Investigación de la conductividad térmica y el rendimiento térmico de los tubos de calor mediante nanofluido de ZnO estabilizado con copolímero estructuralmente diseñado

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 14219 (2023) Citar este artículo

Detalles de métricas

El presente estudio se centró en estimar la conductividad térmica, la estabilidad, la eficiencia y la resistencia de un tubo de calor para intercambiadores de calor, que eran esenciales para muchas aplicaciones industriales. Para lograr esto, se sintetizó un copolímero de poli (ácido estireno-co-2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico) poli (STY-co-AMPS) anfifílico mediante la técnica de polimerización de radicales libres. Los dispersantes se utilizaron para una solución homogénea y la estabilización de nanofluidos de ZnO. El efecto del dispersante sobre la conductividad térmica de los nanofluidos se analizó utilizando un analizador de propiedades térmicas KD2 pro. Hay un aumento significativo en la conductividad del fluido que tiene una relación no lineal con la fracción de volumen. La mejora máxima se observó con una concentración optimizada de dispersante al 1,5 % en volumen. Al mismo tiempo, se comparó la influencia del agente dispersante sobre la conductividad térmica de los nanofluidos con la de los polielectrolitos lineales. Además, los valores experimentales se compararon con los modelos clásicos existentes basándose en la agregación razonable de que los nanofluidos preparados se emplearon como medio de trabajo. Se investigó experimentalmente el tubo de calor de malla de pantalla convencional y la distribución de temperatura hasta la resistencia térmica del tubo de calor. El resultado muestra que la concentración óptima de dispersantes en nanopartículas exhibe una eficiencia térmica mejorada en comparación con los fluidos base. Además, la resistencia térmica y la distribución de temperatura muestran un comportamiento disminuido al aumentar la fracción de volumen de partículas y la concentración de dispersante.

Desde las últimas dos décadas, el almacenamiento de energía, la transmisión de energía y la generación de calor son el principal dominio de investigación al que se asignó el 90% del presupuesto energético mundial. Los rápidos avances se trasladaron a materiales térmicos avanzados e investigación tecnológica. Por lo tanto, existe la necesidad de mejorar las propiedades termofísicas de los fluidos de trabajo, lo que puede conducir a mejorar el rendimiento de transferencia de calor de los dispositivos. Principalmente, el aceite de motor, el etilenglicol y el agua se utilizaron ampliamente como fluidos convencionales para la transferencia de calor debido a su baja conductividad térmica, lo que afecta el rendimiento de los dispositivos de transferencia de calor. Dado que el heatpipe es un dispositivo de transferencia de calor de dos fases que transfiere calor con una caída de temperatura muy baja de un lugar a otro. Debido a su eficaz eficiencia de enfriamiento, se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones de transferencia de calor. El caloducto es un sistema de enfriamiento común en muchas aplicaciones térmicas porque el fluido de trabajo circula a través de un gradiente de presión capilar. La transición de fase y la evaporación/condensación del fluido de trabajo causan una variación sustancial en las características de transferencia de calor. La efectividad del tubo de calor se basa en la calidad/dimensión del material, las propiedades del fluido y las estructuras de la mecha1. La aplicación térmica incluye sistemas solares2, detección de gases3, refrigeración electrónica4, optoelectrónica5, aeroespacial6 e intercambiadores de calor7,8.

Para aplicaciones de transferencia de calor, se utilizaron nanofluidos como fluidos de trabajo que pueden superar los inconvenientes de los fluidos convencionales. Se requiere la dispersión estable de nanofluidos térmicos para aprovechar el potencial y alcanzar los estándares industriales9. El principal inconveniente de las NP sería la separación de fases y la precipitación de los fluidos. Durante el proceso de transferencia de calor, los nanofluidos agregados causarían problemas de obstrucción y abrasión en sistemas microelectrónicos particulares10. Lograr la dispersión de nanofluidos térmicos es uno de los mayores desafíos y se han intentado muchos enfoques que incluyen la adición de cargas superficiales/el uso de modificación química de la superficie con tensioactivos. Tratamiento ultrasónico, agitación mecánica, etc.

