Investigação da condutividade térmica e desempenho térmico de tubos de calor por nanofluido de ZnO estabilizado com copolímero estruturalmente projetado

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 14219 (2023) Citar este artigo

Detalhes das métricas

O presente estudo concentrou-se na estimativa da condutividade térmica, estabilidade, eficiência e resistência de um tubo de calor para trocadores de calor, essenciais para muitas aplicações industriais. Para conseguir isso, o copolímero de poli (ácido estireno-co-2-acrilamido-2-metilpropano sulfônico) anfifílico poli (STY-co-AMPS) foi sintetizado pela técnica de polimerização de radicais livres. Os dispersantes foram utilizados para solução homogênea e estabilização de nanofluidos de ZnO. O efeito do dispersante na condutividade térmica dos nanofluidos foi analisado usando um analisador de propriedades térmicas KD2 pro. Há um aumento significativo na condutividade do fluido que teve uma relação não linear com a fração volumétrica. O aprimoramento máximo foi observado em uma concentração otimizada de dispersante a 1,5% em volume. Ao mesmo tempo, a influência do agente dispersante na condutividade térmica dos nanofluidos foi comparada com polieletrólitos lineares. Além disso, os valores experimentais foram comparados com os modelos clássicos existentes com base no acordo razoável, os nanofluidos preparados foram empregados como meio de trabalho. O tubo de calor de malha de tela convencional e a distribuição de temperatura para a resistência térmica do tubo de calor foram investigados experimentalmente. O resultado mostra que a concentração ideal de dispersantes em nanopartículas apresenta uma eficiência térmica melhorada em comparação com os fluidos de base. Além disso, a resistência térmica e a distribuição de temperatura apresentam comportamento diminuído pelo aumento da fração volumétrica das partículas e da concentração do dispersante.

Nas últimas duas décadas, o armazenamento de energia, a transmissão de energia e a geração de calor são os principais domínios de investigação aos quais foram atribuídos 90% do orçamento global de energia. Os rápidos desenvolvimentos foram levados em materiais térmicos avançados e pesquisa tecnológica. Portanto, existe uma necessidade de melhorar as propriedades termofísicas dos fluidos de trabalho, o que pode levar ao aumento do desempenho de transferência de calor dos dispositivos. Principalmente, óleo de motor, etilenoglicol e água foram amplamente utilizados como fluidos convencionais para transferência de calor devido à sua baixa condutividade térmica, o que afeta o desempenho dos dispositivos de transferência de calor. Já o tubo de calor é um dispositivo de transferência de calor bifásico que transfere calor com queda de temperatura muito baixa de um lugar para outro. Devido à sua eficiência de resfriamento eficaz, eles são amplamente utilizados em diversas aplicações de transferência de calor. O tubo de calor é um sistema de resfriamento comum em muitas aplicações térmicas porque o fluido de trabalho circula através de um gradiente de pressão capilar. A transição de fase e a evaporação/condensação do fluido de trabalho causam variação substancial nas características de transferência de calor. A eficácia do tubo de calor é baseada na qualidade/dimensão do material, nas propriedades do fluido e nas estruturas do pavio1. A aplicação térmica inclui sistemas solares2, detecção de gás3, resfriamento eletrônico4, optoeletrônica5, aeroespacial6 e trocadores de calor7,8.

Para aplicações de transferência de calor, os nanofluidos foram utilizados como fluidos de trabalho que podem superar a desvantagem dos fluidos convencionais. A dispersão estável de nanofluidos térmicos é necessária para cumprir o potencial e concretizar os padrões industriais9. A principal desvantagem dos NPs seria a separação de fases e a precipitação dos fluidos. Durante o processo de transferência de calor, os nanofluidos agregados causariam problemas de entupimento e abrasão em sistemas microeletrônicos específicos . Alcançar a dispersão de nanofluidos térmicos é um dos maiores desafios e muitas abordagens foram tentadas, incluindo a adição de cargas superficiais/utilizando modificação química da superfície com surfactantes. tratamento ultrassônico, agitação mecânica e assim por diante.

Muitos pesquisadores tentaram melhorar o desempenho térmico dos nanofluidos, pois Kang et al.11 investigaram o efeito dos nanofluidos de prata em um tubo de calor sinterizado. De acordo com suas descobertas, há uma diminuição na potência de entrada da temperatura da parede de 30–50 W. Além disso, os nanofluidos como meio de trabalho em tubos de calor evidenciaram maior desempenho térmico de até 70 W quando comparados à água como fluido de base . Da mesma forma, Rosari et al.13 investigaram a condutividade térmica e o desempenho térmico do tubo de calor de nanofluidos à base de ZnO-etilenoglicol em frações de volume de partícula mais baixas. Na sua observação, a distribuição de temperatura e a resistência térmica dos tubos de calor diminuem com o aumento da fração volumétrica das partículas e do tamanho cristalino. Considerando que Jian et al.14 relataram a comparação do desempenho térmico de tubos de calor oscilantes (OHP) com nanofluidos de SiO2-água e Al2O3-água em uma concentração de massa de nanopartículas (0–0,6% em peso de SiO2 e 0–1,2% em peso de Al2O3). Observa-se que a mudança nas condições superficiais do condensador e do evaporador se deve principalmente a diferentes partículas, que afetam o desempenho térmico ou a deterioração dos tubos de calor . Além disso, um estudo comparativo de tubos de calor sinterizados e de malha em nanofluidos de CuO foi realizado por Kumaresan et al.16. Em seu estudo, o único efeito dos tubos de calor com pavio sinterizado mostra melhor desempenho térmico e resistência térmica dos tubos de calor em comparação com os tubos de calor com pavio de malha a 70 W.