Investigação experimental das propriedades termofísicas e da convecção forçada de nanofluido de grafeno

This work presents an experimental investigation of thermal hydraulic performance of the nanofluid composed by graphene nanoparticles dispersed in a mixture of water and ethylene glycol at a ratio of 70:30% by volume. The tests were carried out under forced convection inside a circular tube with uniform heat flux on the wall for the laminar-turbulent transition regime. The mass flow rate ranged from 40 to 70 g/s corresponding to Reynolds numbers between 3000 and 7500. The heat flux was maintained constant at values of 11, 16 and 21 kW/m², as well as the inlet temperature of 15, 20 and 25°C. Three samples were produced with the nanofluid volumetric concentration of 0.05%, 0.10% and 0.15%. Thermophysical properties were experimentaly measured for all samples that were critically compared and discussed with theoretical models most commonly used in the literature. Initially, experiments with distilled water confirmed the validity of the experimental equipment for the thermo-hydraulic tests. Therefore, nanofluid samples that showed the highest thermal conductivity, corresponding to the volumetric concentrations of 0.15% and 0.10%, were subjected to the tests. The thermal-hydraulic performance for both samples was unsatisfactory. The heat transfer coefficients for convection of nanofluids reduced 21% in average, for the sample with = 0.15% and 26% and for =0.10%. The pressure drop of the samples was higher than the base fluid. Finally, the pressure drop and heat transfer coefficient by convection of both samples were also compared to theoretical models. The models used for pressure drop showed an excellent agreement with experimental results, which is remarkable considering the transitional flow.

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais

Dissertação (Mestrado)

Este trabalho apresenta a investigação experimental do desempenho termo-hidráulico do nanofluido composto por nanopartículas de grafeno dispersas em uma mistura de água e etilenoglicol numa proporção de 70:30% em volume. Os testes foram realizados sob convecção forçada no interior de um tubo circular com fluxo de calor uniforme na parede para o regime de transição laminar-turbulento. A vazão mássica variou de 40 a 70 g/s correspondendo aos números de Reynolds entre 3000 e 7500. O fluxo de calor foi mantido constante nos valores de 11, 16 e 21 kW/m², assim como, a temperatura de entrada em 15, 20 e 25°C. Foram produzidas três amostras de nanofluido com concentração em volume de 0,05%, 0,10% e 0,15%. Foram determinadas as propriedades termofísicas de todas as amostras que foram criticamente comparadas e discutidas com modelos teóricos mais comumente utilizadas na literatura. Inicialmente, experimentos com água destilada confirmaram a validade do equipamento experimental para os testes termo-hidráulicos. Logo após, as amostras de nanofluido que apresentaram maior condutividade térmica, correspondendo às concentrações em volume de 0,15% e 0,10% foram submetidas aos testes. O desempenho termo-hidráulico para ambas as amostras foi insatisfatório. Os coeficientes de transferência de calor por convecção dos nanofluidos reduziram, em média, para a amostra com =0,15% em 21% e para a amostra com =0,10% em 26%. A perda de carga das amostras foi superior ao fluido base. Por fim, a perda de carga e o coeficiente de transferência de calor por convecção das duas amostras também foram comparadas com modelos teóricos. Os modelos utilizados para a perda de carga apresentaram excelente concordância com os resultados experimentais, o que é notável considerando o regime de transição.