Muchos investigadores han intentado mejorar el rendimiento térmico de los nanofluidos. Kang et al.11 investigaron el efecto de los nanofluidos de plata en un tubo de calor sinterizado. Según sus hallazgos, hay una disminución en la potencia de entrada de la temperatura de la pared de 30 a 50 W. Además, los nanofluidos como medio de trabajo en tubos de calor evidenciaron un mayor rendimiento térmico de hasta 70 W en comparación con el agua como fluido base12. De manera similar, Rosari et al.13 investigaron la conductividad térmica y el rendimiento térmico de las tuberías de calor de nanofluidos a base de ZnO-etilenglicol en fracciones de volumen de partículas más bajas. En su observación, la distribución de temperatura y la resistencia térmica de los tubos de calor disminuyen al aumentar la fracción de volumen de partículas y el tamaño cristalino. Mientras que, Jian et al.14 informaron la comparación del rendimiento térmico de tubos de calor oscilantes (OHP) con nanofluidos de agua de SiO2 y agua de Al2O3 en una concentración de masa de nanopartículas (0–0,6% en peso de SiO2 y 0–1,2% en peso de Al2O3). Se observa que el cambio en las condiciones de la superficie en el condensador y evaporador se debe principalmente a diferentes partículas, que afectan el rendimiento térmico o el deterioro de los heatpipes15. Además, Kumaresan et al.16 realizaron un estudio comparativo de tubos de calor de mecha sinterizados y de malla en nanofluidos de CuO. En su estudio, el único efecto de los tubos de calor de mecha sinterizada muestra un rendimiento térmico y una resistencia térmica mejorados de los tubos de calor en comparación con los tubos de calor de mecha de malla de 70 W.

Suresh et al.17 prepararon nanofluidos híbridos Al2O3-Cu/agua DI (proporción en peso 90:20) utilizando un dispersante: laurilsulfato de sodio (SLS). Se investigaron experimentalmente la conductividad térmica y la viscosidad de los nanofluidos híbridos y se encontró que la conductividad térmica máxima era del 12,11% con una concentración de volumen del 2%. Hamidesh et al.18 desarrollaron nanofluidos de CNT-agua funcionalizados mediante el uso de agentes oxidantes para mejorar la capacidad de enfriamiento de los dispositivos electrónicos. En el termosifón, los nanofluidos con una fracción de sodio altamente funcionalizada obtuvieron mejores resultados en términos de mayor eficiencia térmica y menor resistencia térmica. Los nanofluidos se aglomeran fácilmente debido a su alta superficie específica, por lo que mantener la estabilidad se ha convertido en una cuestión difícil19. Además, los nanofluidos agregados tienden a sedimentarse, lo que degrada las propiedades térmicas de los nanofluidos20. En la mayoría de los casos, es necesario añadir una gran cantidad de tensioactivos para conseguir una buena estabilidad, lo que da como resultado un aumento de la conductividad térmica y la viscosidad. Sin embargo, la alta viscosidad de los nanofluidos necesita más potencia para transportar el fluido de un punto a otro, lo que dificulta el uso de estos nanofluidos en aplicaciones prácticas. Para superar los problemas de estabilidad, se utilizaron dispersantes poliméricos como estabilizadores para mejorar la estabilidad a largo plazo de los nanofluidos. Según la revisión de la literatura, se ha realizado menos trabajo sobre dispersantes de polímeros para conductividad térmica y técnicas experimentales de tuberías de calor.

Recientemente, los copolímeros funcionalizados recibieron una importancia significativa debido a su amplia gama de propiedades proporcionadas al ajustar/reemplazar las características estructurales tales como sulfonilo, carboxílico, amidas, aldehídos, anhídridos, cadenas laterales poliméricas solubles, etc. Esto crea una barrera electrostática eficaz que evita la aglomeración de las partículas y mejora la estabilidad de la dispersión21. Las propiedades superficiales de las NP pueden modificarse mediante copolímeros funcionalizados con amida cambiando sus propiedades de solución, como la carga superficial y la estabilidad coloidal22.

En el presente trabajo se sintetizó el copolímero de poli (STY-co-AMPS) anfifílico como dispersante. AMPS es un monómero acrílico de ácido sulfónico hidrofílico que es altamente reactivo y exhibe una buena estabilidad térmica23. El copolímero funcionalizado tiene una cadena principal hidrófoba, es decir, un resto de estireno que conduce a una fácil adsorción sobre la superficie catiónica de las NP. Por otro lado, la fracción AMPS hidrófila crea un efecto electrostático para la dispersión adecuada de las NP en los fluidos. Se ha demostrado que la incorporación de restos STY y AMPS en la estructura del polímero anfifílico es adecuada para la dispersión de NP en medios acuosos. Los grupos sulfonilo (–SO3), amida (–NH2) e hidroxilo (–OH) hidrófilos altamente funcionalizados tienen un alto grado de ionización que mejora las propiedades de dispersión de las NP. Demostramos el potencial de los polímeros anfifílicos solubles en agua que contienen el grupo –SO3 como dispersantes para la dispersión uniforme de NP en los fluidos. Este enfoque proporciona una forma conveniente de estabilizar los nanofluidos utilizando una técnica modificada en presencia de copolímeros funcionales diseñados estructuralmente sobre las propiedades termofísicas de los nanofluidos de ZnO para aplicaciones de transferencia de calor.

Los productos químicos [(AMPS: ácido 2-acrilamido-2-metilpropanosulfónico), (AIBA: azobisisobutironitrilo), (STY: estireno)] se compraron de sigma Aldrich con una pureza del 99 % y se utilizó estireno después del proceso de purificación. Los disolventes (éter dietílico y dimetilformamida) se adquirieron en Merck, India, y se utilizaron tal como se recibieron. Se utilizó agua bidestilada para crear las dispersiones.

