Studio della conduttività termica e delle prestazioni termiche dei tubi di calore mediante nanofluido ZnO stabilizzato con copolimero progettato strutturalmente

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 14219 (2023) Citare questo articolo

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Il presente studio si è concentrato sulla stima della conduttività termica, della stabilità, dell'efficienza e della resistenza di un tubo di calore per scambiatori di calore, essenziali per molte applicazioni industriali. Per raggiungere questo obiettivo, il copolimero di poli anfifilico (stirene-co-2-acrilammido-2-metilpropanosolfonico) poli (STY-co-AMPS) è stato sintetizzato mediante la tecnica di polimerizzazione a radicali liberi. I disperdenti sono stati utilizzati per la soluzione omogenea e la stabilizzazione dei nanofluidi ZnO. L'effetto del disperdente sulla conduttività termica dei nanofluidi è stato analizzato utilizzando un analizzatore di proprietà termiche KD2 pro. C'è un aumento significativo nella conduttività del fluido che ha una relazione non lineare con la frazione di volume. Il massimo miglioramento è stato osservato con una concentrazione ottimizzata di disperdente all'1,5% in volume. Allo stesso tempo, l'influenza dell'agente disperdente sulla conduttività termica dei nanofluidi è stata confrontata con quella dei polielettroliti lineari. Inoltre, i valori sperimentali sono stati confrontati con i modelli classici esistenti sulla base di un ragionevole accordo, i nanofluidi preparati sono stati utilizzati come mezzo di lavoro. Il tubo termico a rete schermante convenzionale e la distribuzione della temperatura rispetto alla resistenza termica del tubo termico sono stati studiati sperimentalmente. Il risultato mostra che la concentrazione ottimale di disperdenti sulle nanoparticelle presenta un'efficienza termica migliorata rispetto ai fluidi di base. Inoltre, la resistenza termica e la distribuzione della temperatura mostrano un comportamento ridotto aumentando la frazione volumetrica delle particelle e la concentrazione del disperdente.

Negli ultimi due decenni, lo stoccaggio dell’energia, la trasmissione dell’energia e la generazione di calore sono stati il ​​principale ambito di ricerca a cui è stato assegnato il 90% del bilancio energetico globale. I rapidi sviluppi furono ripresi nei materiali termici avanzati e nella ricerca tecnologica. Pertanto, è necessario migliorare le proprietà termofisiche dei fluidi di lavoro che possono portare a migliorare le prestazioni di trasferimento del calore dei dispositivi. Principalmente, l'olio motore, il glicole etilenico e l'acqua sono stati ampiamente utilizzati come fluidi convenzionali per il trasferimento di calore a causa della loro bassa conduttività termica, che influisce sulle prestazioni dei dispositivi di trasferimento del calore. Poiché il tubo di calore è un dispositivo di trasferimento di calore a due fasi che trasferisce il calore con un calo di temperatura molto basso da un luogo all'altro. Grazie alla loro efficace efficienza di raffreddamento, sono ampiamente utilizzati in varie applicazioni di trasferimento di calore. Il tubo termico è un sistema di raffreddamento comune in molte applicazioni termiche poiché il fluido di lavoro circola attraverso un gradiente di pressione capillare. La transizione di fase e l'evaporazione/condensazione del fluido di lavoro causano variazioni sostanziali nelle caratteristiche di trasferimento del calore. L'efficacia del tubo termico si basa sulla qualità/dimensione del materiale, sulle proprietà del fluido e sulle strutture a stoppino1. L'applicazione termica comprende sistemi solari2, rilevamento di gas3, raffreddamento elettronico4, optoelettronica5, settore aerospaziale6 e scambiatori di calore7,8.

Per le applicazioni di trasferimento di calore, sono stati utilizzati nanofluidi come fluidi di lavoro che potrebbero superare gli inconvenienti dei fluidi convenzionali. La dispersione stabile dei nanofluidi termici è necessaria per sfruttare il potenziale e realizzare gli standard industriali9. Lo svantaggio principale delle NP sarebbe la fase separata e la precipitazione fuori dai fluidi. Durante il processo di trasferimento del calore, i nanofluidi aggregati causerebbero problemi di intasamento e abrasione in particolari sistemi microelettronici10. Ottenere la dispersione dei nanofluidi termici è una delle sfide più grandi e sono stati tentati molti approcci che includono l'aggiunta di cariche superficiali/l'utilizzo della modificazione chimica della superficie con tensioattivi. trattamento ad ultrasuoni, agitazione meccanica e così via.

Molti ricercatori hanno tentato di migliorare le prestazioni termiche dei nanofluidi in quanto Kang et al.11 hanno studiato l'effetto dei nanofluidi d'argento su un tubo termico sinterizzato. Secondo i loro risultati, si verifica una diminuzione della potenza in ingresso della temperatura delle pareti di 30-50 W. Inoltre, i nanofluidi come mezzo di lavoro nei tubi di calore hanno evidenziato prestazioni termiche più elevate fino a 70 W rispetto all'acqua come fluido di base12. Allo stesso modo, Rosari et al.13 hanno studiato la conduttività termica e le prestazioni termiche dei tubi di calore dei nanofluidi a base di glicole etilenico ZnO con frazioni di volume delle particelle inferiori. Nella loro osservazione, la distribuzione della temperatura e la resistenza termica dei tubi di calore diminuiscono aumentando la frazione volumetrica delle particelle e la dimensione cristallina. Considerando che, Jian et al.14 hanno riportato il confronto delle prestazioni termiche di tubi di calore oscillanti (OHP) con nanofluidi SiO2-acqua e Al2O3-acqua ad una concentrazione di massa di nanoparticelle (0–0,6% in peso di SiO2 e 0–1,2% in peso di Al2O3). Si osserva che il cambiamento delle condizioni superficiali del condensatore e dell'evaporatore è dovuto principalmente a particelle diverse, che influiscono sulle prestazioni termiche o sul deterioramento dei tubi di calore15. Inoltre, uno studio comparativo di tubi di calore a stoppino sinterizzati e a rete su nanofluidi CuO è stato eseguito da Kumaresan et al.16. Nel loro studio, l'unico effetto dei tubi di calore a stoppino sinterizzato mostra prestazioni termiche e resistenza termica migliorate dei tubi di calore rispetto ai tubi di calore a stoppino a rete a 70 W.