Nanofluidien konvektiivinen lämmönsiirto putkivirtauksessa

Abstract

Lämmönsiirtofluidien lämpöominaisuuksia parantamalla pystytään tehostamaan lämmön siirtymistä. Perinteisien lämmönsiirtofluidien heikkoutena on niiden matala lämmönjohtavuus, joka rajoittaa lämmönsiirron tehokkuutta. Nanofluidit ovat jonkin kantajanesteen ja hyvin lämpöä johtavien nanomittakaavan hiukkasten kolloidinen suspensio. Niiden tarkoitus on tehostaa lämmönsiirtoa parantamalla kantajanesteen lämmönjohtavuutta siihen lisättyjen nanohiukkasten avulla.

Tässä kandidaatintyössä keskitytään kolmen eri nanofluidin lämmönsiirrollisiin ominaisuuksiin. Tutkittavat nanofluidit ovat Al₂O₃/vesi, Ni/vesi ja MWCNT-Fe₃O₄/vesi. Kirjallisuudesta saatavilla olevia kokeellisia tutkimuksia hyödyntäen kyseisille nanofluideille määritetään konvektiiviset lämmönsiirtokertoimet sekä kitkakertoimet turbulenttisessa putkivirtauksessa.

Tutkittavien nanofluidien todetaan parantavan lämmönsiirtoa huomattavasti niiden kantajanesteeseen, veteen, verrattuna. Tosin lämmönsiirron tehostuminen tapahtuu kitkakertoimen kasvun kustannuksella. Saatujen tulosten perusteella MWCNT-Fe₃O₄/vesi-nanofluidi olisi tutkituista fluideista sopivin lämmönsiirtofluidiksi kyseisellä virtausalueella. MWCNT-Fe₃O₄/veden konvektiolämmönsiirtokertoimen nousu veteen nähden oli noin 47 % ja kitkakertoimen nousu vain 14 %.

Heat transfer performance can be improved by enhancing thermal properties of heat transfer fluids. The weakness of traditional heat transfer fluids is their low thermal conductivity which is not ideal for heat transfer fluids. Nanofluids are colloidal suspensions between base fluids and well conducting nano-sized particles. The objective of nanofluids is to enhance heat transfer by adding nanoparticles into the base fluid and therefore improving thermal conductivity of the fluid.

This bachelor’s thesis focuses on heat transfer capabilities of three different nanofluids: Al₂O₃/water, Ni/water and MWCNT-Fe₃O₄/water. Convective heat transfer coefficient and friction factor in turbulent pipe flow are determined for aforementioned nanofluids with methods based on experimental research from literature.

The nanofluids are noted to enhance heat transfer considerably in comparison with their base fluid water. Although heat transfer enhancement is achieved at the expense of increase in friction factor. According to the results MWCNT-Fe₃O₄/water-nanofluid is the most suitable heat transfer fluid of the examined nanofluids in the studied flow range. Its convective heat transfer coefficient is about 47 % higher than that of water and friction factor is similarly 14 % higher in comparison to water.