Las polimerizaciones por radicales libres de STY y AMPS se llevan a cabo en un típico matraz de fondo redondo de tres bocas equipado con un enfriador inverso, un tubo de entrada de gas N2, un agitador y un termistor a entre 70 °C y 80 °C con AIBN como el iniciador radical en una atmósfera de N2. La mezcla se agita durante aproximadamente 24 h. Además, se usó dietil éter para precipitar el copolímero producido, que luego se secó al vacío a 60 °C hasta obtener un peso constante. El esquema de la reacción se representa en la Fig. 1. Se utilizó espectroscopía de RMN FTIR, 1H y 13C para determinar la estructura y las composiciones de los copolímeros.

Representación esquemática de la síntesis del copolímero Poly (STY-co-AMPS).

La síntesis y caracterización de las NP de ZnO se describieron en la publicación anterior24,25. En el presente estudio se utilizaron las mismas NP de ZnO. Para garantizar una dispersión uniforme de las partículas, se añadió un volumen determinado de NP de ZnO al fluido base y se sonicó durante una hora. Luego, la mezcla resultante se sometió a ultrasonidos durante casi 2 h a temperatura ambiente utilizando un ultrasonicador (Marca: Dakshin Ultrasonics, India) que tenía una frecuencia fija de 22 kHz y una potencia de salida de 240 W a temperatura ambiente durante aproximadamente 2 h. Se utilizó el mismo proceso para crear un segundo lote de nanofluidos que contenían varias cadenas de copolímero STY-co-AMPS de un polímero anfifílico como dispersante.

Para asegurar una mezcla uniforme del dispersante en los fluidos base, primero se dispersaron las diferentes concentraciones de dispersante en el fluido base y se agitaron constantemente durante una hora. Después de la mezcla de fluido base dispersante, se añadió la concentración volumétrica medida de NP. A esto le siguió el mismo proceso mencionado anteriormente. Luego se examinaron las características termofísicas de los nanofluidos de ZnO a base de agua.

Para evaluar la conductividad térmica de los nanofluidos de ZnO se utilizó el analizador de propiedades térmicas KD2 Pro ((Decagon Devices, USA). Incluye una sonda de 60 mm que actúa como fuente de calor y como sensor de temperatura. Para operar y realizar las mediciones, La sonda está conectada a un microcontrolador y el dispositivo se calibró utilizando la glicerina que viene con el equipo para determinar el margen de precisión del experimento.

Como se ilustra en la Fig. 2, la configuración experimental incluye un tubo de calor, un sistema de enfriamiento, recopilación de datos y una computadora. Se diseñaron tubos de calor con un diámetro exterior de 19,5 mm y una longitud de 350 mm para comparar la eficiencia térmica prevista con la evidencia experimental. El tubo de calor contiene cuatro capas de mecha de alambre de cobre de malla 100 (diámetro de alambre de 0,009 mm). Para saturar completamente la mecha, se cargan 12 cc de fluido de trabajo en el tubo de calor una vez construido.

Vista gráfica (a) Configuración experimental (b) Posición del termopar.

En el experimento actual, se utilizan nanofluidos de ZnO estabilizados con dispersantes como fluido de trabajo. La sección del calentador tiene una capacidad de potencia máxima de 1000 W. El evaporador obtiene su energía de una fuente de alimentación de CA. Para evitar la resistencia térmica entre las superficies del calentador y el evaporador, se aplica una pasta de alta conductividad térmica. Para evitar la pérdida de calor entre el evaporador y la superficie del calentador, se utiliza un material de fibra de vidrio de 40 mm de espesor con una conductividad térmica de 0,04 W/mK. El condensador del tubo de calor está hecho de material acrílico, el enfriador entrega un caudal constante de 320 ml/min de agua de refrigeración a la camisa de refrigeración a una temperatura constante de 25 ± 0,5 °C.

El caudal del agua de refrigeración se mide con un caudalímetro. Se encuentra que el caudal de agua de refrigeración tiene una incertidumbre del 2%. Las temperaturas de las paredes del tubo de calor y del agua de refrigeración en la entrada y salida del condensador se miden con una precisión de 0,1 °C utilizando termopares tipo OMEGA T. El tubo de calor está colocado horizontalmente. La entrada de calor utilizada en el experimento oscila entre 50 y 400 W. Utilizando un registrador de datos Agilent, se realizan mediciones de temperatura en estado estacionario durante el experimento en intervalos de 30 s. Las mediciones de temperatura en estado estable luego se guardan en la computadora para su posterior procesamiento y reducción de fecha.

La entrada de calor en el estudio actual se estima utilizando los valores del voltímetro y del amperímetro de la siguiente manera:

La cantidad de calor transferido al agua refrigerante se puede calcular a partir de la diferencia de temperatura entre el agua de entrada y salida, teniendo en cuenta también el caudal másico de agua y el calor específico26.

donde \(\Delta T=\)(\({T}_{out}\) − \({T}_{in}\)), \({T}_{out}\) y \({ T}_{in}\) son las temperaturas del fluido refrigerante a su salida y entrada, respectivamente. my Cp son el caudal másico y la capacidad calorífica del refrigerante, respectivamente.

