CONTRIBUŢII LA CARACTERIZAREA UNOR NOI NANOFLUIDE … final... · universitatea tehnicĂ...

UNIVERSITATEA TEHNICĂ “GHEORGHE ASACHI” DIN IAŞI

CONTRIBUŢII LA CARACTERIZAREA UNOR NOI NANOFLUIDE HIBRID PE

BAZĂ DE OXIZI ŞI EVALUAREA UTILIZĂRII ACESTORA ÎN APLICAŢII

TERMICE

- Rezumatul tezei de doctorat -

ing. Mădălina-Georgiana MOLDOVEANU (SIMIONESCU)

Conducător de doctorat: prof. univ. dr. habil. ing. Alina-Adriana MINEA

IAŞI, 2019

Mădălina Georgiana MOLDOVEANU REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT

2


3

“Nu citi pentru a contrazice și combate, nici pentru a găsi ceva pe care să-l critici și de care să

vorbești de rău, ci pentru a cântări și cerceta.”

Francis Bacon

MULŢUMIRI

Teza de doctorat a fost elaborată pe parcursul activității mele în cadrul Facultăţii de Ştiinţa

şi Ingineria Materialelor, Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi. La finalul anilor de

lucru pot afirma că acest demers, pe o direcţie aproape neexplorată în ţară, nu ar fi fost posibil fără:

- susţinerea morală, ştiinţifică şi coordonarea continuă şi entuziastă a Doamnei prof.dr.ing. Alina

Adriana MINEA, căreia îi mulţumesc în mod deosebit şi fără de care nu aş fi reuşit să depăşesc toate

obstacolele întâlnite;

- un mediu de lucru adecvat, motiv pentru care le mulţumesc tuturor cadrelor didactice din

Facultatea de Ştiinţa şi Ingineria Materialelor şi în special Comisiei de îndrumare;

- accesul la o infrastructură de cercetare adecvată, motiv pentru care le mulţumesc tuturor cadrelor

didactice din Facultatea de Ştiinţa şi Ingineria Materialelor şi Facultatea de Chimie Industrială

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi, Universitatea Transilvania din Braşov şi

Institutul de Chimie Macromoleculară “Petru Poni” din Iaşi. În mod cert nu aş fi putut finaliza aceste

cercetări experimentale fără ajutorul doamnei profesor Constanţa Ibănescu, dr. Maricel Danu

(Facultatea de Chimie Industrială), dr. Mihai Iacob (Institutul de Chimie Macromoleculară “Petru

Poni”) şi doamnei profesor Gabriela Huminic (Universitatea Transilvania Braşov);

- cooperare internaţională, datorită Doamnei prof.dr.ing. Alina Adriana MINEA, căreia îi mulţumesc

pentru oportunitatea oferită de a participa la diferite evenimente şi training-uri europene în domeniul

nanofluidelor, evenimente care mi-au înlesnit şi completat pregătirea în domeniul nanofluidelor;

- înţelegerea şi susţinerea permanentă a soţului, părinţilor şi prietenilor mei;

- doresc să le mulţumesc membrilor Comisiei de doctorat, numiţi referenţi oficiali, pentru consiliere,

observaţii şi aprecieri asupra lucrării.

O prețuire nespusă o am pentru mama mea, care întotdeauna m-a încurajat și m-a sprijinit

cu tot ce i-a stat în putință să îmi urmez și ating visele. Din păcate, tatăl meu nu mai este prezent

printre noi, dar cu siguranță este mândru și se bucură de undeva de acolo de sus pentru mine.

Țin să mulțumesc, și nu în ultimul rând, soțului meu, Tudor, pentru răbdare, înțelegere,

suport, încredere și iubire.

Iași, 2019

Mădălina-Georgiana MOLDOVEANU (SIMIONESCU)


4

Cuprins

pag.

teza/rezumat

CAPITOLUL 1. INTRODUCERE.......................................................................... 13 10

1.1. Importanța domeniului abordat............................................................................ 13 10

1.2. Obiectivele generale ale tezei............................................................................... 15 12

CAPITOLUL 2. STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR ÎN

DOMENIUL NOILOR FLUIDE DE TRANSFER TERMIC..............................

19

14

2.1. Conceptul de nanofluid........................................................................................ 19 14

2.2. Metode de preparare a nanofluidelor................................................................... 22 16

2.3. Domenii de utilizare a nanofluidelor.................................................................... 23 17

2.4. Proprietăţile termofizice ale nanofluidelor.......................................................... 25 17

2.5. Comportamentul nanofluidelor la transfer de căldură prin convecţie................. 36 19

2.6. Concluzii parţiale................................................................................................. 43

CAPITOLUL 3. NANOFLUIDELE HIBRID: O NOUĂ PROVOCARE........... 45 22

3.1. Generalităţi........................................................................................................... 45 22

3.2. Proprietățile termofizice ale nanofluidelor hibrid ............................................... 46 23

3.3. Comportarea nanofluidelor hibrid la transferul de căldură prin convecţie.......... 49 24

3.4. Mecanismul de îmbunătăţire a transferului termic............................................... 53 26


CAPITOLUL 4. METODOLOGIA DE LUCRU ŞI APARATURA

UTILIZATĂ..............................................................................................................

57

27

4.1. Prepararea nanofluidelor simple.......................................................................... 58 27

4.2. Prepararea nanofluidelor hibrid........................................................................... 62 31

4.3. Analiza suspensiilor şi aparatura utilizată............................................................ 64 32

4.4. Metode de analiză ale proprietăților termofizice (conductivitate termică,

căldură specifică, vâscozitate) şi aparatura utilizată...................................................

66

32



5

CAPITOLUL 5. REZULTATE EXPERIMENTALE ŞI INTERPRETAREA

ACESTORA..............................................................................................................

69

34

5.1. Analiza stabilităţii suspensiilor: caracterizare prin TEM şi potenţial

electrocinetic...............................................................................................................

69

34

5.2. Conductivitatea termică a nanofluidelor simple şi hibrid pe bază de alumină,

dioxid de titan şi dioxid de siliciu...............................................................................

75

38

5.3. Vâscozitatea şi comportamentul reologic al nanofluidelor simple şi hibrid pe

bază de alumină, dioxid de titan şi dioxid de siliciu...................................................

85

44

5.4. Căldura specifică a nanofluidelor simple şi hibrid pe bază de alumină, dioxid

de titan şi dioxid de siliciu..........................................................................................

102

51


CAPITOLUL 6. ANALIZA EFICIENŢEI TRANSFERULUI TERMIC AL

NANOFLUIDELOR HIBRID PE BAZĂ DE ALUMINĂ, DIOXID DE

TITAN ŞI DIOXID DE SILICIU............................................................................

109

55

6.1. Generalităţi.......................................................................................................... 109 55

6.2. Analiza comportării nanofluidelor la transfer termic cu ajutorul numărului lui

Prandtl...... .................................................................................................................

110

55

6.3. Analiza comportării nanofluidelor la transfer termic, numărul lui

Mouromtseff................. .............................................................................................

111

56

6.4. Analiza comportării nanofluidelor la transfer termic pe baza ecuaţiei lui

Gnielinski.......... .........................................................................................................

114

59


Prasher şi colab. ..........................................................................................................

116

60


CAPITOLUL 7. CONCLUZII FINALE, CONTRIBUȚII PERSONALE ȘI

DIRECȚII DE CERCETARE.................................................................................

121

63

BIBLIOGRAFIE...................................................................................................... 125 66

ANEXA 1................................................................................................................... 141 73


6

LISTA TABELE

Tabelul 2.1. Conductivitatea termică: ecuaţii teoretice şi experimentale

Tabelul 2.2. Sinteză a studiilor pentru estimarea vâscozităţii nanofluidelor: modele teoretice şi

experimentale

Tabelul 2.3. Modele ȋmbunătăţite pentru estimarea vâscozităţii

Tabelul 2.4. Rezultate experimentale obţinute pentru oxizii studiaţi

Tabelul 2.5. Ecuaţii ale transferului de căldură prin convecţie – numărul lui Nu

Tabelul 3.1. Proprietăţile termofizice ale nanofluidelor hibrid

Tabelul 3.2. Ecuaţii propuse pentru estimarea proprietăţilor termofizice ale nanofluidelor hibrid

Tabelul 3.3. Convecţia termică a nanofluidelor hibrid: rezultate obţinute

Tabelul 3.4. Ecuaţii existente pentru nanofluidele hibrid

Tabelul 3.5. Mecanisme de îmbunătăţire a transferului termic

Tabelul 4.1. Proprietăţile dispersiilor

Tabelul 4.2. Calculul densităților pentru nanofluidele realizate

Tabelul 4.3. Nanofluidele simple preparate

Tabelul 4.4. Concentraţiile nanofluidelor hibrid

Tabelul 5.1. Rezultatele înregistrate pentru potenţialul electrocinetic al noilor fluide

Tabelul 5.2. Ecuaţii experimentale determinate pentru nanofluidele simple şi hibrid elaborate

Tabelul 5.3. Ecuaţii experimentale determinate pentru a descrie influenţa temperaturii asupra

conductivităţii termice a nanofluidele simple şi hibrid elaborate

Tabelul 5.4. Ecuaţiile determinate experimental pentru nanofluidele simple şi hibrid alumină şi

dioxid de siliciu

Tabelul 5.5. Ecuaţiile determinate experimental pentru nanofluidele simple şi hibrid alumină şi

dioxid de titan

Tabelul 6.1. Sinteza analizei FOM: creşterea coeficientului de transfer termic convectiv în raport cu

fluidul de bază


7

LISTA FIGURI

Figura 1.1. Dinamica publicaţiilor ȋn domeniul nanofluidelor, conform principalelor baze de date

din domeniu

Figura 1.2. Obiectivele tezei de doctorat

Figura 3.1. Evoluţia cercetărilor în nanofluide hibrid conform principalelor baze de date

Figura 4.1. Schema de preparare a nanofluidelor simple

Figura 4.2. Recipiente conţinând nanofluide pe bază de oxid de aluminiu

Figura 4.3. Recipiente conţinând nanofluide pe bază de dioxid de siliciu

Figura 4.4. Recipiente conţinând nanofluide pe bază de dioxid de titan

Figura 4.5. Schema de preparare a nanofluidelor hibrid

Figura 4.6. Recipiente conţinând nanofluid hibrid alumină +dioxid de siliciu

Figura 5.1. Imagine TEM pentru nanofluidul simplu cu apă distilată şi alumină

Figura 5.2. Imagine TEM pentru nanofluidul simplu cu apă distilată şi dioxid de titan

Figura 5.3. Imagine TEM pentru nanofluidul simplu cu apă distilată şi dioxid de siliciu

Figura 5.4. Imagine TEM pentru nanofluidul hibrid cu apă distilată şi alumină + dioxid de titan

Figura 5.5. Imagine TEM pentru nanofluidul hibrid cu apă distilată şi alumină + dioxid de siliciu

Figura 5.6. Variaţia conductivităţii termice cu concentraţia volumică de nanoparticule, pentru

nanofluidul apă – alumină


nanofluidul apă – dioxid de siliciu


nanofluidul apă - dioxid de titan

Figura 5.9. Conductivitatea termică determinată experimental pentru nanofluidele simple şi hibrid

alumină + dioxid de titan în funcție de concentrația volumică totală de nanoparticule

Figura 5.10. Conductivitatea termică relativă experimentală pentru nanofluidele simple şi hibrid

alumină + dioxid de siliciu în funcție de concentrația volumică totală de nanoparticule

Figura 5.11. Analiza 3D a rezultatelor experimentale privind conductivitatea termică pentru

nanofluidele hibrid alumină + dioxid de titan


nanofluidele hibrid alumină + dioxid de siliciu


8

Figura 5.13. Variaţia conductivităţii termice cu temperatura pentru nanofluidele simple şi hibrid

alumină + dioxid de siliciu

Figura 5.14. Variaţia conductivităţii termice cu temperatura pentru nanofluidele simple şi hibrid

alumină + dioxid de titan

Figura 5.15. Variaţia conductivităţii termice cu fiecare tip de nanoparticule şi temperatura pentru


Figura 5.16. Variaţia conductivităţii termice cu fiecare tip de nanoparticule şi temperatura pentru

nanofluidele hibrid alumină + dioxid de titan

Figura 5.17. Variația vâscozității cu viteza de forfecare a nanofluidelor pe bază de alumină

Figura 5.18. Variația vâscozității cu viteza de forfecare a nanofluidelor pe bază de dioxid de siliciu

Figura 5.19. Variația vâscozității cu viteza de forfecare a nanofluidelor pe bază de dioxid de titan

Figura 5.20. Variația vâscozității cu viteza de forfecare a nanofluidelor hibrid alumină + dioxid de

siliciu


titan

Figura 5.22. Indicele de curgere al nanofluidelor studiate, în funcţie de concentrația

nanoparticulelor în suspensie

Figura 5.23. Indicele de consistență al nanofluidelor față de concentrația volumică a

nanoparticulelor

Figura 5.24. Măsurarea vâscozității relative pentru nanofluidul de alumină-apă

Figura 5.25. Vâscozitatea relativă în funcţie de concentraţie pentru nanofluidul SiO2 - apă

Figura 5.26. Variaţia vâscozităţii cu temperatura pentru nanofluidul hibrid cu

0.5%Al2O3+0.5%SiO2

Figura 5.27. Variaţia vâscozităţii cu temperatura pentru nanofluidul hibrid cu

0.5%Al2O3+1.5%SiO2

Figura 5.28. Încălzirea şi răcirea nanofluidelor hibrid: a. 0.5%Al2O3+0.5%SiO2; b.

