Mejora de la transferencia de calor en nanofluidos | Nueva área de investigación

Descripción general de nanofluidos

El nanofluido es un fluido que consiste en un fluido base de tamaño nanométrico. Las nanopartículas (1–100 nm) se dispersaron en el fluido base. En la aplicación de la mejora de la transferencia de calor en nanofluidos, se utilizan nanopartículas de metal u óxido metálico. Como sabemos, el metal y el óxido metálico aumentan la conducción y la convección. En las últimas décadas, el rápido avance de la nanotecnología ha llevado al surgimiento de una nueva generación de refrigerantes llamados nanofluidos.

Si analizamos la dispersión sólido-líquido regular, el nanofluido tiene mayor área de superficie efectiva y, por lo tanto, mayor superficie de transferencia de calor efectiva entre partículas y fluidos. La nanotecnología está siendo utilizada o considerada para algunas aplicaciones enfocadas a brindar fuentes de energía y empleos más productivos.

Si bien muchas de estas aplicaciones pueden no influir directamente en la transferencia de energía térmica, cada una tiene el potencial de reducir la necesidad de energía eléctrica, combustible destilado de petróleo o gas natural que de otro modo se movería a través del sistema de transmisión de energía. La generación y el uso de energía más eficientes pueden reducir la cantidad de actividades de construcción, mantenimiento y desmantelamiento.

Conductividad térmica

Se ha descubierto que la conductividad térmica de los nanofluidos es una característica atractiva para muchas aplicaciones. Puede definirse como la capacidad de un material para conducir o transferir calor. Se han completado numerosas investigaciones sobre este tema.

La conductividad térmica de nanopartículas de cobre al 0.3% de nanofluidos de etilenglicol (EG) se eleva hasta un 40% en comparación con el líquido base. Los autores destacaron que esta propiedad juega un papel vital en la construcción de un sistema de transferencia de calor energéticamente eficiente. Una conductividad térmica más alta es más alta y el área de superficie de las nanopartículas de cobre (Cu) se atribuye a esta mejora.

Sin embargo, la relación superficie / volumen (A / V) de las nanopartículas es un factor dominante que influye en la conductividad térmica de los nanofluidos en lugar de la conductividad térmica de las nanopartículas. La proporción de superficie a volumen (A / V) se expande con tamaños más pequeños de nanopartículas.

Transferencia de calor mediante nanofluidos

Los procesos de alta generación de calor han generado un mayor requerimiento de la última tecnología para aumentar la transferencia de calor. Hay muchos métodos disponibles para aumentar la transferencia de calor en los procesos. 

La transferencia de calor en un proceso se puede calcular de la siguiente manera:

Q = h * A * ∆T

Q es la tasa de transferencia de calor utilizada, h es el coeficiente de transferencia de calor, A es el área de transferencia de calor efectiva y ∆T es la diferencia de temperatura. Se observa que a partir de esta ecuación esa transferencia de calor se puede potenciar mediante:

(i) Incrementar ΔT 

(ii) Incrementar A 

(iii) Incrementar h

Las mejoras en la transferencia de calor también se pueden incrementar aumentando el coeficiente de transferencia de calor h. Desarrollando métodos de transferencia de calor más eficientes o mejorando las propiedades de transporte del material utilizado para la transferencia de calor.

Desde la industria del transporte hasta las unidades de producción de energía, los nanofluidos se pueden utilizar ampliamente en todos los rangos también en sistemas electrónicos como microprocesadores, micromecánicos, sistemas eléctricos y el campo de la biotecnología.

La mejora de las propiedades de los nanofluidos

En la mayoría de los casos, se ha observado un aumento de la conductividad térmica. Se han observado tendencias anormales en caso de viscosidad con nanofluidos. Se encontró que la viscosidad aumenta cuando las nanopartículas se dispersan en el fluido base.

Para una mayor concentración de volumen, el comportamiento de los nanofluidos encontró un adelgazamiento por cizallamiento por menos atención es la carga newtoniana. Muchos desacuerdos se ven en muchas obras, pero aunque podemos decir que la fuerza de convección en el caso del nanofluido es mayor que la del fluido base. Este aumento debido a los nanofluidos no depende de las teorías convencionales.