El coeficiente de transferencia de calor del evaporador de los heatpipes27 se calcula utilizando la ecuación. (3)

Para evaluar el rendimiento térmico de un heatpipe, es especialmente importante considerar las caídas de temperatura entre el evaporador y el condensador. La resistencia térmica general del tubo de calor se describe a continuación:

donde \(\Delta T={T}_{e}-{T}_{c}\) , \({T}_{e}\) y \({T}_{c}\) son los Temperaturas promedio de las paredes del evaporador y del condensador, respectivamente. La resistencia térmica del evaporador y del condensador se calcula utilizando las Ecs. (5) y (6)28.

La temperatura promedio de la pared en la línea de vapor se consideró como temperatura de saturación o de vapor \({T}_{vap}\).

La eficiencia térmica de los tubos de calor se calcula basándose en la ley de la termodinámica29,30 utilizando la siguiente ecuación. (7).

donde \({\eta }_{th}-\mathrm{eficiencia térmica }, \frac{{Q}_{out}}{{Q}_{in}}\): salida de calor y entrada de calor, respectivamente. Los valores calculados se tabulan en la Tabla 1.

Cada parámetro como error medido. Después de los cálculos anteriores, las incertidumbres en la medición del coeficiente de transferencia de calor y la resistencia térmica total se calcularon utilizando las siguientes ecuaciones. (7–10)27,28 .

La incertidumbre en la tasa de transferencia de calor se calcula como

donde \(\Delta m\)—Error en la medición del caudal másico, \(\Delta t\)—Error en la diferencia de temperatura del fluido refrigerante y \(\frac{\Delta Q}{Q}\) representa el incertidumbre presente en la estimación de la tasa de transferencia de calor.

La incertidumbre en el flujo de calor se calcula como

La incertidumbre en la resistencia térmica se calcula mediante

donde \({\Delta T}_{hp}\) y \(\frac{\Delta R}{R}\) son el error en la diferencia de temperatura y la incertidumbre en la resistencia térmica de los tubos de calor, respectivamente.

La incertidumbre en el coeficiente de transferencia de calor se calcula como

Las incertidumbres en la medición del flujo de calor, la resistencia térmica y la medición se presentan en las Tablas 2 y 3. Se ve que las incertidumbres en las mediciones del flujo de calor, la resistencia total y los coeficientes de transferencia de calor a medida que la entrada de calor aumenta de 50 a 400 W. .

Para comparar la conductividad térmica efectiva de los nanofluidos se han propuesto numerosos modelos matemáticos31,32. Para calcular la conductividad térmica de los nanofluidos de ZnO, utilizamos los modelos de Hamilton Crosser, Pak y Cho y Timofeeva (ecuaciones 13, 14 y 15) y comparamos los resultados con observaciones experimentales. Se descubre que las NP de ZnO tienen una conductividad térmica de 23,413 W/mK.

Según el modelo de Hamilton y Crosser (H–C) (1962)33,34 creado para determinar la conductividad térmica efectiva de una mezcla bifásica,

donde \({\mathrm{k}}_{\mathrm{p}}\)—Conductividad térmica de las NP, \(\mathrm{\varphi }\)—Fracción de volumen de las NP, \({\mathrm{k} }_{\mathrm{bf}}\)—Conductividad térmica de fluidos base, la esfericidad se define como la relación entre el área de superficie de una esfera con un volumen igual al de la partícula y el área de superficie de la partícula, y n es el factor de forma empírico determinado por n = 3/\(\varphi \). El modelo H-C estima la relación de conductividad térmica, k nf/k bf, para valores que oscilan entre 0,5 y 1,5.

Para nanofluidos de Al2O3 y TiO2, Pak y Cho35 crearon un modelo de conductividad térmica, que se escribió como

La hipótesis del medio efectivo fue propuesta por Timofeeva et al.36 para determinar la relación de conductividad térmica para partículas esféricas fuertemente conductoras. El modelo parte de la suposición poco realista de que las partículas son estacionarias.

En la Fig. 3. FTIR para copolímero de poli (STY-co-AMPS): picos característicos a 2919–3000 cm−1 (Ar –CH del anillo de benceno), 1436 y 1406 cm–1 (vibración de enlaces –C–C en el anillo de benceno), 3418 y 1665 cm–1 (estiramiento –NH y estiramiento C=O), 1406 cm–1 (estiramiento –C–N) y 1016 cm–1 (vibración de estiramiento de SO3H). En la Fig. 4. RMN 1H (400 MHz, DMSO): δ = 2,32–2,56 (–CH y –CH2), 7,05–7,96 (Ar –CH), 1,42 (CH3 en cadena lateral –C(CH3)2), 1,25–1,89 (–CH y –CH2 para AMPS), 2,68 (–CH2–SO3H), 6,15–6,78 (amplia, NH amida) y 8,22 (–OH) para AMPS. RMN 13C (400 MHz, DMSO): δ = 125,61–129,19 (p-, o-, m-, Ar –CH), 168,18 (C=O anhídrido y amida, superpuestos), 51,54–53,93 (C–(CH3) 2), 25,62–42,54 (–CH–CH2), 58,05 (CH2–SO3H) son señales respectivas que confirman la formación del copolímero, como se muestra en la Fig. 5.

