Impact of concentration, particle size and thermal conductivity on effective convective heat transfer performance of nanofluids

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2015-08-24
Department
Major/Subject
Energiatekniikka
Mcode
K3007
Degree programme
Energia- ja LVI-tekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
83
Series
Abstract
Nanofluids are a modern type of heat transfer fluids, in which typically solid nano-sized particles (d < 100 nm) are dispersed in conventional heat transfer fluid, such as water or oils. In earlier studies, nanofluids have shown anomalous enhancement of convective heat transfer that cannot be explained with conventional correlations. Water-based nanofluids with volume fraction of only a few percents have typically yielded tens of percents higher Nusselt numbers than water when compared with equal Reynolds numbers. In addition, several studies suggest that the addition of nanoparticles enhances convective heat transfer without significant penalty in pressure losses. In this Master’s Thesis, impacts of concentration, particle size and thermal conductivity of particle material on convective heat transfer of nanofluids are experimentally examined. For this purpose, water-based nanofluids containing SiO2, micelle, polystyrene or Al2O3 particles were prepared and measured with an annular tube heat exchanger. The heat transfer measurements also included the pressure losses in order to study the suitability of nanofluids for practical heat transfer applications. The fluids were characterized thoroughly for the sake of an accurate analysis: viscosities, thermal conductivities, densities, particle sizes and zeta potentials of the samples were measured. Furthermore, analysis methods were developed in order to minimize the experimental errors. In the experimental series, all nanofluids performed as Gnielinski correlation predicts and thus, no anomalous enhancement was observed. The nanofluids reached slightly higher Nusselt numbers than water when compared on the basis of equal Reynolds numbers, but no difference was observed when the effect of Prandtl number was taken into account. In comparison on the basis of equal pumping powers, the nanofluids showed equal or poorer performance than water. Increasing particle concentration was observed to lower the heat transfer performance of the fluids in all cases. However, the magnitude of this deteriorating effect was smaller for nanofluids with smaller particle size indicating that small particle size is beneficial for heat transfer of nanofluids. The thermal conductivity of particle material did not have a notable impact on the convection heat transfer with the studied relatively small particle concentrations (≤1%). Based on the results of this work, the performance of the nanofluids studied herein do not seem suitable for practical forced convection applications. However, enhancing thermal conductivities of fluids via the addition of nanoparticles might still offer potential for improved convective heat transfer, since behavior of nanofluids was observed to follow conventional correlations.

Nanonesteet ovat uudentyyppisiä lämmönsiirtonesteitä, joissa nanokokoisia partikkeleita (d < 100nm) on dispergoitu perinteiseen lämmönsiirtonesteeseen, kuten veteen tai öljyihin. Aiemmissa tutkimuksissa nanonesteiden konvektiolämmönsiirron on havaittu olevan poikkeuksellisen tehokasta, eikä ilmiötä ole pystytty selittämään perinteisten lämmönsiirtokorrelaatioiden avulla. Jo muutaman tilavuusprosentin partikkeliosuuden on todettu kasvattavan Nusseltin lukua kymmenillä prosenteilla veteen nähden Reynoldsin lukujen ollessa yhtä suuret. Lisäksi useiden tutkimusten mukaan nanopartikkelien lisäys tehostaa konvektiivista lämmönsiirtoa ilman merkittävästi kasvaneita painehäviöitä. Tässä diplomityössä tutkitaan kokeellisesti konsentraation, partikkelikoon sekä partikkelien lämmönjohtavuuden vaikutusta nanonesteiden pakotettuun konvektiolämmönsiirtoon. Työssä mitattiin sisäkkäisputkilämmönsiirtimessä vesipohjaisia SiO2-, miselli-, polystyreeni- ja Al2O3-nanonesteitä, joiden pitoisuus vaihteli välillä 0,09-1,81 til-% ja partikkelikoko välillä 8-58 nm. Lämmönsiirtomittausten yhteydessä mitattiin myös painehäviöt, jotta nesteiden tehokkuutta käytännön lämmönsiirtosovelluksissa pystyttiin arvioimaan. Tulosten luotettavaa analysointia varten mitattiin myös tarvittavat nanonesteiden aineominaisuudet: partikkelikokojakauma, zeta-potentiaali, viskositeetti, lämmönjohtavuus sekä tiheys. Lisäksi kehitettiin analysointimenetelmiä kokeellisten virheiden minimoimiseksi. Mittaussarjoissa kaikkien nanonesteiden todettiin käyttäytyvän tavanomaisille nesteille kehitetyn Gnielinskin korrelaation mukaisesti, eikä poikkeavaa tehostumista havaittu. Nanonesteiden Nusseltin luvut olivat hieman suurempia kuin veden yhtä suurilla Reynoldsin luvuilla verrattuina, mutta eroja ei havaittu, kun Prandtlin luvun vaikutus otettiin huomioon analysoinnissa. Yhtä suurilla pumppaustehoilla verrattuna tutkittujen nanonesteiden lämmönsiirtotehokkuus oli vastaavaa tai heikompaa kuin veden. Partikkelikonsentraation lisäämisen havaittiin heikentävän lämmönsiirtotehokkuutta kaikissa tapauksissa. Tämän heikentävän efektin havaittiin kuitenkin olevan vähäisempi pieniä partikkeleita sisältäville nanonesteille viitaten pienen partikkelikoon olevan edullista nanonesteiden lämmönsiirron kannalta. Partikkelimateriaalin lämmönjohtavuudella ei havaittu olevan merkittävää vaikutusta konvektiolämmönsiirtoon tutkituilla pienillä konsentraatioilla (≤1 til-%). Tässä työssä tutkitut nanonesteet eivät vaikuta lupaavilta lämmönsiirtonesteiltä pakotetun konvektiolämmönsiirron sovelluksiin. Nesteen lämmönjohtavuuden kasvattaminen nanopartikkelien avulla saattaa silti olla potentiaalinen tapa tehostaa konvektiolämmönsiirtoa, sillä nanonesteiden havaittiin käyttäytyvän lämmönsiirtokorrelaatioiden mukaisesti.
Description
Supervisor
Vuorinen, Ville
Thesis advisor
Seppälä, Ari
Puupponen, Salla
Keywords
nanofluid, convective heat transfer, heat exchanger, viscosity, pressure loss, pumping power
Other note
Citation