0.5%Al2O3+1.5%SiO2

Figura 5.29. Indicele de curgere al nanofluidelor studiate, în funcţie de concentrația


Figura 5.30. Indicele de consistenţă al nanofluidelor studiate, în funcţie de concentrația


Figura 5.31. Reprezentarea grafică a ecuaţiilor propuse privind estimarea vâscozităţii pentru

nanofluidele cu alumină + dioxid de titan

Figura 5.32. Reprezentarea 3D a datelor experimentale, însoţită de suprafaţa de regresie.


9

Figura 5.33. Variaţia vâscozităţii cu temperatura pentru nanofluidele hibrid cu alumină + dioxid de

titan

Figura 5.34. Rezultate experimentale pentru nanofluidele cu alumină

Figura 5.35. Rezultate experimentale pentru nanofluidele cu dioxid de titan

Figura 5.36. Rezultate experimentale pentru nanofluidele cu dioxid de siliciu

Figura 5.37. Căldura specifică relativă a nanofluidelor alumină + dioxid de siliciu

Figura 5.38. Căldura specifică relativă a nanofluidelor alumină + dioxid de titan

Figura 5.39. Graficul valorilor experimentale în raport cu valorile calculate utilizând ecuaţia (5.18)

Figura 5.40. Comparaţie între datele experimentale şi cele teoretice pentru nanofluidele hibrid

Figura 6.1. FOM1 pentru nanofluidele studiate

Figura 6.2. FOM2 pentru nanofluidele simple

Figura 6.3. FOM2 pentru nanofluidele hibrid

Figura 6.4. FOM3 şi FOM4 pentru nanofluidele simple

Figura 6.5. FOM3 şi FOM4 pentru nanofluidele hibrid



Figura 6.8. HTE pentru nanofluidele simple

Figura 6.9. HTE pentru nanofluidele hibrid


10

CAPITOLUL 1.

INTRODUCERE

1.1. Importanța domeniului abordat

Domeniul abordat vizează dezvoltarea şi cercetarea unor noi fluide cu nanoparticule în

suspensie, denumite nanofluide, care pot fi utilizate în aplicații energetice și are ca scop principal

studiul aprofundat al nanofluidelor în vederea intensificării proceselor de transfer de căldură.

Principalele argumente pentru dezvoltarea temei propuse sunt:

Dinamica înregistrată la nivel mondial în domeniul nanotehnologiilor şi, în cadrul acestora, a

tehnologiei nanofluidelor.

Criza energetică majoră care afectează în prezent economia mondială şi care impune creşterea

performanţelor energetice ale echipamentelor şi instalaţiilor pentru generare, transfer, transport şi

stocare de energie. În acest sens, utilizarea materialelor noi şi a nanotehnologiei deschid căi către

multiple aplicaţii, atât în domeniul energetic cât şi al ingineriei materialelor.

Dezvoltarea unor fluide cu proprietăţi şi performanţe noi, ceea ce implică înţelegerea

principiilor şi mecanismelor fundamentale care generează comportamentul acestora la scară

nanometrică. Studiile efectuate până în prezent vizează cu predilecţie identificarea unor structuri

optime – tipuri de nanoparticule, dimensiuni, concentraţii, dispersii – precum şi stabilirea unor

metode de estimare a caracteristicilor fizico-mecanice şi a comportamentului acestora în procesele

de transfer de căldură.

Cercetările întreprinse până în prezent în domeniul nanofluidelor au demonstrat performanţele

termice net superioare ale acestora în comparaţie cu oricare alte fluide clasice – apă, ulei, etilen

glicol – utilizate ca agenţi caloportori.

Proprietăţile speciale ale nanofluidelor se datorează unor particularităţi legate de dimensiunile

particulelor aflate în suspensie. În acest caz, raportul suprafaţă/volum al nanoparticulelor este mult

mai mare decât în cazul structurilor de materiale clasice, ceea ce face ca intensitatea transferului

termic să crească, în special datorită creşterii conductivităţii termice.

Cu referire strict la nanofluide, încă din 1995, de când au fost raportate, interesul asupra lor

a crescut atât din partea industriei cât şi a mediului universitar, observându-se o intensificare a

cercetărilor privind utilizarea acestora în domeniul transferului de căldură. An de an au apărut tot mai


11

multe publicaţii având ca subiect nanofluidele, aşa cum se poate observa în Figura 1.1 (sursa: bazele

de date Web of Science şi Scopus) .

Din analiza datelor prezentate în Figura 1.1 reiese interesul crescut al cercetătorilor pentru

studiul nanofluidelor, observându-se o creştere progresivă, an de an, ajungându-se în 2018 la peste

1700 de lucrări care conţin cuvântul cheie “nanofluid” în titlu.

Datorită conductivităţii termice mici a fluidelor caloportoare clasice (exemplu: apă, etilen

glicol), toate metodele clasice de intensificare a transferului termic, cum ar fi mărirea turbulenţei,

mărirea suprafeţei de schimb de căldură etc. s-au dopvedit a fi insuficiente. De aici şi ideea

îmbunătăţirii conductivităţii termice a acestor fluide, prin adăugarea de particule solide. Conceptul

de “nanofluid” nu este unul foarte nou, acest tip de fluide fiind dezvoltate începând cu anul 1995 în

cadrul Laboratorului Naţional ARGONNE din Chicago – Illinois de către Choi [1], pentru a descrie

un fluid nou, în care sunt suspendate particule cu dimensiuni de ordinul nanometrilor (< 100 nm).

Apariţia acestor noi fluide a fost determinată de faptul că fluidele caloportoare clasice utilizate în

tehnica transferului termic sunt mult mai slab conducătoare de căldură decât unele metale sau oxizi,

iar nanofluidele, chiar şi la concentraţii de nanoparticule extrem de mici, îmbunătăţesc considerabil

transferul termic, cum se va detalia în capitolele care urmează.

Figura 1.1. Dinamica publicaţiilor ȋn domeniul nanofluidelor, conform principalelor baze de date din

domeniu

Concret, nanofluidul este alcătuit dintr-un lichid - numit şi fluid de bază - şi o fază solidă,

compusă din particule cu dimensiuni nanometrice. Ca fluid de bază, cel mai des se utilizează apa,

uleiul de transformator şi etilen - glicolul. Materialele din care sunt produse nanoparticulele se împart

în trei mari categorii, fără a exclude şi alte tipuri de nanoparticule studiate punctual: nanoparticule

din oxizi, nanoparticule metalice şi nanotuburi de carbon.


12

1.2. Obiectivele generale ale tezei

Oportunitatea cercetărilor experimentale în domeniul abordat apare ca urmare a necesităţilor

crescute de identificare a noi metode de intensificare a transferului termic prin îmbunătăţirea fluidelor

existente. Pe parcursul tezei se intenționează conceperea unui nanofluid, alcătuit dintr-un fluid de

bază și o fază solidă, compusă din particule oxidice cu dimensiuni de ordinul nanometrilor. De

asemenea se vor realiza mai multe nanofluide hibrid, prin amestecarea a două nanofluide diferite. În

cadrul cercetărilor se vor folosi oxizi de aluminiu, titan şi siliciu.

Scopul tezei de doctorat este dezvoltarea unui fluid nou, şi anume un nanofluid hibrid,

stabil din punct de vedere al proprietăţilor termofizice, precum şi studiul comportării acestuia

ȋn aplicaţii termice (de ex: schimbătoare de căldură).

Obiectivele ştiinţifice şi tehnice ale acestui studiu experimental şi teoretic sunt prezentate

centralizat în Figura 1.2.

Figura 1.2. Obiectivele tezei de doctorat

• dezvoltarea unor noi fluide de transfer termic: nanofluide hibrid pe baza de oxizi

• studiul proprietatilor noilor fluide create

• evaluarea comportarii noilor fluide in aplicatii termice

Obiective stiintifice

• realizarea experimentala a nanofluidelor simple si hibrid

• studiul stabilitatii noilor fluide realizate

• studiul caracteristicilor termofizice ale nanofluidelorsimple si hibrid

• comparatie intre proprietatile nanofluidelor simple si celehibrid

• propunerea de ecuatii pentru estimarea proprietatilornoilor fluide

• analiza comportarii in exploatare a nanofluidelorsimple/hibrid

Obiective

tehnice

generale


13

Principalele etape ale cercetării abordate în cadrul acestei teme pot fi sintetizate astfel:

selectarea principalelor tipuri de nanoparticule care vor fi folosite pentru elaborarea

nanofluidelor simple şi hibrid;

dezvoltarea experimentală a nanofluidelor simple şi hibrid;

studiul teoretic al nanofluidelor simple pe bază de oxizi de aluminiu, titan şi siliciu;

evaluarea stabilităţii nanofluidelor preparate;

determinarea experimentală a proprietăţilor termofizice ale nanofluidelor simple pe bază de

oxizi de aluminiu, titan şi siliciu;

determinarea proprietăţilor termofizice şi studiul experimental al nanofluidelor hibrid pe bază

de oxizi de aluminiu, titan şi siliciu;

analiza comparativă a rezultatelor experimentale obţinute pentru nanofluidele simple pe bază


analiza comparativă a rezultatelor experimentale obţinute pentru nanofluidele hibrid pe bază


propunerea de ecuaţii experimentale pentru determinarea proprietăţilor termofizice în funcţie

de concentraţia de nanoparticule şi temperatură;

studiul analitic al comportării în exploatare a noilor fluide dezvoltate experimental.


14

CAPITOLUL 2.

STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR ÎN

DOMENIUL NOILOR FLUIDE DE

TRANSFER TERMIC

2.1. Conceptul de nanofluid

La nivel internaţional există o mare varietate de produse la scară micro, cum ar fi: diferiţi

senzori, elemente de acţionare, motoare, schimbătoare de căldură, pompe, pompe de căldură, supape,

ţevi, instrumente, dispozitive medicale, roboţi etc. Aceste produse la scară micro sunt integrate pentru

a construi sisteme complexe [1, 2], cu funcţionalităţi diverse. Nanotehnologia face posibilă o şi mai

mare miniaturizare a componentelor, ducând la micşorarea dimensiunilor echipamentelor şi

îmbunătăţirea considerabilă a unor procese. Beneficiul direct constă în obținerea unor sisteme de

transfer termic de dimensiune reduse, cu costuri de capital mai reduse și cu o eficiență energetică

îmbunătățită.

În ultimii ani, au fost utilizate diferite tehnici pentru a îmbunătăți transferul de căldură şi

pentru a se ajunge la un nivel satisfăcător de eficiență termică, care poate duce la economii

considerabile de energie. Transferul de căldură poate fi îmbunătățit în mod pasiv prin schimbarea

geometriei de curgere, a condițiilor la limită sau prin îmbunătățirea proprietăților termofizice (de

exemplu, creșterea conductivității termice a fluidului) [3]. O modalitate de a îmbunătăți

conductivitatea termică a lichidului este de a adăuga particule mici solide în fluid. Maxwell [4, 5] a

fost primul care a demonstrat posibilitatea creșterii conductivității termice a unui amestec solid-lichid

prin adăugarea de particule solide, folosind particule de dimensiuni micrometrice sau milimetrice.

Aceste particule au fost cauza a numeroase probleme, cum ar fi abraziunea, înfundarea ţevilor

schimbătoarelor de căldură, creşterea puterii de pompare și lipsa de stabilitate a suspensiei (depuneri

pe ţevi). De aceea a fost necesară dezvoltarea unui nou concept, şi anume o nouă clasă de lichide, cu

conductivitate termică ridicată și evitarea efectelor negative cauzate de prezența microparticulelor.

Conceptul de “nanofluid” a apărut în anul 1995 în cadrul Laboratorului Naţional ARGONNE

din Chicago – Illinois, USA, pentru a descrie un fluid nou, în care sunt suspendate particule cu

dimensiuni de ordinul nanometrilor (<100nm) [1]. Caracteristicile fizico-mecanice care au făcut ca

nanoparticulele să fie potrivite pentru obţinerea suspensiilor sunt: raportul mare suprafață/volum,

mobilitate crescută, conductivitate termică mare, sedimentare redusă.


15

Pe de altă parte, datorită caracteristicilor lor unice, nanofluidele au atras atenția, fiind

considerate în ultimii ani o nouă generație de fluide, care pot fi utilizate pentru încălzirea clădirilor,

schimbătoare de căldură, diferite instalații tehnologice, răcirea microprocesoarelor computerelor,

aplicații de răcire auto etc. Mai mult, prin utilizarea de nanofluide este posibilă reducerea

dimensiunilor echipamentelor de transfer de căldură, datorită creșterii eficienței transferului termic

prin îmbunătățirea proprietăților termofizice ale fluidului de lucru [6].

În zilele noastre există o creștere semnificativă a activităților de cercetare în acest domeniu.

Pentru a avea o imagine concludentă asupra utilizării nanofluidelor în aplicațiile de transfer de căldură

este necesar să se demonstreze performanțele superioare ale acestora în condiții de transfer termic

convectiv.

Mai precis, avantajele certe ale utilizării nanofluidelor în cazul unei dispersii corespunzătoare

a nanoparticulelor sunt [10]:

Conductivitate termică ridicată.

Mobilitatea particulelor, specifică particulelor mici, care conduc la microconvecţie în fluid

(interfaţa solid/lichid) şi, prin urmare, la intensificarea transferului de căldură.

Stabilitate. Ca urmare a dimensiunilor şi greutăţii reduse a particulelor, riscul de sedimentare este

mic.

Reducerea eroziunii. Nanoparticulele fiind mici, interacţiunea dintre ele şi perete este redusă şi

face ca eroziunea elementelor din instalaţii, cum ar fi schimbătoarele de căldură, conductele,

pompele etc. să fie minimă.