Espectro FTIR para copolímero de poli (STY-co-AMPS).

Espectro de RMN 1H para copolímero de poli (STY-co-AMPS).

Espectro de RMN de 13C para copolímero de poli (STY-co-AMPS).

Se obtuvo una evaluación cuantitativa de la distribución del tamaño de partículas mediante análisis DLS. Para el análisis se utilizó una muestra diluida recién preparada, que se llevó a cabo a 25 °C. Figura 6a. Representa la distribución del tamaño de partículas del nanofluido de ZnO. El índice de polidispersidad (relación entre el diámetro de partícula promedio ponderado en masa y el diámetro de partícula promedio ponderado en número), determinado mediante análisis DLS, es 1,001, y el tamaño de partícula promedio en número es 95 nm. El tamaño de partícula observado es significativamente mayor que el tamaño de nanopartícula deseado (50 nm), lo que sugiere que pueden haberse formado grupos de partículas termodinámicamente estables. Esto se debe principalmente a la capa adsorbida de dispersantes de copolímeros anfifílicos en la superficie catiónica de los nanofluidos, lo que da como resultado un mayor diámetro de partícula. Figura 6b. muestra la distribución del tamaño de partículas del nanofluido de ZnO estabilizado con poli (STY-co-AMPS), que es de 221 nm, y el índice de polidispersidad, que es de 0,364.

Imágenes DLS para (a) nanofluido de ZnO (b) nanofluido de ZnO estabilizado con dispersante.

El valor del índice de polidispersidad inferior a uno indica una mejor homogeneidad y menos agrupamiento. Implica que los dispersantes desempeñaron un papel activo en la dispersión de los nanofluidos de ZnO debido al impedimento electrostático producido entre la capa adsorbida del copolímero y las NP en la suspensión. Se confirma además utilizando datos de potencial zeta.

El potencial zeta se utilizó para evaluar la estabilidad de la dispersión de NP en los fluidos base que se muestran en la Fig. 7. Representa el valor del potencial zeta de nanofluidos de ZnO estabilizados con dispersante con y sin dispersante. El valor del potencial zeta para los nanofluidos de ZnO en ausencia de dispersante fue de -6,78 mV en la Fig. 7a, y el valor potencial cambió ligeramente de negativo a positivo con la adición del dispersante, es decir, 50,1 mV en la Fig. 7b. Esto se debe a que una capa adsorbida de dispersantes de copolímero de poli (STY-co-AMPS) en la superficie de las NP de ZnO crea una barrera electrostática eficaz entre las partículas, lo que garantiza una mayor estabilidad y dispersabilidad37.

Imágenes de potencial Zeta para (a) nanofluido de ZnO (b) nanofluido de ZnO estabilizado con dispersante.

La Figura 8 muestra fotografías de nanofluidos de ZnO al 1% en peso sin y con copolímero (STY-co-AMPS) como dispersante en diversas concentraciones que oscilan entre el 0,5 y el 2,0% en volumen. Debido a la fuerte atracción entre las NP, los nanofluidos de ZnO comienzan a agregarse y asentarse en el fondo del vial después de 45 minutos de preparación. Los nanofluidos de ZnO estabilizados con dispersantes son estables durante 10 días en todas las concentraciones. Además, los nanofluidos estabilizados con polímeros comienzan la separación de fases después de 15 días de preparación y se observa una sedimentación completa después de 20 días, con la excepción de los nanofluidos estabilizados con dispersantes al 1,5 % en volumen, que son estables durante casi un mes debido a que hay suficientes moléculas adsorbidas que crean una fuerte repulsión electrostática. entre NP y se considera concentración óptima. Mientras que la concentración del dispersante aumentó a 2,0 vol%, la estabilidad de los nanofluidos disminuyó debido a un aumento de las moléculas adsorbidas en la solución, lo que provoca la floculación38.

Fotografías de sedimentación de nanofluidos de ZnO estabilizados con y sin dispersante.

La conductividad térmica de los nanofluidos de ZnO en diversas fracciones de volumen de dispersante y NP se representa en la Fig. 9. La mejor dispersión y mejora de la conductividad térmica de los nanofluidos se observa con 1,0 % en volumen de NP de ZnO y 1,5 % en volumen de copolímero STY-co-AMPS como un dispersante debido a una dispersión adecuada conduce a una mayor transferencia de calor. A 0,931 W/mK, los nanofluidos de ZnO al 1% en peso estabilizados con un dispersante al 1,5% en volumen ofrecieron la mayor mejora de la conductividad térmica, como se muestra en la Fig. 9a.

