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https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/43278
ORCID: | http://orcid.org/0000-0002-2954-8956 |
Document type: | Tese |
Access type: | Acesso Aberto |
Title: | Análise numérica de nanofluidos escoando em um trocador de calor em túnel de vento |
Alternate title (s): | Numerical analysis of nanofluids flowing in a heat exchanger in a wind tunnel |
Author: | Nascimento, Erick Oliveira do |
First Advisor: | Bandarra Filho, Enio Pedone |
First coorientator: | Cabezas-Gómez, Luben |
First member of the Committee: | Silveira Neto, Aristeu da |
Second member of the Committee: | Moreira, Debora Carneiro |
Third member of the Committee: | Souza, Francisco José de |
Fourth member of the Committee: | Silva, Alexandre Kupka da |
Summary: | Na última década houve a intensificação de estudos sobre o desempenho térmico de trocadores de calor, devido às técnicas passivas, como o uso de aletas e de microcanais terem atingido um limite técnico, além da baixa condutividade térmica dos fluidos refrigerantes convencionais, como a água, o etilenoglicol (EG) e a mistura EG-água. Em automóveis, a baixa troca de calor desencadeia o aumento do peso dos radiadores e do arrasto, gerado pelo aumento da área superficial. Diversos pesquisadores têm dispersado partículas sólidas de tamanho nanométrico em fluidos base, com o intuito de aumentar a condutividade térmica destes fluidos e por consequência incrementar a transferência de calor em radiadores automotivos. Contudo, os testes experimentais de radiadores automotivos apresentam elevado custo na compra de materiais e equipamentos, se comparadas com as simulações computacional. Esta abordagem apresenta vantagens ainda maiores quando se utiliza nanofluidos como fluido de trabalho, devido à dificuldade de estabilização e o custo com a compra de nanopartículas, os quais são as principais barreiras do estudo experimental de nanofluidos. Desta forma, este trabalho tem como objetivo avaliar o desempenho termohidráulico de nanofluidos de grafeno/EG-água (50:50) em um radiador automotivo em um túnel de vento através do método de volumes finitos que está implementado no software Ansys Fluent. Diferentemente de outras simulações computacional de radiadores automotivos, neste trabalho são considerados os efeitos da condução de calor nas paredes do tubo e das aletas, a variação das propriedades do líquido de arrefecimento em função da temperatura local e a condição de contorno térmica não é constante ao longo do trocador de calor. Os resultados obtidos computacionalmente apresentam concordância satisfatória com os resultados experimentais para o fluido base. Numericamente, observou-se ganhos de até 12,13% na taxa de transferência de calor para o nanofluido com concentração de 0,10 vol.%, enquanto experimentalmente o ganho é de apenas 3,3% em relação ao fluido base. Para concentração de 0,5 vol.% foi identificado o aumento da transferência de calor em até 47,3%. Também foi avaliado o coeficiente de desempenho termohidráulico dos nanofluidos, em que se observou que todas as amostras analisadas foram superiores ao fluido base, indicando resultados promissores para aplicações em radiadores automotivos. Além disso, foi proposta uma nova correlação para o processo de transferência de calor convectiva para o nanofluido de grafeno. |
Abstract: | In the last decade there has been an intensification of studies on the thermal performance of heat exchangers, due to passive techniques, such as the use of fins and microchannels, having reached a technical limit, in addition to the low thermal conductivity of conventional refrigerant fluids, such as water, ethylene glycol (EG) and the EG-water mixture. In automobiles, low heat exchange triggers an increase in the weight of the radiators and drag, generated by the increase in surface area. Several researchers have dispersed nanometric-sized solid particles in base fluids, with the aim of increasing the thermal conductivity of these fluids and consequently increasing heat transfer in automotive radiators. However, experimental tests of automotive radiators present a high cost in purchasing materials and equipment, compared to computer simulations. This approach presents even greater advantages when using nanofluids as a working fluid, due to the difficulty of stabilization and the cost of purchasing nanoparticles, which are the main barriers to the experimental study of nanofluids. Therefore, this work aims to evaluate the thermohydraulic performance of graphene/EG-water nanofluids (50:50) in an automotive radiator in a wind tunnel using the finite volume method that is implemented in the Ansys Fluent software. Unlike other computer simulations of automotive radiators, this work considers the effects of heat conduction on the walls of the tube and fins, the variation in the properties of the coolant as a function of local temperature and the thermal boundary condition is not constant throughout along the heat exchanger. The results obtained computationally show satisfactory agreement with the experimental results for the base fluid. Numerically, gains of up to 12.13% in the heat transfer rate were observed for the nanofluid with a concentration of 0.10 vol.%, while experimentally the gain is only 3.3% in relation to the base fluid. For a concentration of 0.5 vol.%, an increase in heat transfer of up to 47.3% was identified. The thermohydraulic performance coefficient of the nanofluids was also evaluated, in which it was observed that all analyzed samples were superior to the base fluid, indicating promising results for applications in automotive radiators. Furthermore, a new correlation for the convective heat transfer process for graphene nanofluid was proposed. |
Keywords: | Radiador automotivo Nanofluidos Transferência de calor Dinâmica dos fluidos computacional Automotive radiator Nanofluids Heat transfer Computational fluid dynamics |
Area (s) of CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::TRANSFERENCIA DE CALOR |
Subject: | Engenharia mecânica Túneis aerodinâmicos Ventos - Escoamento Dinâmica dos fluidos |
Language: | por |
Country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Uberlândia |
Program: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica |
Quote: | NASCIMENTO, Erick Oliveira do. Análise numérica de nanofluidos escoando em um trocador de calor em túnel de vento. 2024. 156 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2024. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.566. |
Document identifier: | http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.566 |
URI: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/43278 |
Date of defense: | 19-Jul-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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