Por ejemplo, se muestran las propiedades de las nanopartículas de CuO.

PropiedadesÓxido de cobre
Fórmula químicaCuO
ColorNegro
Morfologíaesférico
Tamaño de partícula promedio (nm)30-50
Densidad verdadera (kg / m3)6400
Calor específico (J / kgK)531.02
Conductividad térmica (w / mK)20

 Supongamos que vemos un nanofluido en caso de convección natural. Se puede decir que el deterioro de los resultados observados en los nanofluidos, el aumento de la concentración de volumen resulta en un aumento del deterioro. Se requieren más experimentos para realizar sobre partículas metálicas y con baja concentración de volumen. Incluso para el calor específico, se ha observado que es más bajo que el fluido base. Se requiere más investigación sobre el calor específico, ya que es un parámetro esencial en el campo de la transferencia de calor.

Comparación de varios nanofluidos

La conductividad térmica del nanofluido depende de sus propiedades de partículas metálicas. Diferentes tipos de nanofluidos utilizados para mejorar la transferencia de calor en el intercambiador de calor (TiO2, Al2O3Si2, CuO, CeO2 etc)

Hay tantos resultados de experimentos disponibles para comparar diferentes nanofluidos. Veamos una comparación gráfica de varios nanofluidos. La comparación de tres fluidos de trabajo agua, CuO / agua, MgO / agua se puede ver en la figura que se muestra a continuación.

Transferencia de calor usando nanofluidos: comparación de agua, nanofluidos de CuO y nanofluidos de MgO
Comparación de agua, nanofluido de CuO y nanofluido de MgO

El resultado gráfico presentado entre la tasa de transferencia de calor (Q) y la temperatura de entrada del nanofluido. Se puede observar fácilmente en el gráfico. El nanofluido de CuO muestra una transferencia de calor superior en comparación con el nanofluido de MgO y el agua. El gráfico está trazado para tres temperaturas diferentes 70, 80 y 90 ° C.

 Tomemos un segundo ejemplo para comprender más sobre otra comparación de nanofluidos. La representación gráfica, incluida una comparación de agua, Al2O3/ agua, CuO / agua se muestra en la figura siguiente.

Comparación de agua, Al2O3 nanofluido y nanofluido de CuO

 Puede observarse claramente en el gráfico anterior que el nanofluido de CuO tiene una mejor tasa de transferencia de calor en comparación con los otros dos.

Ahora, observemos el análisis de resultados en el mesa dada a continuación,

mc es el caudal másico de refrigerante en litros por minuto (¿Cuál es el caudal másico? Consulte clic). Qavg es la tasa de transferencia de calor calculada para el agua, Al2O3/ agua y CuO / agua. La unidad de tasa de transferencia de calor es kW (kJ / s) (¿Qué es la tasa de transferencia de calor? Consulte clic)

El estudio de la tabla de resultados nos hace saber que el nanofluido CuO realiza una mejor transferencia de calor en todas las condiciones de caudal másico. Si hacemos una comparación de costos, entonces Al2O3 El nanofluido es más barato que el nanofluido CuO.

La diferencia de transferencia de calor no es muy alta entre Al2O3 nanofluido y nanofluido CuO. Para rentable, el Al2O3 El nanofluido puede ser un fluido comercial para mejorar la transferencia de calor.

Aplicaciones de nanofluidos en transferencia de calor

El nanofluido se ha utilizado o considerado para muchas aplicaciones para proporcionar suministros y usos de energía más eficientes. El nanofluido se ha utilizado o considerado para muchas aplicaciones para proporcionar suministros y usos de energía más eficientes. Estas aplicaciones no influyen completamente en la transmisión de energía, pero pueden reducir el requisito preliminar de combustible de petróleo, electricidad, combustible destilado de petróleo o gas inflamable. De alguna manera se viajaría a través del marco de transmisión de energía. A continuación se presentan algunos casos de nanofluidos para aplicaciones explícitas

Cámara de vapor

Las investigaciones recientes en refrigeración electrónica demuestran el uso de nanofluidos para mejorar la tasa de transferencia de calor. La cámara de vapor utilizada en el enfriamiento electrónico está llena de nanofluidos para una mejor transferencia de calor.