Conductividad térmica de nanofluidos de ZnO (a) En varias fracciones de volumen (b), diferentes temperaturas junto con barras de error (c) Comparación entre el modelo experimental y teórico.

La Figura 9b muestra la investigación sobre el efecto de la temperatura en la conductividad térmica de los nanofluidos de ZnO, con barras de error en el gráfico que indican la desviación estándar en mediciones posteriores. La conductividad térmica aumenta al aumentar la temperatura y disminuye gradualmente al aumentar la concentración de dispersante de polímero debido a la sobreadsorción de dispersantes de polímero, lo que inhibe la transferencia de calor y el movimiento browniano de las NP. La interacción iónica del resto de estireno hidrofóbico altamente funcionalizado adsorbido en la superficie catiónica de las NP de ZnO y el sulfonal hidrofílico ionizable (\({\mathrm{SO}}_{3}^{-}\)) y el hidroxilo (–OH ) el resto AMPS funcionalizado extendido en la suspensión de fluidos crea una barrera electrostática efectiva entre las NP en los fluidos base, promoviendo una dispersión homogénea y estabilización que a su vez mejora la transferencia de calor24,38.

La Figura 9c proporciona una comparación entre los valores de conductividad térmica teóricos y experimentales de los nanofluidos de ZnO. Los resultados revelaron que las conductividades térmicas experimentales tienen una ligera concordancia con el modelo de Hamilton y Crosser y el modelo de Timofeeva en una fracción de volumen de partículas más baja (0,5%). Sin embargo, el modelo de Pak y Cho predice en exceso los resultados experimentales.

La medición de la incertidumbre de la conductividad térmica de los resultados experimentales de nanofluidos se determinó utilizando el instrumento y el error de precisión causado por la desviación en el conjunto de datos experimental. KD2 Pro tiene un error instrumental del 5% al ​​medir la conductividad térmica39. La báscula tiene una precisión de 0,01 g. A continuación se presenta la incertidumbre de los datos del experimento40.

donde \({\mu }_{B}, {\mu }_{p}, {t }_{v, p}\) y SD son error de sesgo, precisión o error aleatorio en la medición con p% de probabilidad, función de pesaje \(\vartheta \) grado de libertad y desviación estándar muestral respectivamente.

donde keff y kf representan incertidumbre con p% de probabilidad, incluidos los errores de instrumento y de precisión asociados con la conductividad térmica efectiva medida y la conductividad térmica de los nanofluidos, respectivamente. Finalmente, se descubrió que la incertidumbre en la conductividad térmica efectiva y el TCR (relación de conductividad térmica) estaba entre 0,5 y 4,5%.

En la Fig. 10. Según las mediciones de conductividad térmica, el nanofluido formulado se cargó en el tubo de calor y se evaluó su rendimiento. Se midió la resistencia térmica general de los caloductos entre los ángulos de 0° y 90° en diversas entradas de calor (50–400 W) para estimar el efecto del ángulo de inclinación en el rendimiento térmico del caloducto utilizando agua como fluido base. como se muestra en la Fig. 10a. La resistencia térmica más baja del fluido base se observó en un ángulo de inclinación de 45°, que se considera un ángulo de inclinación base para la resistencia térmica total de los nanofluidos de ZnO para varias fracciones de volumen de partículas (0,5–1,5%) a 50–400 W de calor. entradas en la Fig. 10b. La resistencia térmica del heatpipe se reduce hasta un 1,0% en volumen. Luego, aumenta gradualmente al aumentar el % en volumen de nanofluidos de ZnO, debido a la aglomeración de NP. En todos los ángulos de inclinación de los nanofluidos de ZnO a un% en volumen más bajo (0,5–1,0), la resistencia térmica total disminuye gradualmente con entradas de calor de hasta 250 W y luego varía con los aumentos de la entrada de calor.

(a) Optimización del ángulo de inclinación para fluidos base (b) Resistencia térmica total v/s fracción de volumen de partículas en varias entradas de calor (c) Variación de la resistencia térmica total con varias entradas de calor.

Para investigar el rendimiento de la transferencia de calor de los nanofluidos estabilizados con dispersantes, se llevan a cabo experimentos y se comparan con y sin nanofluidos de ZnO estabilizados y fluidos base como se representa en la Fig. 10c. Como resultado, la resistencia térmica de los nanofluidos de ZnO es mayor que la de los nanofluidos de ZnO estabilizados con dispersantes. Inicialmente, las resistencias térmicas de los caloductos que utilizan fluidos base con y sin nanofluidos de ZnO mostraron una alta resistencia térmica con menores aportes de calor y disminuyen rápidamente con el correspondiente aumento en los aportes de calor de 50 a 400 W44. Según Hopkins et al.44, esta tendencia a que la resistencia térmica varíe con la entrada de calor es una característica común de los tubos de calor. La ecuación (4) se utiliza para calcular la resistencia térmica de los tubos de calor. Debido a la mayor longitud de la cadena AMPS hidrófila, los nanofluidos estabilizados con polímeros tienen una mayor resistencia térmica que los nanofluidos de ZnO, lo que resulta en una disminución en la transferencia de calor.

