Nanofluids development and characterization for heat exchanging intensification

Abstract

A desmaterialização da economia é um dos caminhos para a promoção do desenvolvimento sustentável na medida em que elimina ou reduz a utilização de recursos naturais, fazendo mais com menos. A intensificação dos processos tecnológicos é uma forma de desmaterializar a economia. Sistemas mais compactos e mais eficientes consomem menos recursos. No caso concreto dos sistemas envolvendo processo de troca de calor, a intensificação resulta na redução da área de permuta e da quantidade de fluido de trabalho, o que para além de outra vantagem que possa apresentar decorrentes da miniaturização, é um contributo inegável para a sustentabilidade da sociedade através do desenvolvimento científico e tecnológico. O desenvolvimento de nanofluidos surge no sentido de dar resposta a estes tipo de desafios da sociedade moderna, contribuindo para a inovação de produtos e sistemas, dando resposta a problemas colocados ao nível das ciências de base. A literatura é unânime na identificação do seu potencial como fluidos de permuta, dada a sua elevada condutividade, no entanto a falta de rigor subjacente às técnicas de preparação dos mesmos, assim como de um conhecimento sistemático das suas propriedades físicas suportado por modelos físico-matemáticos devidamente validados levam a que a operacionalização industrial esteja longe de ser concretizável. Neste trabalho, estudou-se de forma sistemática a condutividade térmica de nanofluidos de base aquosa aditivados com nanotubos de carbono, tendo em vista a identificação dos mecanismos físicos responsáveis pela condução de calor no fluido e o desenvolvimento de um modelo geral que permita com segurança determinar esta propriedade com o rigor requerido ao nível da engenharia. Para o efeito apresentam-se métodos para uma preparação rigorosa e reprodutível deste tipo de nanofluido assim como das metodologias consideradas mais importantes para a aferição da sua estabilidade, assegurando deste modo o rigor da técnica da sua produção. A estabilidade coloidal é estabelecida de forma rigorosa tendo em conta parâmetros quantificáveis como a ausência de aglomeração, a separação de fases e a deterioração da morfologia das nanopartículas. Uma vez assegurado o método de preparação dos nanofluídos, realizou-se uma análise paramétrica conducente a uma base de dados obtidos experimentalmente que inclui a visão central e globalizante da influência relativa dos diferentes fatores de controlo com impacto nas propriedades termofísicas. De entre as propriedades termofísicas, este estudo deu particular ênfase à condutividade térmica, sendo os fatores de controlo selecionados os seguintes: fluido base, temperatura, tamanho da partícula e concentração de nanopartículas. Experimentalmente, verificou-se que de entre os fatores de controlo estudados, os que maior influência detêm sobre a condutividade térmica do nanofluido, são o tamanho e concentração das nanopartículas. Com a segurança conferida por uma base de dados sólida e com o conhecimento acerca da contribuição relativa de cada fator de controlo no processo de transferência de calor, desenvolveu-se e validou-se um modelo físico-matemático com um caracter generalista, que permitirá determinar com segurança a condutividade térmica de nanofluidos.

The economy dematerialization is a means to promote sustainable development as it eliminates or reduces the use of natural resources. Hence, the intensification of technological processes is a way to dematerialize the economy. More compact and efficient systems require fewer resources. In what concerns technological systems involving heat exchange processes, intensification results in the reduction of the exchanging area and amount of working fluid, which in addition to other advantages inherent to systems’ miniaturization, is a direct contribution of the scientific and technological development to a more sustainable society. The development of nanofluids is a response to such challenges of contemporary society, contributing to the innovation of products and systems by solving fundamental questions raised at the level of basic sciences. The available literature is unanimous identifying nanofluids potential as an engineering thermal fluid due to their thermo-physical properties, namely a high thermal conductivity. However, the lack of rigorous preparation techniques as well as of a systematic knowledge of their thermo-physical properties, supported by validated physical-mathematical models, are serious constrains to their use in engineering applications. In this work, the thermal conductivity of carbon nanotubes, water based nanofluids were systematically studied. The governing physical mechanisms for heat conduction in the nanofluid were established as the basic condition for the development of a general model able to securely determine this property with the precision required in engineering applications. For this purpose the methodologies to correctly prepare such nanofluids in a reproducible way as well as to measure their long term stability are presented. The colloidal stability is accurately established and quantified taking into account parameters such as the absence of agglomeration, separation of phases and deterioration of the morphology of the nanoparticles. A parametric analysis was developed through appropriate DOE methodologies in order to build a comprehensive data base of the nanofluid physical properties as a function of control factors, previously identified variables considered to have the greatest impact on the variability of thermo-physical properties. Among the latter, this work gives particular attention to the acquisition of thermal conductivity data against the selected control factors: base fluid, temperature, size and concentration of nanoparticles. It was verified experimentally that amongst these control factors, those that hold the greatest influence on the thermal conductivity of the nanofluid are the size and concentration of nanoparticles. A solid database and the awareness about the relative contribution of each mechanism controlling the heat transfer process in nanofluids successfully supported the development and validation of a general physical-mathematical model to determine the thermal conductivity of nanofluids.