Reducerea energiei de pompare. Pentru a îmbunătăţi transferul de căldură al unui fluid

convenţional, cu un factor 2, energia de pompare trebuie intensificată cu un factor 10 [11]. Se

poate dovedi că, dacă se multiplică conductivitatea cu un factor 3, transferul de căldură din acelaşi

aparat se dublează. [12]. Creşterea puterii de pompare a nanofluidelor va fi, deci, moderată,

excepţie făcând cazurile în care vâscozitatea nanofluidului este foarte mare. Astfel, o economie

semnificativă în ceea ce priveşte energia de pompare este posibilă doar în cazul în care

conductivitatea termică poate fi crescută cu ajutorul unei concentraţii reduse de

nanoparticule.

Dependenţa de mărimea particulelor. Spre deosebire de suspensiile micro, creşterea

conductivităţii termice se realizează nu numai graţie concentraţiei fazei solide ci şi datorită

dimensiunii particulelor. În general, odată cu scăderea dimensiunii particulelor se observă o

creştere a transferului de căldură [10].


16

Avantajele certe (menţionate mai sus) ale nanofluidelor deschid calea pentru un nou domeniu de

cercetare şi noi soluţii de transfer termic, prin utilizarea unor fluide cu proprietăţi îmbunătăţite,

folosite atât pentru încălzire, cât şi pentru răcire. În acest sens, principalul obiectiv al studiului

nanofluidelor este îmbunătăţirea transferului termic prin dispersare uniformă şi dezvoltarea de

suspensii stabile în fluidul de bază, utilizând concentraţii volumice reduse de nanoparticule (< 5%).

Pentru a realiza acest obiectiv este necesar să se înţeleagă mecanismul prin care nanoparticulele

îmbunătăţesc transferul de căldură. Problemele care trebuiesc abordate pentru a înţelege modul de

dezvoltare a nanofluidelor sunt structurate începând de la evoluţia nanotehnologiei, cunoaşterea

tehnologiilor de producere a nanofluidelor, înţelegerea modului prin care se îmbunătăţeşte

conductivitatea termică şi transferul de căldură cu ajutorul nanofluidelor.

În concluzie, fluidele clasice care lucrează ȋn aplicaţii de transfer de căldură pot fi înlocuite

cu nanofluide în echipamentele mecanice, incluzând o mare varietate de dispozitive de schimb de

căldură. Utilizarea pe scară largă a acestui nou tip de fluid implică faptul că o mică creștere (de câteva

procente) în eficienţa lor termică ar duce la economii substanțiale în costurile de capital, în primul

rând asociate cu reducerea costurilor de pompare, și economii globale substanțiale în consumul de

energie [29].

De fapt, nanofluidele aparțin unei noi clase de fluide, cu proprietăți termofizice îmbunătățite

şi un spectru larg de aplicații în știință și inginerie. Piața potențială pentru nanofluidele în aplicațiile

de transfer de căldură este estimată la peste 2 miliarde de dolari pe an, fiind foarte probabil să crească

și mai mult în următorii ani [30].

2.2. Metode de preparare a nanofluidelor

Există în principiu două metode de obţinere a nanofluidelor şi anume: cea ȋntr-o singură etapă

şi cea în două etape, care vor fi detaliate în cele ce urmează [31-34].

Tehnica într-o singură etapă constă în producerea şi dispersia simultană a nanoparticulelor

într-un fluid de bază. Metoda cel mai des utilizată pentru sintetizarea nanofluidelor într-o singură

etapă este metoda de evaporare-condensare directă [34]. Această metodă se caracterizează prin

evaporarea nanoparticulelor direct într-un fluid răcit şi în continuă mişcare, rezultând nanofluidul prin

condensare. Această tehnică prezintă avantajul că oferă controlul asupra mărimii particulelor şi se

obţin nanoparticule stabile din punct de vedere electrostatic. De asemenea, producerea nanofluidelor

într-o singură etapă se poate obţine şi prin alte metode precum: iradiere cu microunde, arc de plasmă

în vid, ablaţie laser etc.


17

Tehnica de sintetizare în două etape începe prin producerea nanoparticulelor printr-una

dintre metodele fizice sau chimice clasice, urmată de dispersia lor într-un fluid de bază. Această

tehnică este avantajoasă deoarece, cu ajutorul ei, se poate produce o cantitate considerabilă de

nanoparticule prin metoda de condensare în gaz inert [31, 32]. Metoda este utilizată frecvent în

producerea nanoparticulelor de Al2O3 şi constă în vaporizarea unei probe de material în prezenţa unui

gaz inert având o presiune controlată. Coliziunea dintre vapori şi gazul inert duce la condensarea

particulelor materialului din care este alcătuită mostra, rezultând particulele sub formă de pulbere.

2.3. Domenii de utilizare a nanofluidelor

În 1959, fizicianului Robert Feymann i se acorda Premiul Nobel pentru abordarea în premieră

a demersului spre nanoştiinţă. În discursul intitulat “There’s plenty of room at the bottom” el

propunea construirea unor maşinării de dimensiuni reduse, care, la rândul lor, să construiască

maşinării şi mai mici, şi tot așa până se ajunge la obţinerea unor unelte care să fie capabile să

manevreze singure atomi sau molecule [35].

Rezultatele recente ale programelor de cercetare din domeniul nanotehnologiei din SUA,

Japonia, China şi Europa arată că nanotehnologia va fi tehnologia secolului XXI iar universităţile,

laboratoarele renumite, marile companii multinaţionale şi chiar întreprinderile mici au stabilit grupuri

sau centre interdisciplinare de cercetare în domeniul nanotehnologiei. Există deja proiecte majore

care se desfăşoară la nivel european şi sunt finanţate prin programul HORIZON 2020. Cel mai recent

program este cel care a debutat în anul 2016 sub finanţare COST: Action CA15119, Overcoming

Barriers to Nanofluids Market Uptake (NANOUPTAKE), proiect la care este parteneră şi

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi.

Se estimează că nanotehnologia este în prezent la un nivel similar al dezvoltării precum

computerele în anii ’50, iar după nanotehnologie va urma o tehnologie care va permite construirea

sistemelor şi a structurilor din atomi şi molecule prin nanoparticule, nanotuburi şi nanostraturi.

2.4. Proprietăţile termofizice ale nanofluidelor

Proprietăţile termofizice ale nanofluidelor pot fi calculate utilizând ecuaţii clasice derivate din

ecuaţiile pentru amestecurile bifazice sau pot fi estimate pe baze experimentale. În cele ce urmează

va fi prezentată o sinteză a cercetărilor privind posibilităţile de estimare a proprietăţilor termofizice

ale nanofluidelor, cu referiri la densitate, căldură specifică, conductivitate termică şi vâscozitate,

acestea fiind proprietăţile care influenţează transferul de căldură în orice aplicaţie practică.


18

2.4.1. Densitatea

În lipsa unor rezultate experimentale concludente, majoritatea cercetătorilor utilizează, pentru

determinarea densităţii nanofluidului, ρnf, o relaţie analitică verificată pe cale experimentală de către

Pak şi Cho [13]:

pfnf 1 (2.1)

în care: reprezintă fracţia volumică; ρp este densitatea particulelor, în [kg/m3]; ρf este densitatea

fluidului de bază, în [kg/m3].

2.4.2. Conductivitatea termică

Conductivitatea termică este proprietatea de material care a suscitat cel mai mare interes

atunci când se vorbeşte despre nanofluide. De fapt, oportunitatea folosirii nanofluidelor în detrimentul

fluidelor clasice a fost în toate cazurile demonstrată prin creşterea substanţială a conductivităţii

termice a fluidelor prin introducerea de nanoparticule solide. Conductivitatea termică a nanofluidelor

este dependentă nu doar de concentraţia volumică a nanoparticulelor, dar şi de alţi parametri, cum ar

fi geometria particulei (sferică, disc sau cilindrică), mărimea acesteia, tipuri de amestecuri şi

mecanisme de amestecare, surfactant etc. Cercetările în acest domeniu sunt extrem de vaste, foarte

mulţi autori studiind acest parametru, atât la nivel teoretic cât şi experimental [5, 63, 65-67, 74].

2.4.3. Vâscozitatea

Chiar dacă iniţial interesul ştiinţific a fost direcţionat către studierea doar a conductivităţii

termice, în ultimii ani se remarcă o intensificare a cercetărilor privind determinarea vâscozităţii

acestor noi fluide, studii care au apărut din necesitatea argumentării aplicaţiilor industriale ale

nanofluidelor. După cum se ştie, vâscozitatea este un parametru extrem de important atunci când se

vorbeşte depre curgerea prin conducte, creşterea acestui parametru putând duce la creşteri

suplimentare în energia de pompare, rezultând în final o creştere a energiei totale de funcţionare a

sistemului. În plus, vâscozitatea joacă un rol important în studiul convecţiei forţate.

Pentru a înţelege problemele care apar în estimarea vâscozităţii nanofluidelor, se va face o

scurtă prezentare a cercetărilor experimentale şi a relaţiilor care pot descrie vâscozitatea

nanofluidelor, determinate pe cale experimentală dar şi analitică, disponibile în literatura de

specialitate. În ansamblu, rezultatele măsurătorilor efectuate asupra vâscozităţii nanofluidelor

evidenţiază aceeaşi concluzie ca şi pentru conductivitatea termică şi anume că vâscozitatea creşte

odată cu creşterea concentraţiei volumice sau masice de nanoparticule. La fel ca în cazul

conductivităţii termice, vâscozitatea depinde la rândul ei de o serie de parametri şi anume:

temperatura, mărimea particulelor, natura particulelor, gradul de aglomerare etc.


19

2.4.4. Căldura specifică

Căldura specifică este definită de o relaţie fundamentală validată de către Pak şi Cho [13]:

ppfpfpnf ccc 1 (2.2)

dar poate fi calculată şi utilizând o relaţie bazată pe conceptul capacităţii calorice - echilibrul termic,

ecuaţie propusă de Xuan şi Roetzel [54]:

pf

ppppff

pnf

ccc

1

1 (2.3)

În relaţiile anterioare, reprezintă fracţia volumică de nanoparticule; cp este căldura specifică

şi ρ este densitatea, indicii p se referă la nanoparticule, f la fluidul de bază, iar nf se referă la nanofluid.

Rezultatele obţinute cu aceste două relaţii diferă cu mai puţin de 10%. Astfel, ambele relaţii

pot fi folosite pentru determinarea corectă a căldurii specifice a nanofluidelor [13, 54].

Un alt studiu vine de la Raud şi colab. [109], care au propus utilizarea ecuaţiei (2.2) în procente

de masă (m) şi nu de volum()

fpmppmp ccc

nf 1 (2.5)

şi au demonstrat că, de fapt, aceasta este abordarea corectă când se lucrează cu fluide îmbunătăţite cu

nanoparticule. În ecuaţia (2.5), nf se referă la nanofluid, p la nanoparticule şi f la fluidul de bază.

2.5. Comportamentul nanofluidelor la transfer de căldură prin convecţie

În zilele noastre, preţurile din ce în ce mai mari ale energiei au motivat industria să aplice

metode noi de reducere a consumurilor energetice. În ultimele decenii s-au depus eforturi pentru a

îmbunătăţi transferul de căldură în schimbătoarele de căldură, reducerea timpului de transfer termic

şi, în final, creşterea eficienţei utilizării energiei. Aceste eforturi comune includ metode pasive şi

active precum crearea turbulenţei, extinderea suprafeţei de transfer sau utilizarea unui fluid cu

proprietăţi termofizice înalte, apărând astfel ideea dezoltării acestor noi fluide.

Transferul de căldură prin convecţie este unul dintre cele mai investigate fenomene termice

atunci când se vorbeşte de aplicaţiile nanofluidelor în inginerie [6, 10, 13]. Datorită creşterii

conductivităţii termice în raport cu fluidele clasice, se aşteaptă ca nanofluidele să furnizeze şi

coeficienţi ai transferului de căldură prin convecţie mult superiori. Totodată, cuantificarea influenţei

nanoparticulelor asupra performanţei transferului de căldură este extrem de importantă, mai ales că

adăugarea de nanoparticule în fluide modifică proprietăţile termofizice ale acestora [10].


20

Analiza teoretică a comportării la transfer termic prin convecţie se poate realiza cu

ajutorul unor mărimi dimensionale sau adimensionale, foarte des utilizate în literatura de

specialitate sau pe baza ecuaţiilor consacrate (de exemplu, ecuaţia lui Gnielinski [139], ecuaţia

Dittus–Boelter [140], sau ecuaţia Petukhov–Popov [141]). Aceste estimări se realizează pe baza

valorilor conjugate ale proprietăţilor termofizice, luându-se în considerare şi caracteristicile regimului

de curgere, cu referire la curgerea laminară şi turbulentă [142]. Yu şi colab. [142] au publicat în anul

2012 o lucrare de sinteză extrem de relevantă privind posibilităţile de analiză teoretică şi

experimentală a comportării nanofluidelor la transfer termic convectiv, subliniind relevanţa fiecărei

metode utilizate în literatură, prin comparaţia dintre rezultatele teoretice şi cele experimentale. Pe de

altă parte, cele mai simple metode de evaluare a eficienţei transferului termic sunt numărul lui

Nusselt, coeficientul de transfer de căldură prin convecţie şi numărul lui Mouromtseff [142, 143]. În

plus, ecuaţia lui Prasher şi colab. [144] se poate utiliza pentru a determina eficienţa transferului

termic.

Numărul lui Prandtl (Pr) (vezi relaţia (2.7)) este adimensional şi este definit ca raportul dintre viteza

de difuzie vâscoasă şi cea termică. Cu alte cuvinte, Pr ne oferă informaţii cu privire la ce tip de transfer

de căldură predomină (conducţia sau convecţia în fluid). Concluzionând, fluidele cu număr Pr mic

curg uşor prin conducte şi au, de obicei, conductivitate termică mare, de aceea sunt o foarte bună

alegere ca fluide de transfer de căldură.

Numărul lui Mouromtseff (Mo) este un număr dimensional introdus în anul 1942 de către I. E.