En la figura 11 se muestra la conductividad térmica mejorada del tubo de calor para diversas entradas de calor. La mejora podría atribuirse a la deposición de NP en la malla absorbente. Según las imágenes de FESEM, la capa de recubrimiento sobre la mecha de malla de la pantalla puede ayudar a aumentar el efecto capilar de la estructura de la mecha. La humectabilidad de la superficie se puede mejorar reduciendo el ángulo de contacto y aumentando la rugosidad de la superficie de la mecha, lo que aumenta el flujo de calor crítico41. Recientemente, Nandy Putra et al.42 informaron que la causa principal de la mejora en el rendimiento térmico de los tubos de calor que utilizan nanofluidos fue la creación de una capa delgada en la mecha de malla de la zona de evaporación. Dado que hay menos deposición cuando se utiliza un dispersante, la conductividad térmica comienza a caer bruscamente a 100 W. El tubo de calor tiende a migrar más cerca de la situación de secado ya que su capacidad máxima de transmisión de calor se alcanza a aproximadamente 100 W. El diferencial de temperatura entre la superficie del evaporador y el vapor aumenta como resultado de esta situación de secado parcial, que tiende a disminuir el coeficiente de transferencia de calor43,44. La conductividad térmica efectiva máxima se observó en 38% en 150 W, 29% en 100 W y 11% en 100 W para nanofluidos de ZnO, nanofluidos estabilizados con polímeros y fluidos base, respectivamente.

Conductividad térmica efectiva de nanofluidos con respecto al aporte de calor.

La Figura 12 muestra fotografías de nanofluidos de ZnO con y sin dispersantes tomadas antes y después del experimento con tubo de calor. La fotografía muestra claramente que los nanofluidos estabilizados con dispersantes eran más estables después del experimento que los nanofluidos de ZnO.

(a) Antes y después del experimento con tubería de calor de nanofluidos de ZnO (b) Antes y después del experimento con tubería de calor de nanofluidos de ZnO estabilizados con copolímero de poli (STY-co-AMPS).

La resistencia térmica en el evaporador se estima con y sin deposición de NP para demostrar el impacto de la deposición de Ps en la mecha sobre el rendimiento del caloducto.

donde \({\mathrm{R}}_{\mathrm{e}}\)—Resistencia en el evaporador, \({\mathrm{d}}_{\mathrm{o},\mathrm{w}}, { \mathrm{d}}_{\mathrm{i},\mathrm{w}}\) son los diámetros exterior e interior de la pared, \({\mathrm{d}}_{\mathrm{o},\ upomega} , {\mathrm{d}}_{\mathrm{i},\upomega}\) son el diámetro exterior e interior de la mecha, \({\mathrm{l}}_{\mathrm{e}},\ ) longitud de la sección del evaporador, \({\mathrm{k}}_{\mathrm{wall}}\) y \({\mathrm{k}}_{\mathrm{wick}}\) son la conductividad térmica de pared y mecha respectivamente.

La combinación de un nanofluido y una mecha tiene una conductividad térmica efectiva44 estimada en

La siguiente ecuación se utiliza para determinar la porosidad del múltiplo posterior de la mecha de malla de la pantalla (\(\varphi \))28.

Luego, la porosidad de la capa única de mecha (\({\mathrm{\varphi }}_{1})\) se calcula como45

En la Fig. 13 se ilustra la medida con y sin deposición de NP en la sección del evaporador del tubo de calor para diversas entradas de calor. El segmento del evaporador del tubo de calor con malla de mecha depositada tiene una resistencia menor que la sección correspondiente sin malla de mecha depositada, se descubre que podría deberse a la formación de una fina capa porosa por las NP en los fluidos.

Resistencia en el evaporador.

Como resultado, se reduce la capacidad de los caloductos para transportar calor. Debido a la adsorción de una capa de polímero en la superficie de las NP, los nanofluidos de ZnO tienen una resistencia térmica menor que los nanofluidos estabilizados con dispersantes.

Una vez completados todos los experimentos, se cortan los tubos de calor y se analiza la estructura de la mecha usando FESEM como se muestra en la Fig. 14. Las imágenes FESEM para los nanofluidos de ZnO se estabilizaron con y sin adición de copolímero como dispersante después del experimento con tubos de calor como se muestra en Figuras 14a,b. Se encontró que las NP se depositan en la estructura de la mecha en ambos casos de nanofluidos. Sin embargo, el nanofluido estabilizado con copolímero mostró menos deposición que el otro. Indica claramente que la capa porosa de la superficie produce una mayor transferencia de calor. En comparación, el 1% en volumen de nanofluidos de ZnO mostró una mayor transferencia de calor que el 1% en volumen de nanofluidos de ZnO estabilizados en 1,5% en volumen.

