An experimental study on heat transfer of nanofluid flowing in sudden expansion or contraction

Abstract

O controle do desempenho térmico em sistemas de fornecimento de energia é crucial devido ao aumento do custo da energia no mundo. Diversos trabalhos investigaram o impacto dos nanofluidos na transferência de calor, visando aprimorar a performance térmica em diversas aplicações de engenharia. A presente investigação experimental analisa o comportamento de nanofluidos como fluidos de troca térmica, com foco nos fenômenos de transferência de calor e no desempenho termohidráulico em tubos horizontais com expansão ou contração súbita. Pequenas concentrações em massa de nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNTs), nanotubos de carbono de paredes múltiplas funcionalizados (FMWCNTs) e nanopartículas de grafeno foram dispersas em uma mistura de água e etileno glicol com 50:50 % em massa. Essas suspensões coloidais escoaram dentro de um duto fechado em direção a uma seção de teste com diâmetro interno de 14,29 mm (5/8 da polegada) e comprimento de 1700 mm. Quatro casos diferentes foram investigados. No primeiro caso, o escoamento dos nanofluidos ocorreu dentro de um tubo de cobre de 5/8 da polegada antes de entrar na seção de teste. Nos segundo e terceiro casos o escoamento ocorreu antes de entrar na seção de teste, dentro de um tubo com diâmetro interno de 20,64 mm (um tubo de cobre comercial de 7/8 da polegada) e 26,99 mm (um tubo de cobre comercial de 9/8 da polegada), respectivamente. No quarto caso, antes de entrar na seção de teste, o escoamento dos nanofluidos ocorreu dentro de um tubo aquecido com diâmetro interno de 7,94 mm (um tubo de cobre comercial de 3/8 da polegada). A faixa de vazão mássica empregada variou de 9,34 g/s a 157,4 g/s, com duas temperaturas de entrada diferentes: 25 °C e 45 °C. As concentrações em massa usadas no presente trabalho foram de 0,005 % wt., 0,01 % wt. e 0,05 % wt., para três fluxos de calor de 5 kW/m², 10 kW/m² e 12 kW/m². Os resultados mostraram que o número de Reynolds e a concentração em massa das nanopartículas afetam significativamente a performance térmica do fluido de resfriamento. Em todos os testes analisados, o coeficiente de transferência de calor aumentou devido à adição da nanopartícula e ao aumento do número de Reynolds. Por exemplo, para Re = 5004, q” = 10 kW/m² e φ = 0,01% wt., os aumentos na taxa de transferência calor para os nanofluidos de MWCNT, FMWCNT e grafeno no primeiro caso foram em média 7,29 %, 20,44 % e 17,85 %, respectivamente. Para concentrações mais baixas (φ = 0,005% wt.) e o mesmo Re, os aumentos foram em média 5,13 %, 14,48 % e 17,44 %, respectivamente. Finalmente, para um número de Reynolds constante, um aumento no fluxo de calor não teve influência significativa na performance térmica e no desempenho termohidráulico.