Mouromtseff [143] şi reprezintă efectul proprietăţilor termofizice (căldură specifică, conductivitate

termică, vâscozitate, densitate) ale unui fluid asupra coeficientului de transfer termic convectiv în

regim de curgere forţată. Acest număr este, de fapt, o expresie alternativă a coeficientului de transfer

de căldură în regim de curgere forţată (laminară sau turbulentă). Numărul Mo este definit ca:

e

d

p

ba ckMo

(2.12)

unde exponenţii a, b, d şi e au valori corespunzătoare fiecărei situaţii în parte [145]. În ecuaţia (2.12)

ρ este densitatea, k este conductivitatea termică, cp este căldura specifică şi µ este vâscozitatea.

Ecuaţia lui Gnielinski este una dintre ecuaţiile fundamentale ale transferului de căldură prin

convecţie la curgerea turbulentă. În cazul curgerii turbulente, la intrarea în canal se formează pe o

porţiune un strat limită laminar care, la o anumită lungime de la intrare, se transformă într-un strat

limită turbulent, la contactul cu peretele rămânând un microstrat laminar. Coeficientul de convecţie

scade în zona stratului limită laminar, pe măsura creşterii grosimii acestuia. Apoi, urmează o creştere

a convecţiei, la începutul formării stratului limită turbulent. După o uşoară scădere în zona de

stabilizare termică, valoarea coeficientului de convecţie se stabilizează. Ecuaţia lui Gnielinski,


21

considerată cea mai corectă pentru descrierea convecţiei forţate, este valabilă atât pentru curgerea

turbulentă cât şi pentru curgerea în regim tranzitoriu, pentru 2300 < Re < 5 x 106 [142]:

187121

100083221

//Pr/f.

d/kPrRe/fh (2.13)

unde f este coeficientul de frecare al lui Darcy, care poate fi determinat folosind nomograme sau cu

ajutorul relaţiei propuse de Petukhov [141, 146]:

f = (0.79 lnRe – 1.64)-2 (2.14)

În ecuaţiile (2.13) şi (2.14), Re este numărul lui Reynolds, k este conductivitatea termică, Pr

este numărul lui Prandtl iar d este diametrul interior al conductei.

Un alt aspect important în dezvoltarea de noi fluide se referă la eficienţa transferului termic

(HTE). Acest parametru se poate determina cu ecuaţia lui Prasher şi colab. [144], ecuaţie care a fost

determinată pentru cazul transferului de căldură prin convecţie în regim laminar şi cuprinde informaţii

privind vâscozitatea şi conductivitatea termică relativă a nanofluidului în raport cu cel de bază:

ffnf

ffnf

k/kk

/HTE

. (2.15)

unde μ este vâscozitatea dinamică iar k este conductivitatea termică. Indicii nf şi f se referă la

nanofluid, respectiv fluidul de bază. Ideea folosirii parametrului HTE este de a evalua eficienţa

folosirii nanofluidului în aplicaţii în regim laminar, unde cel mai important parametru termofizic este

conductivitatea termică. Totodată, şi vâscozitatea poate influenţa curgerea.


22

CAPITOLUL 3.

NANOFLUIDELE HIBRID: O NOUĂ PROVOCARE

3.1. Generalităţi

Nanofluidele hibrid reprezintă un nou tip de nanofluide, care pot fi preparate prin suspendare

de: (i) tipuri diferite (două sau mai multe) de nanoparticule în lichidul de bază, și (ii) nanoparticule

hibrid (nanoparticule polidisperse, de specii diferite) în fluidul de bază.

La modul general, un material hibrid este un material care combină proprietățile fizico-

chimice ale diferitelor materiale care îl alcătuiesc și oferă aceste proprietăți într-o singură fază.

Nanomaterialele hibrid sintetice prezintă proprietăți fizico-chimice remarcabile, care nu există în

componentele individuale. În ultimii ani se remarcă o intensificare a cercetărilor cu privire la

proprietățile acestor compozite şi a materialelor hibrid compuse din nanotuburi de carbon (CNT),

care pot fi utilizate pentru senzori electrochimici, biosenzori, catalizatori nano etc, dar utilizarea de

nanomateriale hibrid în nanofluide nu a fost dezvoltată ca atare. Utilizarea nanomaterialelor hibrid

pentru a creşte proprietățile termice ale fluidelor au fost la baza a multor cercetări începând cu anul

2012. Cercetătorii au investigat efectele diferitelor nanomateriale asupra proprietăților termice ale

lichidelor și se poate spune că prezența nanomaterialelor hibrid într-un fluid îmbunătățește clar

caracteristicile sale termice. Pe de altă parte, principala problemă în utilizarea nanofluidelor este de

natură economică. Costurile de pompare sunt mărite din cauza vâscozității mari a suspensiilor și a

densității lor crescute. Aceste neajunsuri ar putea fi înlăturate prin dezvoltarea de nanofluide

hibrid.

Câteva lucrări de sinteză recente [147] evidenţiază beneficiile dezvoltării nanofluidelor

hibrid, prin combinarea avantajelor diferitelor tipuri de particule şi surclasarea dezavantajului

principal, creşterea concentraţiei de nanoparticule în lichidul de bază (ceea ce duce la creşteri

importante ale vâscozităţii suspensiilor).

Minea [147] a discutat în lucrarea sa de sinteză despre nanofluidele hibrid studiate până în

anul 2017 şi a concluzionat că studiile experimentale existente în literatură până la acel moment nu

pot descrie complet toate proprietăţile nanofluidelor hibrid şi nu au fost realizate teste complete

privind posibilitatea implementării acestora în aplicaţii reale industriale. În aceeaşi lucrare se

evidenţiază, în urma unei analize numerice, avantajele folosirii nanofluidelor hibrid în

schimbătoare de căldură, recomandându-se intensificarea studiilor în această direcţie. În altă

lucrare, publicată în 2018, Minea şi Moldoveanu [150] realizează o trecere în revistă a beneficiilor

care pot fi obţinute prin studierea completă a nanofluidelor hibrid.


23

Din studiul literaturii de specialitate reiese numărul încă mic de lucrări publicate în domeniul

nanofluidelor hibrid – vezi Figura 3.1 (sursa: bazele de date Web of Science şi Scopus).

Figura 3.1. Evoluţia cercetărilor în nanofluide hibrid conform principalelor baze de date

3.2. Proprietățile termofizice ale nanofluidelor hibrid

Luând în consideraţie lucrările care au ca subiect nanofluidele hibrid, în acest subcapitol s-a

încercat o descriere cât mai completă a cercetărilor efectuate până în prezent. În Tabelul 3.1 sunt

prezentate principalele tipuri de nanofluide hibrid identificate şi rezultatele obţinute, iar Tabelul 3.2

conţine ecuaţiile obţinute până în prezent în baza datelor experimentale. După cum se observă în

Tabelul 3.1., marea majoritate a hibrizilor conţin oxizi, CNT (carbon nanotubes – nanotuburi de

carbon), GNP (Graphene Nanoplatelets – grafenă multistrat), SWCNT (single wall carbon nanotubes

– nanotuburi de carbon cu pereţi simpli), MEPCM (Microencapsulated phase change materials –

materiale cu schimbare de fază microîncapsulate) şi MWCNT (multi-wall carbon nanotube –

nanotuburi de carbon cu pereţi multipli).

Tabelul 3.1. Proprietăţile termofizice ale nanofluidelor hibrid

Autor Nanoparticule Lichid de bază Proprietăţi studiate şi concluzii

Baghbanzadeh şi

colab. [152]

SiO2- MWCNT apă distilată Conductivitate termică: îmbunătăţire între 8.8 – 23.3 %

Nine şi colab. [153] Al2O3-MWCNTs apă distilată Conductivitate termică: îmbunătăţire mai mare decât prin

utilizarea aluminei

Suresh şi colab.

[154]

Al2O3 - Cu apă distilată Conductivitate termică: îmbunătăţire de maxim 12.11 %

Vâscozitate: creştere de maxim 115%


24

Megatif şi colab.

[155]

CNT-TiO2 apă distilată Conductivitate termică: îmbunătăţire cu 2.5% mai mare

decât prin utilizarea CNT

Aravind şi

Ramaprabhu

[156]

Grafenă -

MWCNT

apă deionizată Conductivitate termică: îmbunătăţire de maxim 13.7 %

Sundar şi colab.

[157]

MWCNT-Fe3O4

nanocompozite

apă distilată Conductivitate termică: îmbunătăţire de maxim 13.88 %


Shahsavar şi colab.

[158]

Fe3O4 - CNT apă deionizată Conductivitate termică: îmbunătăţire de maxim 34.26 %

Esfe şi colab. [159] Ag-MgO apă distilată Conductivitate termică: îmbunătăţire de maxim 8.6 %


Batmunkh şi colab.

[160]

Ag - TiO2 apă distilată Conductivitate termică: îmbunătăţire de maxim 5 %

Yarmand şi colab.

[161]

GNP-Ag

nanocompozite

apă distilată Conductivitate termică: îmbunătăţire de maxim 22.22 %


Kumar şi colab.

[162]

Cu-Zn ulei vegetal Conductivitate termică: îmbunătăţire de maxim 53 %

Farbod şi

Ahangarpour [163]

Ag-MWCNT apă distilată Conductivitate termică: îmbunătăţire de maxim 20 %

Paul şi colab. [164] Al-Zn etilen glicol Conductivitate termică: îmbunătăţire de maxim 16 %

Abbasi şi colab.

[165]

MWCNT-TiO2 apă Vâscozitate: creştere de maxim 61%

Soltani şi Akbari

[166]

MgO-MWCNT etilen glicol Conductivitate termică: îmbunătăţire de maxim 14.5 %


Harandi şi colab.

[167]

MWCNT-Fe3O4 etilen glicol Conductivitate termică: îmbunătăţire de maxim 30 %

Alte ecuaţii determinate analitic au fost propuse şi de autorul acestei teze [174] precum şi prin

studiile analitice şi numerice realizate de Minea [175]. În concluzie, prin analiza atentă a stadiului

actual al cunoaşterii se poate remarca o abundenţă în folosirea nanotuburilor de carbon datorită

conductivităţii foarte mari a acestora, deşi este dovedit că stabilitatea suspensiilor este foarte mică, în

special datorită formei aciculare a acestora. Totodată, studiile experimentale nu au fost sistematice,

nereuşindu-se descrierea completă decât a unui număr foarte mic de nanofluide hibrid, aşa cum se va

observa şi din analiza stadiului actual al comportării la transfer termic prin convecţie.

3.3. Comportarea nanofluidelor hibrid la transferul de căldură prin convecţie

Principala preocupare în dezvoltarea de nanofluide hibrid este de a realiza o îmbunătățire a

caracteristicilor nanofluidelor dezvoltate până în prezent, cu referire în special la comportarea la


25

transfer de căldură prin convecţie [147, 150, 176]. Cercetările recente asupra sintezei, proprietăților

termofizice, transferului de căldură, ale posibilelor aplicații și provocări ale nanofluidelor hibrid au

arătat că hibridizarea corectă poate face ca nanofluidele hibrid să înlocuiască fluidele clasice

caloportoare. Cu toate acestea, multe cercetări sunt încă în domeniul de pionierat [176].

Din analiza literaturii de specialitate publicată până în prezent s-au putut sintetiza datele

experimentale şi numerice obţinute pentru diferite nanofluide hibrid, cu menţiunea că cercetările sunt

încă în faza de pionierat. Astfel, Tabelul 3.4 prezintă câteva ecuaţii determinate în urma cercetării

nanofluidelor hibrid, atât pe cale experimentală cât şi numerică. Lucrările existente în baze de date

cu privire la nanofluidele hibrid sunt foarte puţine (vezi Figura 3.1) și o mulțime de studii

experimentale sunt în curs de desfăşurare [176], fiind un domeniu în continuă creştere.

Tabelul 3.4. Ecuaţii existente pentru nanofluidele hibrid [157, 179, 185, 189]

Autor Nanofluid hibrid Metoda Regimul de

curgere

Ecuaţie

Suresh şi colab. [179] Al2O3 - Cu / apă experiment laminar 7395680680 10310... PrRe.Nu

Sundar şi colab. [157] Al2O3 - Cu / apă experiment turbulent 7805080 102150... PrRe.Nu

Moghadassi şi colab. [188] Al2O3 - Cu/ apă numeric laminar 1377315920 11250./. PrRe.Nu

Madhesh şi colab. [185] Cu – TiO2/ apă experiment turbulent 032033300120 ..PrRe.Nu

Alte rezultate care pot fi evidenţiate vor fi prezentate în cele ce urmează. Astfel, Madhesh şi

colab. [185] au investigat experimental prin transferul de căldură convectiv și caracteristicile

reologice ale nanofluidelor hibrid Cu-TiO2 într-un schimbător de căldură în contracurent. Ei au

observat o îmbunătățire de 52% în coeficientul de transfer termic convectiv, de 49% în numărul

Nusselt și de 68% în coeficientul global de transfer de căldură pentru concentraţii de nano-compozit

hibrid de până la 1 % vol. [185].

Nimmagadda şi colab. [189] au investigat caracteristicile de curgere și de transfer de căldură

ale următoarelor nanofluide pe bază de apă: oxid de aluminiu (Al2O3), argint (Ag) și hibrid (Al2O3 +

Ag) într-un microcanal. Nanofluidele obţinute prin dispersarea nanoparticulelor cum ar fi Al2O3, Ag

și hibrid (Al2O3 + Ag) în fluidul de bază prezintă o creștere semnificativă a coeficientului convectiv

de transfer de căldură în comparație cu apa. Caracteristicile de curgere și de transfer de căldură în

microcanale sunt discutate în funcţie de numărul Reynolds, concentraţia volumică, tipul de

nanoparticule hibrid si dimensiunile acestora. Astfel, transferul de căldură se intensifică și

temperatura de la interfață între regiunea solidă și fluid scade odată cu creșterea numărului Reynolds,

datorită creșterii vitezei de intrare a fluidului în conductă.