Imágenes FESEM para nanofluidos de ZnO estabilizados con y sin dispersante (a) copolímero de poli (STY-co-AMPS) estabilizado 1% en volumen de nanofluidos de ZnO (b) 1% en volumen de nanofluidos de ZnO después del experimento con tubería de calor.

En el trabajo actual se investigaron experimentalmente las conductividades térmicas de los nanofluidos de ZnO estabilizados con copolímero de poli (STY-co-AMPS) con una menor concentración de NP de ZnO. Además, se realizó un experimento utilizando nanofluidos estabilizados con dispersantes como fluidos de trabajo en tubos de calor de mecha para medir la resistencia térmica en diversas entradas de calor.

El copolímero de poli (STY-co-AMPS) estructuralmente diseñado se sintetizó mediante una reacción de polimerización de radicales libres y se confirmó mediante FT-IR, 1H-NMR y TGA. Las NP de ZnO se prepararon mediante el método de irradiación con microondas seguido de la preparación de nanofluidos de ZnO mediante la dispersión de diferentes fracciones de volumen de NP (0,5 a 1,5 % en volumen) y concentraciones de dispersante (0,5 a 2,0 % en volumen).

La concentración optimizada de dispersantes mostró un rendimiento térmico mejorado de los nanofluidos. La conductividad térmica máxima de 0,931 W/mK se observó con un 1% en volumen de nanofluidos de ZnO estabilizados con un dispersante al 1,5% en volumen.

Se encontró que la mejora efectiva de la conductividad térmica era del 38%, 29% y 11% para los nanofluidos de ZnO, los nanofluidos de ZnO estabilizados con polímeros y los fluidos base, respectivamente. El resultado experimental se comparó con los modelos teóricos; el modelo H-C es una buena concordancia correspondiente con Los valores.

Además, los nanofluidos correspondientes utilizados como fluido de trabajo en experimentos con tubos de calor para evaluar la resistencia térmica del tubo de calor en diversas distribuciones de temperatura tienen una relación no lineal con la fracción de volumen y la concentración del dispersante. La incertidumbre máxima resulta ser del 5,41%.

La disminución de la resistencia térmica del heatpipe con un aumento en la concentración del dispersante se debe a la capa adsorbida en la superficie de las NP. Los nanofluidos estabilizados con dispersantes exhibieron estabilidad térmica después del experimento del tubo de calor. Esto confirma que el polímero es estable en funcionamiento a alta temperatura y puede usarse como refrigerante para aplicaciones de transferencia de calor.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado [y sus archivos de información complementaria].

Área [m2]

Calor de vaporización [J/kg-K]

Longitud [m]

Caudal másico [kg/s]

Conductividad térmica [W/mK]

Flujo de calor [W/m2]

Tasa de transferencia de calor [W]

Resistencia [°C/W]

Número de la capa de la mecha.

Factor de prensado (1,05)

Número de malla

Temperatura [\(^\circ \mathrm{C}]\)

Diferencia de temperatura entre el vapor y el condensador.

Diferencia de temperatura entre la salida y la entrada del refrigerante.

Porosidad de la mecha multicapa

Porosidad de la mecha de una sola capa.

Espesor (m)

Adiabático

Condensador

Eficaz

Evaporador

Vapor

Interno

Exterior

Muro

Mecha

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Descargar referencias

Los autores agradecen al Instituto de Tecnología Manipal, MAHE, Manipal y al Centro de Investigación en Ciencia de Materiales y Gestión Térmica de la Universidad Karunya, Coimbatore por proporcionar las instalaciones de investigación.

Departamento de Química, Centro de Investigación, Instituto de Tecnología de GM, Davanagere, 577006, India

KS Pavithra

Departamento de Física, Instituto de Tecnología Bapuji, Davanagere, 577006, India

Vinay Parol

Laboratorio de Micro y Nano Transferencia de Calor, Departamento de Ingeniería Mecánica, Centro de Investigación en Ciencia de Materiales y Gestión Térmica, Instituto Karunya de Tecnología y Ciencias, Coimbatore, India

A. Brusly Salomón

Departamento de Química, Instituto de Tecnología de Manipal, MAHE, Manipal, 576104, India

MP Yashoda

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Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a KS Pavithra o MP Yashoda.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Pavithra, KS, Parol, V., Brusly Solomon, A. et al. Investigación de la conductividad térmica y el rendimiento térmico de los tubos de calor mediante nanofluido de ZnO estabilizado con copolímero estructuralmente diseñado. Informe científico 13, 14219 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39598-1

Descargar cita

Recibido: 30 de diciembre de 2022

Aceptado: 27 de julio de 2023

Publicado: 30 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39598-1

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