Choque de chorro

El impacto del chorro es la posible tecnología para enfriar algunos dispositivos electrónicos. El agua se rocía sobre el disipador de calor para absorber más calor. El uso de nanofluidos en lugar de agua puede extraer más calor del disipador de calor.

Radiador

 El radiador es un intercambiador de calor de flujo cruzado de tipo compacto y se utiliza para la refrigeración del motor. La gestión del espacio es un tema importante en todos los vehículos automóviles. La reducción de tamaño de los componentes de refrigeración puede ser posible si la función del componente mejora en la transferencia de calor. El nanofluido es el refrigerante superior y moderno que puede cumplir con los requisitos de compacidad.

Colector solar parabólico y otros dispositivos solares térmicos.

El fluido de trabajo circula a través del sistema solar térmico absorbiendo la radiación solar. La energía solar absorbida por el fluido de trabajo generalmente se transfiere al intercambiador de calor para otras aplicaciones. El uso de nanofluidos como fluido de trabajo en el sistema solar térmico mejora su rendimiento y eficiencia.

Refrigeración del transformador

El transformador es un equipo eléctrico ampliamente utilizado para la transmisión de energía. El aceite de refrigeración se utiliza en el transformador para absorber el calor generado debido a la resistencia. El rendimiento del aceite refrigerante se puede mejorar añadiendo nanopartículas en aceite. Aquí, el fluido base es aceite que apoya la estabilidad del nanofluido.

Algunas de las otras aplicaciones de los nanofluidos en el área del enfriamiento y la transferencia de calor son las siguientes:           

Sistema de refrigeración

El sistema de refrigeración funciona en varios ciclos termodinámicos. El refrigerante es el fluido de trabajo en el sistema de refrigeración. Existen ciertos experimentos realizados para utilizar nanopartículas con refrigerante. Los investigadores observaron buenos resultados de concordancia utilizando nanofluidos en algunos sistemas de refrigeración.

Refrigeración del reactor nuclear

La enorme cantidad de calor se genera en el núcleo del reactor nuclear. Para proporcionar suficiente enfriamiento, el agua circula a través del sistema condensador. El sistema nuclear requiere una mejor fórmula de transferencia de calor para el sistema de enfriamiento. El nanofluido es una opción para mejorar el sistema de refrigeración del reactor nuclear.

Refrigeración del sistema de transmisión del motor

En un motor de combustión interna (IC), el aceite del motor circula a través de todas las partes de la transmisión, incluida la caja de cambios, válvulas, cigüeñal, cilindro, etc. El propósito del aceite de transmisión es proporcionar refrigeración y lubricación a varias partes del motor IC.

 El nanofluido ha mostrado una estabilidad superior en aceite. El uso de nanofluidos en el sistema de transmisión del motor IC es una nueva era para los investigadores.

Sistema de recuperación de calor residual en la caldera

El gas de combustión de temperatura más alta sale de una chimenea en la caldera. La eficiencia de la caldera se puede aumentar absorbiendo el calor que se desperdicia con los gases de combustión. El sistema de recuperación de calor residual se instala para cumplir con la eficiencia energética. El uso de nanofluidos como fluido de trabajo en el sistema de recuperación de calor residual para aumentar la eficiencia de absorción del sistema.

Mejora de la evaporación solar

La destilación solar se utiliza para convertir agua salina o residual en agua potable fresca. El agua salina se evapora utilizando energía solar y luego el agua evaporada se condensa para obtener agua dulce.

La nanopartícula de carbono tiene una mayor capacidad de absorción de la radiación solar. El uso de nanopartículas de carbono en agua salina aumenta la tasa de evaporación, lo que conduce al rendimiento superior de la destilación de agua solar.