26

3.4. Mecanismul de îmbunătăţire a transferului termic

Nanofluidele hibrid au fost studiate în principal pentru determinarea proprietăţilor termofizice

şi mai puţin din punct de vedere al comportamentului lor în aplicaţii practice, aşa cum se observă din

analiza stadiului actual al cunoaşterii. Deşi câţiva cercetători au încercat să le implementeze în

schimbătoare de căldură (vezi subcapitolul 3.3.), mecanismul prin care se realizează eficientizarea

transferului de căldură nu este complet explicat [190].

Cu toate că mecanismul de îmbunătăţire a transferului termic al fluidelor cu nanoparticule nu

este complet elucidat, în literatură se discută despre câteva fenomene care apar şi determină creşterea

coeficientului de transfer de căldură prin convecţie, creştere care este, de cele mai multe ori, mai mare

decât creşterea conductivităţii termice. În Tabelul 3.5 sunt prezentate mecanismele responsabile de

îmbunătăţirea transferului termic, aşa cum au fost identificate şi explicate de autori, în urma

observaţiilor experimentale şi teoretice [156-158, 161, 168, 181, 182].

Tabelul 3.5. Mecanisme de îmbunătăţire a transferului termic

Autor Nanofluidul hibrid Mecanism/cauză

Baby şi

Ramaprabhu [181]

Ag-HEG /apă Creşterea coeficientului de transfer termic apare datorită creşterii

conductivităţii termice, dimensiunii particulei dar şi datorită stratului

limită populat cu nanoparticule.

Baby şi

Ramaprabhu [182]

Ag-MWCNT HEG/

etilen glicol

Creşterea coeficientului de transfer termic apare datorită influenţei

suprafeţei exterioare a particulelor de Ag/(MWNT-HEG) asupra

transferului de căldură prin conducţie în soluţie.

Aravind şi

Ramaprabhu [156]

grafenă - MWCNT/

apă

Creşterea coeficientului de transfer termic apare datorită creşterii

conductivităţii termice şi modificării grosimii stratului limită.

Ho şi colab. [168] Al2O3-MEPCM/

apă

Creşterea coeficientului de transfer termic apare datorită creşterii

conductivităţii termice, şi a căldurii specifice.

Sundar şi colab.

[157]

MWCNT–

Fe3O4/apă

Creşterea numărului Nu apare în principal datorită mişcării browniene,

caracteristicilor termofizice ale nanoparticulelor şi ariei mari de contact

dintre nanoparticule şi lichidul gazdă.

Madhesh şi colab.

[185]

Cu-TiO2/apă Creşterea coeficientului de transfer termic apare datorită creşterii

conductivităţii termice şi a rezistenţei termice reduse a nanofluidului la

curgerea prin conductă.

Yarmand şi colab.

[161]

GNP–Ag/apă Creşterea numărului Nu apare în principal datorită mişcării browniene

şi a caracteristicilor termofizice ale nanoparticulelor.

Shahsavar şi colab.

[158]

Fe2O3-CNT/ apă Creşterea numărului Nu apare în principal datorită creşterii

conductivităţii termice, modificării grosimii stratului limită şi creşterii

în vâscozitate.


27

CAPITOLUL 4.

METODOLOGIA DE LUCRU ŞI

APARATURA UTILIZATĂ

Metodologia de lucru poate fi sintetizată astfel:

selectarea principalelor tipuri de nanoparticule care vor fi folosite pentru elaborarea

nanofluidelor simple şi hibrid;

obţinerea pe cale experimentală a nanofluidelor simple şi hibrid cu stabilitate mare, utilizând

tehnici moderne;

studiul experimental al potenţialului electrocinetic pentru evaluarea stabilităţii nanofluidelor

simple şi hibrid pe bază de oxizi de aluminiu, titan şi siliciu;

determinarea experimentală a conductivităţii termice a nanofluidelor simple şi hibrid pe bază


determinarea experimentală a căldurii specifice a nanofluidelor simple şi hibrid pe bază de

oxizi de aluminiu, titan şi siliciu;

determinarea experimentală a vâscozităţii nanofluidelor simple şi hibrid pe bază de oxizi de

aluminiu, titan şi siliciu;

studiul reologic al nanofluidelor simple şi hibrid pe bază de oxizi de aluminiu, titan şi siliciu.

Înainte de a prezenta metodologia de lucru şi aparatura folosită pentru studiul şi caracterizarea

experimentală a proprietăţilor termofozice ale nanofluidelor / nanofluidelor hibrid, trebuie menţionat

că, până în prezent, nu există o metodologie standardizată de producere şi analiză a nanofluidelor.

Metodologia de lucru a fost întocmită pe baza analizei critice a stadiului actual. În ce priveşte

elaborarea unor “bune practici” pentru prepararea şi analiza acestor fluide, există eforturi susţinute

de a demara astfel de acţiuni la nivel european, în cadrul acţiunii COST Nanouptake, la care este

membră şi autoarea acestei teze.

4.1. Prepararea nanofluidelor simple

Pentru cercetările efectuate în teză s-a optat pentru metoda de fabricaţie în două etape, aceasta

fiind cea mai răspândită la momentul actual. În această idee, metodologia de obţinere a suspensiilor

a constat în achiziţionarea suspensiilor concentrate şi apoi diluarea acestora în condiţii controlate


28

chimic, ţinând cont de rezultatele calculelor concentraţiilor volumice sau masice stabilite pentru

efectuarea experimentului.

Au fost achiziţionate de la firma Expert Trade din Bucureşti (reprezentant Alfa Aesar) trei

tipuri de amestecuri coloidale, astfel:

nanoparticule Al2O3 (nanoDur) de dimensiune 45 nm suspendate în soluţie apoasă, în

concentraţie 50% wt.;

nanoparticule TiO2 de dimensiune 30 nm suspendate în soluţie apoasă, în concentraţie 34%

wt.;

nanoparticule SiO2 de dimensiune 20 nm suspendate în soluţie apoasă, în concentraţie 40%

wt..

În Tabelul 4.1 este calculat procentul masic şi volumic pentru nanofluidele achiziţionate, în

special pentru că practica studiului noilor fluide se referă în general la concentraţii volumice.

Conversia dintre concentraţia masică şi cea volumică respectă legea:

wt

wt

f

p

vol

11

1 (4.1)

unde vol şi wt sunt fracţiile volumice respectiv masice, în timp ce ρp şi ρf sunt densităţile

nanoparticulelor şi fluidului de bază (apă distilată). Densitatea nanoparticulelor la temperatura

ambiantă de 25°C este: ρalumina = 3970.00 kg/m3, ρdioxid de siliciu = 2200.00 kg/m3, ρdioxid de titan = 4175.00

kg/m3 iar densitatea apei utilizate este ρapă = 997.05 kg/m3.

Tabelul 4.1. Proprietăţile dispersiilor

Numele dispersiei

Formula

molecu-

lară

Concentraţie

masică oxid,

% wt.

Concentraţie

volumică oxid,

% vol.

Dimensiune

nanoparticulă,

nm

pH

Masa

moleculară,

g/mol

Oxid de aluminiu,

NanoDur, în apă –

suspensie coloidală

Al2O3 50.70 20.00 43 4.5 101.96

Dioxid de titan(IV) ,

în apă – suspensie

coloidală

TiO2 34.03 11.00 30 8.8 79.90

Dioxid de siliciu(IV)

, în apă – suspensie

coloidală

SiO2 39.9 23.00 20 9.9 60.09

Nanofluidele au fost realizate în cadrul Institutului de Chimie Macromoleculară “Petru Poni”

Iaşi (ICMPP), conform schemei ilustrate în Figura 4.1. Pentru început, s-au realizat trei tipuri de


29

nanofluide, cu diferite concentrații volumice. Primul a fost alcătuit din apă și oxid de aluminiu, al

doilea din apă și dioxid de titan și al treilea din apă şi dioxid de siliciu. Aceste nanofluide au fost

realizate prin diluare corespunzătoare, controlată, din soluțiile concentrate cu caracteristicile din

Tabelul 4.1. Soluțiile au fost calculate ȋn funcţie de concentrația volumică dorită pentru fiecare

nanofluid în parte.

Figura 4.1. Schema de preparare a nanofluidelor simple

Nanofluidele concentrate s-au diluat cu apă distilată, pentru a obţine concentraţiile dorite,

conform Tabelului 4.2. Pentru fiecare probă s-a realizat o cantitate de 30 ml de nanofluid de

concentraţie volumică specificată. Fiecare probă s-a ȋmpărţit ȋn 3 probe parţiale a câte 10 ml, şi apoi

s-a aplicat un tratament de agitare cu ultrasunete, pentru a preîntâmpina aglomerarea şi depunerea

ulterioară a nanoparticulelor.

Suspensiile preparate sunt evidenţiate în Figurile 4.2, 4.3 şi 4.4 precum şi în Tabelul 4.3.

În Figura 4.2 sunt prezentate imagini ale recipientelor conţinând nanofluid cu alumină cu

concentraţia 1, 2 şi 3% alumină în apă distilată. Se observă culoarea albicioasă a suspensiei şi lipsa

sedimentării. În Figura 4.3 sunt ilustrate cele trei probe (concentraţii 1, 2 şi 3%) cu nanofluid pe bază

de dioxid de siliciu, remarcându-se culoarea transparentă şi lipsa sedimentării nanoparticulelor. În

Figura 4.4 este nanofluidul cu dioxid de titan, de culoare albă.

Figura 4.2. Recipiente conţinând nanofluide pe bază de oxid de aluminiu

Dispersie

concentrată

Mixare

directă

Dispersare /

amestecare

Agitare cu

ultrasunete

Nanofluid

apă

distilată


30

Figura 4.3. Recipiente conţinând nanofluide pe bază de dioxid de siliciu

Figura 4.4. Recipiente conţinând nanofluide pe bază de dioxid de titan

Tabelul 4.3. Nanofluidele simple preparate

Tipul de nanofluid Fluid de bază Concentraţia volumică de nanoparticule, ϕ, %vol.

Nanofluide simple cu

alumină

apă distilată 1.00 % vol. Al2O3



apă distilată 3.00 % vol.Al2O3

apă distilată 5.00 % vol.Al2O3


dioxid de siliciu

apă distilată 1.00 % vol.SiO2





dioxid de titan

apă distilată 1.00 % vol.TiO2





31

4.2. Prepararea nanofluidelor hibrid

Nanofluidele hibrid au fost realizate în cadrul Institutului de Chimie Macromoleculară “Petru

Poni” Iaşi (ICMPP), conform schemei ilustrate în Figura 4.5, urmând aceeaşi metodologie de la

prepararea nanofluidelor simple.

În plus, aşa cum a reieşit şi din analiza critică a stadiului actual al cercetărilor, s-a

încercat menţinerea atât a concentraţiei de alumină cât şi a întregii cantităţi de nanoparticule

la valori cât mai scăzute, pentru a nu genera creşteri masive în vâscozitatea fluidului.

În Tabelul 4.4 sunt evidenţiate concentraţiile nanofluidelor hibrid preparate pentru studiul

experimental, iar în Figura 4.6 se află o fotografie a câtorva dintre suspensii.

Figura 4.5. Schema de preparare a nanofluidelor hibrid

Tabelul 4.4. Concentraţiile nanofluidelor hibrid

Tipul de nanofluid Fluid de bază Concentraţia volumică de nanoparticule, %vol.

Nanofluide hibrid apă distilată 0.50 % vol.Al2O3 + 0.50 % vol. SiO2

apă distilată 0.50 % vol.Al2O3 + 1.00 % vol.SiO2

apă distilată 0.50 % vol.Al2O3+ 1.50 % vol. SiO2

apă distilată 0.50 % vol.Al2O3+ 2.50 % vol. SiO2

apă distilată 0.50 % vol.Al2O3 + 0.50 % vol. TiO2

apă distilată 0.50 % vol.Al2O3 + 1.00 % vol.TiO2

apă distilată 0.50 % vol.Al2O3+ 1.50 % vol. TiO2

apă distilată 0.50 % vol.Al2O3+ 2.50 % vol. TiO2

Dispersia 1

concentrată

Mixare

directă

Dispersare /

amestecare

Agitare cu

ultrasunete

Nanofluid

hibrid apă

distilată

Dispersia 2

concentrată


32

Figura 4.6. Recipiente conţinând nanofluid hibrid alumină + dioxid de siliciu

În Figura 4.6 sunt prezentate trei recipiente de nanofluid hibrid cu alumină şi dioxid de siliciu

cu concentraţiile: 0.50 % vol. Al2O3 + 0.50 % vol. SiO2 , 0.50 % vol.Al2O3 + 1.00 % vol.SiO2 şi 0.50

% vol.Al2O3 + 1.50 % vol.SiO2 . Se observă culoarea albicioasă a suspensiei şi absenţa sedimentării.

4.3. Analiza suspensiilor şi aparatura utilizată

4.3.1. Analiza TEM a suspensiilor preparate

Analizele TEM s-au efectuat pe echipamentul Hitachi High-Tech HT7700 aflat ȋn dotarea

Institutului de Chimie Macromoleculară “Petru Poni” Iaşi (ICMPP). Dispozitivul oferă imagini şi

contrast de înaltă rezoluţie (de până la 0.2 nm) referitoare la morfologia şi topografia suprafeţei unui

material şi permite analiza acestuia. Echipamentul a fost operat în modul high contrast (contrast înalt),

la un potenţial de accelerare de 100 kV. Probele (micropicături de nanofluid) au fost aplicate pe grile

din cupru de 300 mesh, acoperite cu carbon şi s-au uscat în vid până la evaporarea lichidului.

