Caracterização experimental do coeficiente de transferência de calor por convecção em sistemas nano-fluídicos

Abstract

A intensificação da transferência de calor em sistemas industriais e de consumo, assim como o uso racional de energia, são preocupações cada vez mais comuns em engenharia. Para dar resposta aos desafios atuais, uma nova classe de fluidos de transferência de calor tem vindo a ser desenvolvida, impulsionada pelos avanços da nanotecnologia nos últimos anos. Estes novos fluidos, denominados nanofluidos, são suspensões de partículas de escala nanométrica, dispersas num fluido convencional. A literatura é unânime na identificação do seu potencial enquanto fluidos de permuta, devido às suas propriedades termofísicas superiores às dos fluidos convencionais. Contudo, a sua aplicação prática em sistemas térmicos permanece por realizar, essencialmente devido à escassez de estudos experimentais capazes de simular a transferência de calor em condições reais. Neste sentido, foi realizado um trabalho experimental de caracterização do coeficiente de transferência de calor por convecção de sistemas nano-fluídicos, sujeitos a escoamentos laminares em desenvolvimento num tubo circular horizontal. O estudo desenvolvido centrou-se na caracterização de nanofluidos contendo nanotubos de carbono (CNT), uma vez que estas nanopartículas possibilitam a produção de dispersões estáveis e duradouras, além de possuem elevadas propriedades termofísicas. Para o efeito, foram desenvolvidas metodologias de preparação e estabilização de nanofluidos contendo CNT, tendo sido também caracterizadas as suas propriedades termofísicas. O trabalho experimental conduzido consistiu na observação do comportamento de nanofluidos com concentrações de 0,25% e 0,5% de CNT, quando sujeitos a diferentes escoamentos e temperaturas de ensaio. A análise paramétrica dos resultados possibilitou avaliar a variação do coeficiente de transferência de calor por convecção dos nanofluidos sob as diferentes condições experimentais, e estabelecer comparações com os valores registados para o fluido base sob as mesmas condições de ensaio. Com a realização desta dissertação foi possível estabelecer relações entre as diversas variáveis envolvidas na transferência de calor por convecção, e que influenciam o desempenho dos nanofluidos, nomeadamente a concentração das nanopartículas, a temperatura, a velocidade e o número de Reynolds do escoamento, ao mesmo tempo que se procurou compreender os mecanismos envolvidos, tendo-se evidenciado a necessidade de realizar novos trabalhos experimentais no futuro que possibilitem corroborar a repetibilidade dos resultados obtidos.

The increase of heat transfer in industrial and consumer systems and the rational use of energy, are becoming common concerns in engineering. To address the current challenges, a new class of heat transfer fluids has been developed, driven by advances in nanotechnology in recent years. These new fluids, named nanofluids, are suspensions of nanoscale particles dispersed in a conventional fluid. The literature is unanimous in identifying their potential as exchange fluids due to their thermophysical properties superior to those of conventional fluids. However, its practical application in thermal systems remains unfulfilled, mainly due to the scarcity of experimental studies to simulate the heat transfer in real conditions. Therefore, an experimental study was conducted to characterize the convective heat transfer coefficient of nanofluidic systems, subjected to developing laminar flow in a horizontal circular tube. The study carried out focused on the characterization of nanofluids containing carbon nanotubes (CNT), since these nanoparticles enable the production of durable and stable dispersions, and have high thermophysical properties. For this purpose, the preparation and stabilization methodologies of nanofluids containing CNT have been developed, and their thermophysical properties were also characterized. The conducted experimental work was established by the observation of the nanofluids behavior with CNT concentrations of 0,25% and 0,5%, when subjected to different test flows and temperatures. The results of the parametric analysis allowed to evaluate the variation of the convective heat transfer coefficient of the nanofluids under different experimental conditions and the comparison with the base fluid values obtained under the same test conditions. With the development of this work it was possible to establish associations between the multiple variables involved in convective heat transfer, which influence the performance of the nanofluids, including the nanoparticle concentration, temperature, flow velocity and Reynolds number, while aiming to understand the involved mechanisms, which demonstrated the need for further experimental work in the future to enable the validation of the repeatability of the results.