Convective heat transfer of non-Newtonian nanofluids in micro heat exchanger

Abstract

The effect of using non-Newtonian fluids as a heat transfer medium in microchannel heat exchangers (MCHE) is numerically investigated. The study of Non-Newtonian fluids for heat transfer purposes is a research area with growing interest as a result of the development of nanofluids with enhanced heat transfer characteristics, as these usually show a complex rheologic behaviour. In the present work, water-based carbon multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) fluids, showing a shear-thinning rheological behaviour were considered. The heat transfer performance of MWCNTs nanofluids in microchannels is assessed for a wide range of operating conditions and comprising the parameters known to directly influence the thermophysical and transport properties of this sort of heat transfer fluid, namely base fluid, nanoparticle geometry and concentration. The overall problem is computationally solved using CFD tools, considering a single-phase, 2D, laminar, steady state flow numerical model for a specific micro heat exchanger geometry. The thermophysical properties of the considered MWCNTs nanofluids, experimentally obtained, were made available and conveniently modelled. As the physical properties of the considered fluids are directly related to the fluids morphology, the study provides a means to establish the relative influence of MWCNTs nanofluids properties on the overall heat transfer and fluid flow effectiveness of such systems, providing a mean to indirectly support the tailoring of the heat transfer fluid to specific heat exchanger applications, e.g.: micro-electromechanical systems, solar energy, aerospace applications. This thesis addresses several goals of the 2030 Agenda for Sustainable Development, adopted by all United Nations Member States in 2015, namely those directly and indirectly related with energy use and availability (7, 9, 11 and 13, see: https://sustainabledevelopment.un.org/sdgs), since heat transfer effectiveness dictates the overall energy efficiency of most thermal systems, broadening the scope towards more rational use of energy sources and hence mitigate the environmental impact of the system’s life cycle.

Neste trabalho é estudado numericamente o impacto do uso de fluidos não-newtonianos como meio de transferência de calor em micro permutadores de calor (MCHE). O estudo da utilização de fluidos não newtonianos para fins de transferência de calor é uma área de pesquisa com interesse crescente como resultado do desenvolvimento de nanofluidos com características de transferência de calor melhoradas, já que estes geralmente apresentam um comportamento reológico complexo, i.e., não newtoniano. No presente trabalho, foram considerados nanofluidos de base aquosa produzidos a partir de nanotubos de carbono (MWCNT), caracterizados por um comportamento reológico pseudoplástico. O desempenho da transferência de calor destes nanofluidos em microcanais é avaliado para uma extensiva gama de condições de operação e compreendendo variações nos parâmetros constitutivos e morfológicos do fluido de trabalho, identificados como determinantes das propriedades termofísicas e de transporte deste tipo de fluido, nomeadamente, fluido de base, geometria da nanopartícula e concentração. O problema em análise é estudado computacionalmente usando ferramentas de CFD, considerando escoamento monofásico bidimensional, em condições estacionárias e regime laminar, para uma geometria específica de micro permutador de calor. As propriedades termofísicas dos nano fluídos considerados, obtidas experimentalmente, foram disponibilizadas e convenientemente modeladas, de modo a serem integradas neste estudo. Como as propriedades físicas dos fluidos considerados estão diretamente relacionadas à composição e morfologia dos fluidos, os resultados deste estudo podem ser usados para estabelecer a influência relativa da propriedades deste tipo de nanofluido sobre a transferência de calor e eficácia do processo de transferência neste tipo de sistema (micro canais), proporcionando uma forma de indireta de estabelecer as características do fluido de trabalho em função da aplicação específica pretendida, por exemplo: micro sistemas eletromecânicos, energia solar, aplicações aeroespaciais, sensores, atuadores etc. Esta tese aborda vários objetivos da Agenda 2030 para o Desenvolvimento Sustentável, adotada por todos os estados-membro das nações Unidas em 2015, nomeadamente as relacionadas direta e indiretamente com a utilização e disponibilidade de energia (7, 9, 11 e 13, ver: https://sustainabledevelopment.un.org/SDGs), uma vez que a eficácia da transferência de calor dita a eficiência energética da maioria dos sistemas térmicos, potenciando uma utilização mais racional das fontes de energia disponíveis, e consequentemente, um menor impacto ambiental quando se considera o ciclo de vida do sistema.