4.3.2. Analiza stabilităţii suspensiilor prin măsurători de potenţial electrocinetic

Pentru verificarea stabilității nanofluidelor şi a tendinţei acestora de aglomerare s-a realizat o

analiză preliminară DLS (Dynamic Light Scattering = împrăştierea dinamică a luminii), cuplată cu

potenţialul electrocinetic, pe aparatul Delsa™Nano, aflat în dotarea Institutului de Chimie

Macromoleculară “Petru Poni” Iaşi (ICMPP).

4.4. Metode de analiză a proprietăților termofizice (conductivitate termică,

căldură specifică, vâscozitate) şi aparatura utilizată

4.4.1. Analiza conductivităţii termice a suspensiilor

Măsurătorile de conductivitate termică au avut loc atât la temperatura ambiantă (25 °C) cât şi

odată cu variaţia temperaturii în intervalul 20-50°C. Echipamentul utilizat a fost KD 2 Pro Thermal

Properties Analyzer (Decagon Devices, USA), aflat în dotarea Universităţii Transilvania din Braşov.


33

Principiul de măsurare are la bază metoda nestaţionară cu electrod (THW - transient hot-wire

method), metodă care este considerată optimă pentru studiul conductivităţii termice a acestor fluide

cu nanoparticule în suspensie [192]. Metoda THW asigură o acurateţe a măsurătorilor de 0.2% şi o

precizie de 0.02% [192].

4.4.2. Analiza vâscozităţii suspensiilor

Analiza reologică a fost realizată utilizând un reometru modular Physica MCR 501 (Anton

Paar, Austria) prevăzut cu un sistem Peltier de reglare a temperaturii în intervalul -40 şi 200 °C [193].

Reometrul se află în dotarea Facultăţii de Chimie Industrială, Universitatea Tehnică “Gheorghe

Asachi” Iaşi.

4.4.3. Analiza căldurii specifice a suspensiilor

Analiza căldurii specifice a nanofluidelor s-a realizat cu un echipament DSC 1 de la Mettler-

Toledo, fiind folosite capsule ermetice de aluminiu (40 μL), iar probele au avut o masă între 4 și 6

mg. Echipamentul se află în dotarea Facultăţii de Chimie Industrială, Universitatea Tehnică

“Gheorghe Asachi” Iaşi.


34

CAPITOLUL 5.

REZULTATE EXPERIMENTALE ŞI

INTERPRETAREA ACESTORA

În acest capitol, interpretarea rezultatelor a fost prezentată păstrând aceleaşi reprezentări

grafice şi ecuaţii care se regăsesc în lucrările publicate [195-199].

Notă: O parte din reprezentări fac referire la temperatura în °C iar o altă parte la

temperatura exprimată în K, aşa cum a fost cerut de recenzori. S-a decis păstrarea formatului

lucrărilor deja publicate, pentru a nu altera ecuaţiile propuse.

5.1. Analiza stabilităţii suspensiilor: caracterizare prin TEM şi potenţial

electrocinetic

După cum s-a explicat în Capitolul 4, au fost realizate 3 tipuri de nanofluide şi 2 tipuri de

nanofluide hibrid, fiecare în 3 - 5 concentraţii diferite, folosind cantităţi mici de nanoparticule (până

în 3-5% concentraţie volumică) pentru a temporiza creşterea posibilă în vâscozitatea nanofluidului

simplu sau hibrid. Toate aceste noi fluide au fost supuse unei analize morfologice şi de stabilitate,

înainte de a se trece la măsurarea caracteristicilor termofizice. Analiza stabilităţii nanofluidelor se

poate face în principal prin trei metode: vizual (utilizând probele preparate), prin analiză TEM sau

potenţial electrocinetic. În acest studiu s-au folosit toate aceste trei metode, după cum se poate observa

în cele ce urmează şi în cele prezentate deja în capitolul anterior (vezi Figurile 4.2 – 4.4 şi Figura

4.6).

5.1.1. Caracterizarea cu ajutorul TEM a noilor fluide

Caracterizarea suspensiilor prin analiza TEM poate oferi informaţii relevante doar cu privire

la forma şi dimensiunile nanoparticulelor. În cadrul acestui experiment s-au analizat câteva suspensii

preparate, ca de exemplu:

- nanofluidul simplu cu apă distilată şi alumină (Figura 5.1),

- nanofluidul simplu cu apă distilată şi dioxid de titan (Figura 5.2),

- nanofluidul simplu cu apă distilată şi dioxid de siliciu (Figura 5.3),

- nanofluidul hibrid cu apă distilată şi alumină + dioxid de titan (Figura 5.4),

- nanofluidul hibrid cu apă distilată şi alumină + dioxid de siliciu (Figura 5.5).


35

Analiza diferitelor concentraţii de nanoparticule nu este relevantă pentru a fi detaliată prin

analiza TEM, deoarece acest tip de analiză, în cazul nanofluidelor, poate oferi informaţii doar cu

privire la prezenţa nanoparticulelor, dimensiunea medie a acestora sau prezenţa aglomerărilor mari

care depăşesc gama de dimensiuni nano.

Figura 5.1. Imagine TEM pentru nanofluidul simplu cu apă distilată şi alumină

În Figura 5.1 se remarcă distribuţia aparent neuniformă a particulelor de alumină, precum şi

prezenţa a mai multor nanoparticule de dimensiuni diferite, dimensiunea medie fiind de aproximativ

43 nm, cu menţiunea că se observă şi câteva aglomerări de particule, dar fără a depăşi 100 nm.

Particulele de alumină au formă sferică, regulată.

În Figura 5.3 se observă o distribuţie uniformă a particulelor de dioxid de siliciu, precum şi

dimensiunile de aproximativ 20 nm a nanoparticulelor, existând şi câteva nanoparticule de până în 10

nm. Nanoparticulele de dioxid de siliciu prezintă formă sferică.

În Figura 5.4 analiza TEM evidenţiază ambele tipuri de nanoparticule care sunt în nanofluidul

hibrid, remarcându-se absenţa aglomerărilor şi repartiţia uniformă, prin amestecare, a celor doi oxizi

de dimensiuni net diferite. Acelaşi fapt se observă şi din Figura 5.5, unde sunt puse în evidenţă

nanoparticulele sferice de alumină şi cele de dioxid de siliciu, remarcându-se gradul de amestec şi

dimensiunile mult mai mari ale aluminei (cca 85 -100 nm).


36

Figura 5.3. Imagine TEM pentru nanofluidul simplu cu apă distilată şi dioxid de siliciu

Figura 5.4. Imagine TEM pentru nanofluidul hibrid cu apă distilată şi alumină + dioxid de titan

În concluzie, rezultatele TEM indică o stabilitate bună atât a nanofluidelor simple cât şi a celor

hibrid [200], precum şi o amestecare foarte bună a nanoparticulelor de oxizi în fluidele hibrid. Chiar

dacă în anumite situaţii se observă câteva particule de dimensiuni mai mari (de aproximativ 85-

100nm, care pot fi rezultat al unei conectări dintre 2 nanoparticule) care reprezintă cazuri izolate. Pe

de altă parte, aglomerările masive care pot influenţa caracteristicile fluidului au dimensiuni de peste

500 nm [200].

5.1.2. Analiza stabilităţii nanofluidelor

Analiza stabilităţii fluidelor s-a realizat şi cu ajutorul măsurătorilor potenţialului

electrocinetic, utilizând echipamentul Delsa Nano aflat în dotarea Institutului de Chimie


37

Macromoleculară “Petru Poni” din Iaşi. Stabilitatea suspensiilor a fost satisfăcătoare, ţinând cont că

nu s-a adăugat surfactant iar rezultatele sunt ilustrate în Tabelul 5.1.

Tabelul 5.1. Rezultatele înregistrate pentru potenţialul electrocinetic al noilor fluide

Tipul nanofluidului sau al nanofluidului

hibrid şi concentraţia volumică

potenţial

electrocinetic, mV

Observaţii

1.00 % vol. Al2O3 +19.20 relativ stabil

1.50 % vol. Al2O3 +27.00 stabil

2.00 % vol. Al2O3 +27.90 stabil

3.00 % vol.Al2O3 +25.22 stabil

1.00 % vol.SiO2 -37.14 foarte stabil




1.00 % vol.TiO2 -24.27 relativ stabil

1.50 % vol.TiO2 -26.85 stabil

2.00 % vol.TiO2 -31.46 foarte stabil

3.00 % vol.TiO2 -33.38 foarte stabil

0.50 % vol.Al2O3 + 0.50 % vol. SiO2 -26.11 stabil

0.50 % vol.Al2O3 + 1.00 % vol.SiO2 -34.53 foarte stabil

0.50 % vol.Al2O3+ 1.50 % vol. SiO2 -32.90 foarte stabil

0.50 % vol.Al2O3+ 2.50 % vol. SiO2 -39.54 foarte stabil

0.50 % vol.Al2O3 + 0.50 % vol. TiO2 -30.47 foarte stabil

0.50 % vol.Al2O3 + 1.00 % vol.TiO2 -23.76 relativ stabil

0.50 % vol.Al2O3+ 1.50 % vol. TiO2 -25.91 stabil

0.50 % vol.Al2O3+ 2.50 % vol. TiO2 -30.47 foarte stabil

Se poate observa din Tabelul 5.1 că fluidele elaborate au o stabilitate foarte bună, în aproape

toate cazurile. O explicaţie ar putea fi că, pe de o parte, s-a lucrat cu nanoparticule de dimensiuni mici

(20, 30 şi 45 nm) şi, pe de altă parte, timpul de agitaţie cu ultrasunete a fost corect calculat, aşa cum

a fost descris în detaliu în Capitolul 4. Din acest motiv, s-a decis renunţarea la folosirea de surfactant,

mai ales că prezenţa acestuia în suspensii poate influenţa caracteristicile termofizice ale fluidului.


38

5.2. Conductivitatea termică a nanofluidelor simple şi hibrid pe bază de

alumină, dioxid de titan şi dioxid de siliciu

Conductivitatea termică a nanofluidelor, care se poate determina teoretic sau experimental

folosind relaţiile ilustrate în Capitolul 2, este cel mai studiat parametru atunci când se discută despre

nanofluide. Pentru a realiza o cât mai bună analiză a rezultatelor experimentale, se va face o

comparaţie cu datele extrase din publicaţiile relevante, care au avut ca obiect de studiu nanofluidele

pe bază de alumină, dioxid de titan şi dioxid de siliciu. Din punct de vedere teoretic şi experimental,

o sinteză a rezultatelor cercetărilor efectuate pe nanofluidele pe bază de apă cu alumină, dioxid de

titan sau dioxid de siliciu a fost prezentată în Tabelul 2.1.

În plus, se defineşte conductivitatea termică relativă ca raportul dintre conductivitatea termică

a nanofluidului şi cea a fluidului de bază:

f

nf

rk

kk . (5.1)

unde conductivitatea termică a apei a fost determinată experimental şi are valoarea kf = 0.586W/mK

la 25°C.

Rezultatele experimentale care vor fi prezentate în cele ce urmează au fost colectate la

temperatura ambiantă şi apoi la diferite temperaturi în intervalul 20-50 °C. Eroarea experimentului a

fost calculată ca fiind 1.52% şi a fost bazată pe colectarea a câte 48 de valori pentru fiecare fluid (apă,

nanofluide simple şi nanofluidele hibrid).

5.2.1 Studiul variaţiei conductivităţii termice a nanofluidelor hibrid pe bază de alumină,

dioxid de titan şi dioxid de siliciu, la temperatura ambiantă

În Figurile 5.6, 5.7 şi 5.8 sunt reprezentate grafic valorile conductivităţii termice pentru

nanofluidele simple, în comparaţie cu rezultatele preluate din literatura de specialitate.

Aşa cum se observă din Figura 5.6, rezultatele experimentale obţinute în cadrul acestei teze

sunt în acord cu cele experimentale publicate în literatura de specialitate. Totuşi, în unele situaţii s-

au obţinut valori mai mari decât cele estimate pe baza ecuaţiilor prezente în literatură (atât teoretice

[4, 63], cât şi experimentale). La un calcul simplu, rezultatele de faţă se încadrează într-o marjă de

eroare de aproximativ ± 6% faţă de cele publicate în literatură.

În contradicţie, rezultatele experimentale pentru nanofluidul simplu cu dioxid de siliciu

(Figura 5.7) sunt mult mai mari decât cele estimate cu modelele existente. De fapt, diferenţa este în

medie de 14% şi poate fi explicată prin lipsa investigaţiilor experimentale în ce priveşte acest tip de

nanofluid, precum şi datorită folosirii de cele mai multe ori a surfactanţilor pentru a îmbunătăţi

stabilitatea.


39


nanofluidul apă – alumină

Rezultatele experimentale obţinute pentru nanofluidul apă - dioxid de titan (vezi Figura 5.8)

se încadrează, ca valori, cu o abatere calculată de +2.35 până la +4.74% faţă de cele existente în

literatură.

Studiul experimental al conductivităţii termice pentru nanofluidele hibrid a condus la datele

ilustrate în Figurile 5.9 şi 5.10, unde valorile experimentale pentru nanofluidele hibrid sunt prezentate

comparativ cu cele pentru nanofluidele simple, evidenţiindu-se şi aproximarea liniară a variaţiei

conductivităţii termice în funcţie de concentraţia volumică totală.


nanofluidul apă - dioxid de siliciu


40


nanofluidul apă - dioxid de titan

Figura 5.9. Conductivitatea termică determinată experimental pentru nanofluidele simple şi hibrid

alumină + dioxid de titan în funcție de concentrația volumică totală de nanoparticule

Figura 5.9 prezintă comparativ datele experimentale obţinute pentru cele două tipuri de

nanofluide simple şi cel hibrid cu dioxid de titan şi se observă că nanofluidul hibrid împrumută

comportamentul celui simplu cu dioxid de titan (aceeaşi pantă de creştere a conductivităţii termice cu

concentraţia), valorile înregistrate fiind mai mari datorită prezenţei aluminei în compoziţie. Aceeaşi

influenţă a aluminei asupra conductivităţii termice a nanofluidului hibrid se observă şi pentru cele cu

dioxid de siliciu. În schimb, în cazul nanofluidului hibrid alumină – dioxid de siliciu, alumina are ca

efect scăderea uşoară a conductivităţii termice a hibridului (vezi Figura 5.10). Aceste fenomene pot


41

fi explicate şi prin dimensiunile mai mari ale nanoparticulelor de alumină, ceea ce face ca influenţa

acestuia să fie mai pregnantă.