Viabilidad como termofluido

El nanofluido es un fluido térmico avanzado para aplicaciones de transferencia de calor. El avance en la generación de energía y los dispositivos electrónicos de potencia producen una enorme cantidad de calor. La generación de calor está reduciendo el rendimiento del dispositivo. Para cumplir con este requisito, el nanofluido se inventa para mejorar la transferencia de calor y el rendimiento del dispositivo.

El nanofluido muestra un rendimiento superior en la transferencia de calor. Puede ser factible utilizar nanofluidos para aplicaciones a pequeña escala. Para una escala grande o industrial, aún se requieren más investigaciones por hacer. La preparación de nanofluidos juega un papel vital en su viabilidad. La estabilidad de los nanofluidos es un factor esencial que afecta su viabilidad.

 El nanofluido más estable puede ser más factible como termofluido.

Preguntas y respuestas

¿Por qué los nanofluidos poseen características de transferencia de calor?

Los nanofluidos tienen un área de superficie explícita más alta y, en consecuencia, más superficie de conducción de calor entre partículas y líquidos.

Definición: conductividad térmica

La conductividad térmica se puede caracterizar como la capacidad de un material para dirigir o mover el calor.

¿Cuáles son las formas de aumentar la transferencia de calor?

Hay tres formas de aumentar la transferencia de calor según la expresión de transferencia de calor:

  1. Aumentar ΔT (diferencia de temperatura)
  2. Incrementar A (área de superficie efectiva)
  3. Incrementar h (coeficiente de transferencia de calor)

¿Cuál es la concentración de volumen del nanofluido?

La concentración de volumen es un término utilizado para indicar la proporción de nanopartículas en un nanofluido preparado.

¿Cuál de los nanofluidos está realizando una mayor transferencia de calor en los ejemplos dados?

Nanofluido de óxido de cobre (CuO).

¿Qué nanofluido es rentable?

Óxido de aluminio (Al2O3) nanofluido.

¿Cuál de los tres nanofluidos utilizados en este artículo?

Los siguientes son tres naonofluidos utilizados en estos artículos:

  1. Al2O3/agua
  2. CuO / agua
  3. MgO / agua

Dar la unidad de transferencia de calor.

La unidad de transferencia de calor es kW (kilovatio) o kJ / s (kilo Joule / segundo)

¿En cuál de los dispositivos electrónicos es posible el uso de nanofluidos?

El nanofluido se puede utilizar en cámaras de vapor y configuración de impacto de chorro para enfriamiento electrónico.

¿Cuál es el nombre específico del radiador en el campo del intercambiador de calor?

Intercambiador de calor de flujo cruzado de tipo compacto

¿Cuál es el factor dominante del nanofluido para la viabilidad?

La estabilidad del nanofluido es el factor dominante de viabilidad.

¿Para qué sirven las nanopartículas de carbono?

Las nanopartículas de carbono son buenos absorbentes de las radiaciones solares. Se puede utilizar en unidades de destilación solar para mejorar la evaporación del agua.

Conclusión

Este artículo es útil para que estudiantes e investigadores se hagan una idea básica de algunos nanofluidos y sus propiedades. El artículo también es útil para que el estudiante encuentre un tema de investigación relacionado con la nanociencia y sus aplicaciones. En este artículo se presenta la comparación de algunos fluidos para crear una base para el estudio avanzado de fluidos y parámetros. El alcance futuro de los nanofluidos es completo y atractivo. El nanofluido será la clave para incrementar la eficiencia de cualquier equipo.

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Sobre Deepakkumar Jani

Soy Deepak Kumar Jani, estoy cursando un doctorado en energía mecánica renovable. Tengo cinco años de experiencia docente y dos de investigación. Mi área temática de interés es la ingeniería térmica, la ingeniería automotriz, la medición mecánica, el dibujo técnico, la mecánica de fluidos, etc. He presentado una patente sobre "Hibridación de energía verde para la producción de energía". He publicado 17 artículos de investigación y dos libros.
Me complace ser parte de Lambdageeks y me gustaría presentar parte de mi experiencia de una manera simplista a los lectores.
Aparte de lo académico y la investigación, me gusta vagar por la naturaleza, capturar la naturaleza y crear conciencia sobre la naturaleza entre las personas.
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