Nanofluids for heat exchanger improvement: a numerical approach

Abstract

No panorama industrial, as últimas décadas ficaram marcadas pelo aparecimento do conceito de sustentabilidade, consequência da crescente escassez de recursos e o desaparecimento de ecossistemas. Os resultados da poluição excessiva têm sido notórios, como o buraco do ozono ou a intensificação de fenómenos meteorológicos adversos comprovam. Cientes da aproximação a um ponto de irreversibilidade, governos e indústrias perseguem o objectivo comum de proteger o ambiente e racionalizar consumos energéticos, com vista a garantir a sobrevivência das gerações futuras. Permutadores de calor desempenham um papel fundamental no aquecimento, arrefecimento e recuperação energética, tendo também sido alvo da implementação de medidas que promovem o aumento da sua eficiência com vista a contribuir para a sustentabilidade dos sistemas térmicos nos quais operam. A principal limitação dos actuais permutadores é o baixo desempenho calorífico dos fluidos operantes tipicamente empregues, como óleo, glicóis ou água. De forma a preencher esta lacuna, surgiram recentemente os nanofluidos, suspensões de nanopartículas, possuidores de melhores propriedades de transferência de calor, em fluidos comuns. Estes revelam aumentos substanciais no desempenho, permitindo antever um aumento da eficiência dos dispositivos quando aplicado. De momento, o desconhecimento dos parâmetros mais influentes para a transferência anómala de calor, está a restringir a sua aplicabilidade industrial. Para o estudo da transferência de calor, por convecção, de um nanofluido, composto por água destilada e nanotubos de carbono, um modelo numérico é proposto e validado com base em dados experimentais. As propriedades mais relevantes dos fluidos em estudos desta natureza, o coeficiente de convecção e o número de Nusselt, são obtidos através da análise ao escoamento no interior de um tubo aquecido (aço inox). Os dados obtidos para o nanofluido são posteriormente comparados aos valores correspondentes para a água destilada e às correlações teóricas comuns. Propõe-se, adicionalmente, o estudo e debate do contributo de alguns dos mecanismos comuns à transferência de calor, por intermédio de testes paramétricos individuais.

In the industrial panorama, the last decades have been marked by the advent of the concept of sustainability, consequence of growing resource scarcity and ecosystem destruction. Excessive pollution has led to notorious concerns, such as ozone layer depletion or severe climatic events. In order to guarantee the safety of future generations, governments and industries share the common goal of environment preservation and rational energy expenditure, before a point of no return is reached. Heat exchangers perform an important role in heating, cooling and heat recovery, having also been subjected to the implementation of measures that promote efficiency in order to ultimately contribute to the sustainability of the systems in which they operate. The main limitation of current exchangers is the poor heat transfer behaviour of common operating fluids, such as oil, glycols or water. In order to fulfil the requirement of improved fluid heat transfer, the recent advent of nanofluids, high heat transfer nanoparticle suspensions in base fluids, has taken place. These have displayed substantial heat transfer performances, allowing to foresee increases in device efficiency once applied. At present the mechanisms, responsible for the anomalous enhancements, remain unknown, thus restricting industrial applicability. For the convective heat transfer study of a nanofluid, with carbon nanotubes suspended in deionized water, a numerical model is proposed and validated based on experimental data. The relevant fluid properties used for such investigations, the heat transfer coefficient and the Nusselt number, are obtained for fluid flow through a heated tube (stainless steel). The acquired results for the nanofluid are then compared to the matching data for deionized water and to common theoretical correlations. Additionally, a study and debate concerning the contribution of typical heat transfer mechanisms, evaluated individually under parametric testing, is proposed.