Figura 5.10. Conductivitatea termică relativă experimentală pentru nanofluidele simple şi hibrid

alumină + dioxid de siliciu în funcție de concentrația volumică totală de nanoparticule

Tabelul 5.2 prezintă sintetic ecuaţiile obţinute în urma analizei datelor experimentale, relaţii

care reprezintă o noutate şi care au fost publicate în revistele de specialitate, conform datelor

prezentate în Anexa 1. Analiza datelor experimentale s-a realizat cu ajutorul programului Microsoft

Excell, modulul de analiză grafică şi fitare a datelor, ecuaţiile propuse respectând alura celor propuse

de alţi autori şi prezentate în Tabelul 2.1. În Tabelul 5.2 semnificaţia notaţiilor este: k este

conductivitatea termică, este fracţia volumică, iar indicii nf şi f se referă la nanofluid, respectiv

fluidul de bază.

Tabelul 5.2. Ecuaţii experimentale determinate pentru nanofluidele simple şi hibrid elaborate

Tipul de nanofluid Ecuaţia propusă Abaterea R2

Nanofluid simplu Al2O3 - apă knf / kf = 4.540 + 1.010 R² = 0.96

Nanofluid simplu TiO2 - apă knf / kf = 1.570 + 1.060 R² = 0.98

Nanofluid simplu SiO2 - apă knf / kf = 0.058 + 1.103 R² = 0.96

Nanofluid hibrid Al2O3 + TiO2 – apă knf / kf = 1.74 + 1.11 R² = 0.88

Nanofluid hibrid Al2O3 + SiO2 – apă knf / kf = 0.041 + 1.056 R² = 0.98

În plus faţă de analiza datelor experimentale în 2D, s-a realizat şi o analiză 3D a datelor,

prezentată în Figurile 5.11 şi 5.12, unde se remarcă influenţa fiecărui tip de nanoparticulă asupra


42

conductivităţii termice a nanofluidului hibrid. Această analiză regresională 3D a fost realizată cu

ajutorul software-ului Table Curve 3D şi a fost posibilă în urma programării atente a experimentului.

Metoda de interpretare şi fitare a datelor experimentale a avut la bază respectarea sensului fizic al

variaţiei proprietăţilor termofizice cu concentraţia de nanoparticule.

Figura 5.11. Analiza 3D a rezultatelor experimentale de conductivitate termică pentru nanofluidele

hibrid alumină + dioxid de titan

Analiza 3D a permis şi interpretarea datelor, conducând la următoarele ecuaţii de estimare a

conductivităţii termice a nanofluidelor hibrid studiate:

- pentru alumină + dioxid de titan (R2 = 0.96):

)......(kk fhnf

3

2

2

22

2

11 350223806484322723835120097109950 (5.2)

- pentru alumină + dioxid de siliciu (R2 = 0.88):

32

2

22

2

11 100013010005901001090100009010000506070 ....)(..khnf (5.3)

unde knf este conductivitatea termică a nanofluidului, kf este conductivitatea termică a apei

(determinată experimental) şi este fracţia volumică de nanoparticule. Indicii 1 şi 2 se referă la

nanoparticulele de alumină, respectiv dioxid de siliciu (în ecuaţia (5.3)) sau dioxid de titan (în ecuaţia

(5.2)).

Ecuaţiile (5.2) şi (5.3) folosesc la estimarea conductivităţii termice atât a nanofluidelor simple

cât şi a celor hibrid, ceea ce este o noutate pe plan internaţional.


43



5.2.2 Studiul variaţiei cu temperatura a conductivităţii termice a nanofluidelor hibrid pe bază

de alumină, dioxid de titan şi dioxid de siliciu

Variaţia conductivităţii termice cu temperatura a fost studiată cu ajutorul aceluiaşi

echipament, temperatura fiind variată între 20 şi 50 °C. Rezultatele vor fi prezentate grafic, separat

pentru fiecare tip de hibrid. Pentru analiza datelor experimentale s-a păstrat aceeaşi metodologie de

lucru.

Figura 5.13 cuprinde datele pentru nanofluidele hibrid pe bază alumină şi dioxid de siliciu,

unde se remarcă o creştere a conductivităţii termice în intervalul 17.96 – 23.61%, creştere dependentă

de concentraţia nanoparticulelor şi temperatură. Acelaşi fenomen se remarcă şi pentru nanofluidele

alumină – dioxid de titan, dar variaţia în conductivitate termică este mai scăzută – 15.5% (vezi Figura

5.14)

Ca o completare la stadiul actual, rezultatele experimentale au fost fitate cu o ecuaţie liniară

pentru a evidenţia influenţa temperaturii asupra conductivităţii termice urmând aceeaşi metodologie

prezentată şi în secţiunea anterioară. În Tabelul 5.3 sunt legile de variaţie pentru fiecare din

nanofluidele hibrid preparate, ecuaţii care sunt valabile în intervalul de concentraţie 1-3% şi între 20-

50 °C. Semnificaţia notaţiilor este: khnf este conductivitatea termică a nanofluidului hibrid, iar T este

temperatura în °C.


44

Tabelul 5.3. Ecuaţii experimentale determinate pentru a descrie influenţa temperaturii asupra

conductivităţii termice a nanofluidelor hibrid elaborate

Graficele 3D, care oferă informaţii mai exacte privind influenţa temperaturii şi a fiecărui tip

de nanoparticule asupra conductivităţii termice, se regăsesc în Figurile 5.15 şi 5.16.

Din analiza datelor experimentale prezentate anterior şi în corelaţie cu analiza 3D se pot

propune următoarele ecuaţii:

- pentru alumină + dioxid de siliciu (R2 = 0.90):

tothnf .T.T..k 100041000005000604740 2 (5.4)

- pentru alumină + dioxid de titan (R2 = 0.97):

202410963961527300303470 tottothnf ...T..k (5.5)

unde khnf este conductivitatea termică a nanofluidului hibrid, T este temperatura în °C iar tot = alumina

+ dioxid de siliciu/oxid de titan = 0.005 + dioxid de siliciu/oxid de titan. este fracţia volumică totală.

Ecuaţiile (5.4) şi (5.5) reprezintă o noutate pe plan internaţional, ele putând fi aplicate atât

nanofluidelor simple cât şi celor hibrid în intervalul 20- 50 °C, interval termic specific multor operaţii

de schimb de căldură ce folosesc apa ca agent termic.

5.3. Vâscozitatea şi comportamentul reologic al nanofluidelor simple şi hibrid pe

bază de alumină, dioxid de titan şi dioxid de siliciu

Se poate spune că interesul cercetătorilor în estimarea vâscozităţii suspensiilor e la fel de mare

ca şi cel suscitat de variaţia conductivităţii termice. Totuşi, vâscozitatea nu a fost la fel de intens

studiată, cu toate că aceasta joacă un rol extrem de important în studiul convecţiei forţate. Pentru a

Tipul de nanofluid Ecuaţia propusă Abaterea R2

0.50 % Al2O3 + 0.50 % TiO2 152730032030630 .T..khnf R² = 0.99

0.50 % Al2O3 + 1.00 %TiO2 152730033033430 .T..khnf R² = 0.99

0.50 % Al2O3+ 1.50 % TiO2 152730034035380 .T..khnf R² = 0.99

0.50 % Al2O3+ 2.50 % TiO2 152730034033440 .T..khnf R² = 0.95

0.50 %Al2O3 + 0.50 % SiO2 T..khnf 0018061050 R² = 0.99

0.50 % Al2O3 + 1.00 % SiO2 T..khnf 0031059630 R² = 0.94

0.50 % Al2O3+ 1.50 % SiO2 T..khnf 0036059450 R² = 0.95

0.50 % Al2O3+ 2.50 % SiO2 T..khnf 0034061140 R² = 0.95


45

înţelege problemele care apar în estimarea vâscozităţii nanofluidelor, în Capitolele 2 şi 3 s-a realizat

o scurtă prezentare a stadiului actual al cercetărilor experimentale şi a relaţiilor care pot descrie

vâscozitatea nanofluidelor, determinate pe cale experimentală, dar şi analitică. În ceea ce priveşte

rezultatele măsurătorilor efectuate asupra vâscozităţii nanofluidelor, cercetările evidenţiază aceeaşi

concluzie generală şi anume că vâscozitatea scade cu creşterea temperaturii şi sporeşte cu creşterea

concentraţiei volumice de nanoparticule.

Studiile privind comportamentul reologic al nanofluidelor constau în determinarea legăturii

dintre vâscozitatea dinamică și viteza de forfecare. Pentru a descrie pe deplin comportamentul

nanofluidelor studiate, a fost ales modelul Ostwald-de Waele (cunoscut şi sub denumirea de legea

puterii), care descrie comportarea fluidelor cu ajutorul relaţiei:

µ = k n−1 (5.6)

În ecuaţia (5.6), µ este vâscozitatea, este viteza de forfecare, k este indicele de consistență

și n este indicele de curgere. În funcție de indicele de curgere se identifică următoarele situaţii:

- pentru n <1 fluidul este pseudoplastic

- pentru n> 1 fluidul este dilatant

- n = 1 înseamnă un fluid newtonian.

În Figurile 5.17, 5.18 și 5.19 este prezentată variația vâscozității cu viteza de forfecare a

fluidului de bază și nanofluidelor studiate pentru alumină și, respectiv, TiO2, SiO2 cu trei concentrații

diferite de nanoparticule la 25°C. Rezultatele din Figura 5.17 arată clar că apa este un fluid newtonian

cu o vâscozitate de 0.00089 Pa s [198, 199].

Figura 5.17. Variația vâscozității cu viteza de forfecare a nanofluidelor pe bază de alumină

Analizând rezultatele din Figurile 5.17 – 5.19 reisese că nanofluidele elaborate au un

comportament nenewtonian.


46

Figura 5.18. Variația vâscozității cu viteza de forfecare a nanofluidelor pe bază de dioxid de siliciu

Mai mult, observaţiile experimentale au dus la concluzia că, exceptând nanofluidele pe bază

de dioxid de siliciu, nanofluidele analizate în cadrul acestei teze au o comportare pseudo-plastică

(vâscozitatea scade cu valoarea tensiunii sau a vitezei de deformație, producându-se fluidizarea).

Comportamentul pseudo-plastic (numit şi subţiere prin forfecare) nu este complet elucidat, dar se

poate explica prin re-aranjarea nanoparticulelor, ceea ce ar favoriza a alunecare relativă a

nanoparticulelor în suspensie, astfel încât fluidele opun o rezistență mai mică la curgere. Nanofluidele

cu dioxid de siliciu au un comportament dilatant (îngroşare prin forfecare), după cum se va observa

şi din analiza reologică a acestora.

Rezultatele experimentărilor cu privire la nanofluidele hibrid sunt ilustrate în Figura 5.20 şi

5.21.

Figura 5.19. Variația vâscozității cu viteza de forfecare a nanofluidelor pe bază de dioxid de titan


47


siliciu

Analizând Figura 5.21 reiese că nanofluidele hibrid alumină + dioxid de siliciu au un

comportament pseudo-plastic, determinat de prezenţa particulelor de alumină în suspensie. În plus,

prin înlocuirea a 0.5% SiO2 cu Al2O3 se observă o creştere a vâscozităţii, dacă se compară cu

rezultatele din Figura 5.18 (experimentul pentru nanofluidele simple cu dioxid de siliciu). Acelaşi

fenomen se remarcă şi pentru nanofluidul hibrid cu dioxid de titan.


titan

5.3.1. Comportamentul reologic al nanofluidelor hibrid pe bază de alumină şi dioxid de siliciu

Dacă se consideră Legea puterii (vezi ecuaţia 5.6), se pot determina pe cale experimentală

indicii de curgere şi de consistenţă prin fitarea datelor cu o funcţie exponenţială, rezultatele fiind


48

prezentate în Tabelul 5.4, unde este viteza de forfecare, este concentraţia volumică şi µ este

vâscozitatea.

Tabelul 5.4. Ecuaţiile determinate experimental pentru nanofluidele simple şi hibrid alumină şi dioxid

de siliciu

Tipul de nanofluid Ecuaţia Acurateţe

nanofluid cu Al2O3, = 1.00 % vol. µ = 0.1684 -0.464 R² = 0.82



nanofluid cu SiO2 , = 1.00 % vol. µ = 0.0793 0.413 R² = 0.74



nanofluid hibrid cu SiO2+ Al2O3 = 1.00 % vol. µ = 0.2111 -0.547 R² = 0.84

nanofluid hibrid cu SiO2+ Al2O3 = 2.00 % vol. µ = 0.2597 -0.609 R² = 0.84

Interesant este faptul că nanofluidele pe bază de alumină posedă un comportament

pseudoplastic (vezi Figura 5.22) și nanofluidul cu dioxid de siliciu dovedeşte o comportare dilatantă

(vezi Figura 5.22). Pentru fluidele care prezintă comportament pseudoplastic, vâscozitatea scade

odată cu creșterea vitezei de forfecare, iar aglomeratele pot fi dezintegrate prin efectul de forfecare.

Un fluid este definit ca dilatant în situaţia în care vâscozitatea crește cu viteza de forfecare.

Comportamentul reologic poate fi influenţat de dimensiunea, forma și distribuția particulelor.

