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ORCID:  http://orcid.org/0000-0001-7731-0486
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Desempenho termo-hidráulico de um radiador automotivo operando com nanofluidos
Alternate title (s): Thermohydraulic performance in a car radiator operating with nanofluids
Author: Contreras, Edwin Martin Cardenas
First Advisor: Bandarra Filho, Enio Pedone
First member of the Committee: Carvalho, Solidônio Rodrigues de
Second member of the Committee: Vedovotto, João Marcelo
Third member of the Committee: Gómez, Luben Cabezas
Fourth member of the Committee: Schneider, Paulo Smith
Summary: A presente pesquisa trata de uma investigação experimental do desempenho termo-hidráulico de um radiador automotivo operando com nanofluidos em elevadas temperaturas, de 80 °C até 105 °C, utilizando uma mistura de água e etilenoglicol (50% em volume), como fluido base. Produziu-se os nanofluidos dispersando nanopartículas de nanotubos de carbono (concentrações volumétricas de 0,025%; 0,05% e 0,1%) e de prata (concentrações volumétricas de 0,001%; 0,002% e 0,003%) aplicando-se o método de dois passos, envolvendo ultrasonicação e homogeneização sob alta pressão. Incialmente, avaliou-se a estabilidade dos nanofluidos pelo método de espectrofotometria UV-vis e foram mensuradas suas propriedades termofísicas (condutividade térmica, viscosidade e massa específica). Posteriormente, os nanofluidos foram ensaiados como líquido de arrefecimento em um radiador instalado em um túnel de vento, instrumentado para avaliar o desempenho termo-hidráulico. Investigaram-se os fatores que influenciam a transferência de calor e a queda de pressão, incluindo concentração de nanopartículas, vazão mássica e a temperatura. A abordagem computacional para simular o radiador foi desenvolvida no software Engineering Equation Solver (EES). Os resultados mostraram que a condutividade térmica dos nanofluidos tem um incremento de até 6,4%. Para a viscosidade e massa específica os incrementos máximos observados foram de 11% e 0,23%, respectivamente. Os modelos propostos para o cálculo da condutividade térmica (com desvio máximo 1,5%) e viscosidade (com desvio máximo 3%) apresentaram boa concordância em relação aos resultados experimentais. Nos ensaios de bancada, os nanofluidos exibiram taxa de transferência de calor ligeiramente aumentada, com valor máximo de 3,7%, em comparação ao fluido base. Observou-se também um incremento máximo na potência de bombeamento de 3,6%. Comparou-se então os resultados da transferência de calor com os valores obtidos a partir dos modelos de correlação para nanofluidos, obtendo-se um desvio médio de 4,1%. Em geral, os nanofluidos de prata não apresentaram potencial para substituir o líquido de arrefecimento automotivo. Por outro lado, a amostra de nanofluido MWCNT2 com nanotubos de carbono demonstrou ser promissora, exibindo um coeficiente de desempenho termo-hidráulico de 1,015.
Abstract: This study focuses on experimentally investigating the thermal-hydraulic performance of an automotive radiator operating with nanofluids at high temperatures, from 80 °C to 105 °C, from a binary mixture of water and ethylene glycol (50% by volume), served as the base fluid. Nanofluids were prepared by dispersing multi-walled carbon nanotubes (with volumetric concentrations of 0.025%, 0.05%, and 0.1%) and silver (with volumetric concentrations of 0.001%, 0.002%, and 0.003%) nanoparticles using a two-step method involving ultrasonication and high-pressure homogenization. As a first step, the stability of the nanofluid samples was assessed using the UV-vis spectrophotometry method, followed by an experimental measurement of their thermophysical properties, including thermal conductivity, viscosity, and specific mass. Subsequently, the nanofluids were employed as a substitute for coolant fluids in a car radiator installed in a wind tunnel instrumented to evaluate thermo-hydraulic performance. Key factors affecting heat transfer and pressure drop, such as nanoparticle concentration, mass flow rate, and temperature, were thoroughly investigated. The computational approach was developed in the Engineering Equation Solver (EES) software to simulate the radiator. The results show that the thermal conductivity of the nanofluids increased by up to 6.4%. The maximum increases observed in viscosity and specific mass were 11% and 0.23%, respectively. The models proposed for estimating thermal conductivity (maximum deviation 1.5%) and viscosity (maximum deviation 3%) were found to be suitable, exhibiting good agreement with experimental results. For the tests on the experimental bench, the nanofluids demonstrated a slightly enhanced heat transfer rate, with a maximum value of 3.7% compared to the base fluid. However, this improvement was accompanied by an increase in pumping power of 3.6%, moderately impacting the thermal-hydraulic performance coefficient. Furthermore, laminar heat transfer outcomes were compared with the values obtained from the correlation models for nanofluids, obtaining an average deviation of 4.1%. In general, silver nanofluids did not show the potential to substitute coolant for car radiators. On the other hand, the MWCNT2 nanofluid sample with carbon nanotube proved to be promising, exhibiting a thermal-hydraulic coefficient of performance of 1.015.
Keywords: Nanofluidos
Nanofluids
desempenho termo-hidráulico
thermohydraulic performance
nanotubos de carbono
carbon nanotubes
prata
silver
radiador automotivo
car radiator
Engenharia mecânica
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::TRANSFERENCIA DE CALOR
Subject: Engenharia Mecânica
Mecânica dos fluidos
Meios de transferência de calor
Calor - Transmissão
Nanopartículas
Automóveis - Mecânica
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: CONTRERAS, Edwin Martin Cardenas. Desempenho termo-hidráulico de um radiador automotivo operando com nanofluidos. 2024. 172 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2024. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.361.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.361
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/41855
Date of defense: 29-May-2024
Sustainable Development Goals SDGs: ODS::ODS 9. Indústria, Inovação e infraestrutura - Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável, e fomentar a inovação.
Appears in Collections:TESE - Engenharia Mecânica

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