare questo articolo

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Questo studio mirava a studiare l'effetto dei nano additivi del biossido di titanio (TiO2) sulle prestazioni termiche di una torre di raffreddamento a flusso incrociato su scala pilota. Inoltre, è una continuazione del nostro precedente studio sull’effetto dell’uso di nanofluidi di nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT) e i risultati sono stati confrontati con quelli di TiO2 e del lavoro precedente. Per studiare l'efficacia della configurazione, il numero di Merkel e l'intervallo di raffreddamento è stato utilizzato un disegno sperimentale mediante metodologia della superficie di risposta (RSM) basato sul design composito centrale (CCD) con due fattori (concentrazione e portata). I nanofluidi sono stati preparati con il metodo in due fasi. I test di stabilità sono stati eseguiti considerando diversi tensioattivi come gomma arabica, Triton X-100 e sodio dodecil solfato e la gomma arabica è stata determinata come il tensioattivo ottimale. Il metodo visivo, la diffusione dinamica della luce (DLS) e le analisi del potenziale Zeta sono stati utilizzati per garantire la stabilità dei nanofluidi e determinare la distribuzione dimensionale delle nanoparticelle nei nanofluidi. I risultati hanno rivelato che le caratteristiche di trasferimento del calore del fluido di lavoro sono state migliorate con l'aggiunta di nanoparticelle. Inoltre, confrontando l’effetto delle nanoparticelle, si è scoperto che i MWCNT potrebbero migliorare le caratteristiche termiche meglio del TiO2. Il nanofluido contenente lo 0,085% in peso di MWCNT migliora il numero di Merkel, l'efficacia e l'intervallo di raffreddamento rispettivamente del 28, 10,2 e 15,8%, mentre questi valori per i nanofluidi contenenti TiO2 sono rispettivamente del 5, 4,1 e 7,4%. Per la configurazione ottimale del sistema è stato proposto il nanofluido MWCNT con una concentrazione dello 0,069% in peso e una portata di 2,092 kg/min. In queste condizioni, l’intervallo di raffreddamento, l’efficacia e il numero di Merkel erano rispettivamente di circa 23,5, 55,75% e 0,64.

Il nanofluido è definito come una sospensione stabile a basso contenuto di nanoparticelle nell'intervallo 1-100 nm nei fluidi di base come olio, acqua e glicole etilenico1. Recentemente, studi considerevoli sono stati dedicati allo studio del miglioramento del trasferimento di calore utilizzando nanofluidi in diverse applicazioni come sistemi di raffreddamento e refrigerazione, ingegneria di processo, motori a combustione, HVAC (riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria), produzione di energia e strumenti meccanici, e molti altri2,3,4. Il trasferimento di calore e le caratteristiche termofisiche come viscosità5, punto di infiammabilità, conduttività termica, punto di scorrimento, coefficiente di trasferimento di calore e massa e velocità di raffreddamento possono essere migliorati utilizzando i nanofluidi6. Esiste un'ampia tipologia di nano additivi che sono stati utilizzati nella preparazione di nanofluidi come metalli e ossidi metallici7,8, nanomateriali a base di carbonio9,10; tuttavia, nonostante abbiano caratteristiche notevoli come dimensioni ridotte, ampia superficie e ottima capacità termica, tendono ad agglomerarsi, soprattutto ad alte concentrazioni. Preparare un nanofluido stabile è ancora una sfida, molte soluzioni affrontano questo problema comunemente associato alle nanoparticelle, vale a dire. metodi di modificazione della superficie11, agitazione ad ultrasuoni12, utilizzo di tensioattivi13 e trattamento del pH14. Le nanoparticelle di TiO2 sono state ampiamente utilizzate tra i diversi nanoadditivi comunemente utilizzati a causa delle loro proprietà distintive. Questi includono eccellente stabilità colloidale e chimica, rispetto dell'ambiente15, capacità di miglioramento del trasferimento di calore16 e comportamento di riduzione dell'attrito.

Nel valutare le caratteristiche di trasferimento del calore di un sistema di raffreddamento, i MWCNT/nanofluidi hanno mostrato un miglioramento significativo nelle proprietà termofisiche misurate come la conduttività termica poiché i CNT possiedono un valore quasi 5 volte superiore rispetto ad altri materiali convenzionali17. Di conseguenza, la maggiore conduttività termica dei MWCNT/nanofluidi garantisce una migliore velocità di trasferimento del calore nel sistema applicato18.