Proprietățile acestor suspensii sunt puternic dependente de forțele van der Waals care se

manifestă între fluid şi nanoparticule. Comportamentul dilatant apare atunci când o suspensie

evoluează dintr-o stare stabilă într-o stare de precipitare (sau coagulare). Se poate observa din Figura

5.22 că indicele de curgere scade odată cu creșterea fracției volumice de alumină, ceea ce duce la

concluzia că pentru probele cu concentrație ridicată de alumină în suspensie apoasă comportamentul

nenewtonian devine important.

Același fenomen a fost observat şi pentru nanofluidele hibrid, în timp ce pentru nanofluidul

cu SiO2 indicele de curgere crește prin adăugarea de nanoparticule. Explicația constă în dependenţa

puternică dintre indicele de curgere şi concentraţia de nanoparticule solide din suspensie. În ceea ce

privește hibridul, comportamentul său este împrumutat de la nanofluidul cu alumină, iar explicația

constă în influența puternică a aluminei în comparație cu nanoparticulele de SiO2.


49

Pentru a determina o ecuație adecvată care poate descrie rezultatele experimentale, se

defineşte vâscozitatea relativă ca:

f

nf

r

(5.7)

Figurile 5.24 şi 5.25 prezintă vâscozitatea relativă a celor două nanofluide monocomponente

studiate împreună cu rezultatele care pot fi estimate cu ecuațiile propuse. În plus, rezultatele

experimentale au fost fitate cu o ecuație polinomială de gradul doi (notată Poly, pe grafice), ecuaţie

care a avut cea mai bună eroare şi este în acord cu stadiul actual. Din Figura 5.24 și Figura 5.25 se

observă că vâscozitatea crește odată cu adăugarea de particule la fluidul de bază.

Ecuaţiile propuse pe baza analizei datelor experimentale propuse sunt:

nanofluid simplu cu Al2O3: 06272914135 ..2

r (R2= 0.99) (5.8)

nanofluid simplu cu SiO2: 1142769 .2

r (R2= 0.99) (5.9)

unde µr este vâscozitatea relativă şi este fracţia volumică.

În continuare se vor prezenta şi câteva date privind variaţia cu temperatura a vâscozităţii

nanofluidelor hibrid. Din Figura 5.26 şi Figura 5.27 se remarcă o descreştere a vâscozităţii pe măsură

ce temperatura creşte, tendinţă normală pentru orice fluid. În Figurile 5.26 şi 5.27 sunt reprezentate

valorile experimentale (reprezentate pe grafic cu ●) împreună cu ecuaţiile de fitare a datelor

experimentale (reprezentate cu linie întreruptă). Variaţia cu temperatura a vâscozităţii se descrie cel

mai bine utilizând o ecuaţie polinomială de ordinul 2, aşa cum se poate observa şi din Figurile 5.26

şi 5.27:

hibrid 0.5%Al2O3+0.5%SiO2: 5000300000050 2 .T.T. (R2= 0.94) (5.10)

hibrid 0.5%Al2O3+1.5%SiO2: 571000400000070 2 .T.T. (R2= 0.97) (5.11)

unde µ este vâscozitatea nanofluidului şi T este temperatura.

5.3.2. Comportamentul reologic al nanofluidelor hibrid pe bază de alumină şi dioxid de titan

Considerând Legea puterii (vezi ecuaţia 5.6), s-a realizat şi pentru nanofluidele cu bază

alumină şi dioxid de titan determinarea indicilor de curgere şi de consistenţă, prin fitarea datelor

experimentale cu o funcţie exponenţială, rezultatele fiind prezentate în Tabelul 5.5, unde este

viteza de forfecare, este concentraţia volumică şi µ este vâscozitatea.


50

Tabelul 5.5. Ecuaţiile determinate experimental pentru nanofluidele simple şi hibrid alumină şi dioxid

de titan

Tipul de nanofluid Ecuaţia Acurateţea

nanofluid cu TiO2 , = 1.00 % vol. µ = 0.002 -0.074 R² = 0.77

nanofluid cu TiO2 , = 2.00 % vol. µ = 0.002 -0.036 R² = 0.95

nanofluid cu TiO2 , = 3.00 % vol. µ =0.0034 -0.061 R² = 0.96

nanofluid hibrid cu TiO2+ Al2O3 = 1.00 % vol. µ = 0.006 -0.245 R² = 0.84

nanofluid hibrid cu TiO2+ Al2O3 = 1.50 % vol. µ =0.0024 -0.052 R² = 0.95

nanofluid hibrid cu TiO2+ Al2O3 = 2.00 % vol. µ = 0.0034 -0.07 R² = 0.97

Pentru descrierea variaţiei vâscozităţii în comparaţie cu fluidul de bază s-a apelat la funcţii

polinomiale de ordinul 2 (după modelul existent în literatura de specialitate, aşa cum se poate observa

din consultarea Tabelului 2.3), ecuaţiile determinate fiind:

nanofluidul simplu cu TiO2: 505613202023020 2 ...r (R2= 1) (5.12)

nanofluidul hibrid cu TiO2+ Al2O3: 292111011033710 2 ...r (R2= 1) (5.13)


Mai mult, pentru o descriere mai exactă a influenţei fiecărui tip de nanoparticulă asupra

vâscozităţii nanofluidului, s-a realizat şi o analiză 3D cu ajutorul programului Table Curve3D,

program care poate executa şi a analiză regresională, obţinându-se o suprafaţă de fitare a datelor

experimentale. Rezultatele sunt ilustrate în Figura 5.32, iar ecuaţia propusă (cu R2 = 0.99) este:

232

2

2

2

32232 891390580960321062 TiOOAlTiOOAlTiOOAlr ...... . (5.14)


Ecuaţia (5.14) poate fi folosită atât pentru nanofluidele simple, cât şi pentru nanofluidele

hibrid.

În continuare se vor prezenta şi câteva date privind variaţia cu temperatura a vâscozităţii

nanofluidelor hibrid. Din Figura 5.33 se remarcă o descreştere a vâscozităţii pe măsură ce temperatura

creşte, tendinţă normală pentru orice fluid. În Figura 5.33 cu puncte s-au reprezentat datele

experimentale, iar liniile reprezintă curbele de fitare. Variaţia cu temperatura a vâscozităţii se descrie


51

cel mai bine utilizând o ecuaţie polinomioală de ordinul 2, aşa cum s-a realizat şi anterior pentru

nanofluidele cu alumină şi dioxid de siliciu:

hibrid 0.5%Al2O3+0.5%TiO2: 2920002500000050 .T.T. 2 (R2= 0.97) (5.15)

hibrid 0.5%Al2O3+1.5%TiO2: 4430003100000050 .T.T. 2 (R2= 0.98) (5.16)

Figura 5.32. Reprezentarea 3D a datelor experimentale, însoţită de suprafaţa de regresie.

5.4. Căldura specifică a nanofluidelor simple şi hibrid pe bază de alumină,

dioxid de titan şi dioxid de siliciu

Căldura specifică a nanofluidelor se poate determina teoretic folosind relaţiile (2.2) şi (2.3),

ilustrate în Capitolul 2, unde densitatea se calculează utilizând formula (2.1). Pentru o analiză

comparativă, se defineşte căldura specifică relativă ca raportul dintre căldura specifică a nanofluidului

şi cea a fluidului de bază:

fp

nfp

prc

cc (5.17)

În Figurile 5.34 – 5.36 sunt prezentate rezultatele experimentale obţinute precum şi o analiză

comparativă cu stadiul actual. Reprezentarea grafică a avut ca element comun reprezentarea în funcţie

de fracţia de masă deoarece ecuaţiile propuse de Sekhar şi Sharma [108] şi Raud şi colab. [109] sunt

determinate pentru fracţii masice. Relaţia de dependenţă dintre fracţia masică şi cea volumică a fost

prezentată în Capitolul 4 (vezi ecuaţia (4.1) şi Tabelul 4.1).


52

Figura 5.34. Rezultate experimentale pentru nanofluidele cu alumină

Figura 5.35. Rezultate experimentale pentru nanofluidele cu dioxid de titan

Figura 5.36. Rezultate experimentale pentru nanofluidele cu dioxid de siliciu


53

După cum se observă din Figurile 5.34, 5.35 şi 5.36, deviaţia faţă de ecuaţiile existente în

literatură creşte odată cu creşterea concentraţiei de nanoparticule. O explicaţie ar putea fi rolul jucat

de interfaţa de separaţie dintre nanoparticule şi fluidul de bază sau mobilitatea crescută a

nanoparticulelor, controlată de forma acestora. În plus, se remarcă diferenţe mari dintre relaţia

propusă de Sekhar şi Sharma [108] şi rezultatele experimentale, în special în ce priveşte creşterea

căldurii specifice odată cu creşterea concentraţiei de nanoparticule.

Figurile 5.37 şi 5.38 reprezintă grafic rezultatele experimentale privind căldura specifică

relativă la fluidul de bază pentru nanofluidele hibrid, în comparaţie cu nanofluidele simple. În aceste

grafice, concentraţia hibridului este dată ca suma dintre concentraţiile fiecărui component.

Figura 5.37. Căldura specifică relativă a nanofluidelor alumină + dioxid de siliciu

Figura 5.38. Căldura specifică relativă a nanofluidelor alumină + dioxid de titan

Din analiza Figurii 5.37 reiese că nanofluidele hibrid alumină + dioxid de siliciu au o căldură specifică

mai mare decât a nanofluidelor simple, la aceeaşi valoare totală a concentraţiei, în comparaţie cu


54

hibridele alumină + dioxid de titan, la care căldura specifică scade prin amestecarea a două tipuri de

nanoparticule (vezi Figura 5.38).

Ca o concluzie a acestui studiu, se poate afirma că se înregistrează o scădere drastică a căldurii

specifice odată cu adăugarea de nanoparticule, fenomen care a fost observat şi în literatura de

specialitate. În plus, autorul consideră că acest fenomen este puternic influenţat de materialul

nanoparticulei şi densitatea acestuia. În baza acestor observaţii şi a valorilor experimentale obţinute,

se poate propune o ecuaţie de forma:

fn f p

..

p

.

f

p

p cd

c

27224167020

1001

501

(5.18)

unde cp este căldura specifică, ρ este densitatea, dp diametrul nanoparticulelor şi concentraţia

volumică, indicii f, p şi nf referindu-se la fluidul de bază, particule sau nanofluid, respectiv.

Această ecuaţie este valabilă pentru nanofluidele pe bază de alumină, dioxid de titan şi dioxid

de siliciu la temperatura ambiantă şi pentru concentraţii volumice mai mici de 5% şi are o acurateţe

foarte bună (11%).

Ecuaţia propusă poate fi considerată o contribuţie importantă la stadiul actual al

cercetărilor în domeniu.


55

CAPITOLUL 6.

ANALIZA EFICIENŢEI TRANSFERULUI TERMIC AL

NANOFLUIDELOR HIBRID PE BAZĂ DE

ALUMINĂ, DIOXID DE TITAN ŞI DIOXID DE SILICIU

6.1. Generalităţi

Fără a epuiza toate metodele teoretice posibile de evaluare a transferului termic comparativ

dintre nanofluide şi lichidele utilizate ca bază (în cazul de faţă, apa distilată), acest capitol cuprinde

o analiză critică a îmbunătăţirii efective a transferului termic (cu referire la coeficientul de transfer

termic convectiv, şi nu numai), prin utilizarea nanofluidelor simple şi hibrid. Această analiză se poate

realiza utilizând următoarele abordări des folosite în literatura de specialitate:

o analiza transferului termic cu ajutorul numărului lui Prandtl,

o analiza transferului termic în regim laminar şi/sau turbulent folosind numărul lui

Mouromtseff [143],

o analiza transferului termic în regim turbulent cu ajutorul ecuaţiei lui Gnielinski [139],

o analiza transferului termic în regim laminar cu ajutorul ecuaţiei lui Prasher şi colab. [144].

În continuare, pentru a uşura interpretarea datelor, se va nota cu FOM (din engleză “figure of

merit”, notaţie care este folosită pe scară largă în literatura de specialitate – vezi [175, 142-146])

fiecare parametru de evaluare a transferului de căldură.

6.2. Analiza comportării nanofluidelor la transfer termic cu ajutorul numărului

lui Prandtl

Ţinând cont că fluidele cu număr Pr cât mai mic sunt preferabile în practica industrială a

transferului termic, se va defini FOM1 ca:

nf

f

Pr

PrFOM 1 (6.1)

unde Pr a fost definit cu relaţia (2.7), iar indicii se referă la fluidul de bază (f) respectiv la nanoflui

(nf). În acest caz, pentru FOM1 > 1 nanofluidul pe bază de apă şi oxizi poate înlocui cu succes apa în


56

orice aplicaţie practică. În Figura 6.1 se prezintă câteva date privind dependenţa FOM1 de tipul

nanofluidului şi de concentraţia de nanoparticule.

Figura 6.1. FOM1 pentru nanofluidele studiate

Din analiza datelor prezentate privind variaţia lui FOM1 se remarcă faptul că doar concentraţii

foarte scăzute de nanoparticule în fluidul gazdă pot asigura o îmbunătăţire a transferului termic, dacă

acesta se evaluează pe baza numărului lui Pr. Mai precis, FOM 1 > 1 s-a obţinut pentru nanofluide cu

maximum 1% dioxid de titan, pentru toate nanofluidele hibrid pe bază de alumină şi dioxid de siliciu

şi pentru cel de alumină – dioxid de titan în concentraţia cea mai scăzută. În plus, se observă o

intensificare a transferului termic, cu maxim 18% în urma înlocuirii apei cu nanofluidul hibrid care

conţine 0.5% alumină şi 1.5% dioxid de siliciu.

6.3. Analiza comportării nanofluidelor la transfer termic, numărul lui

Mouromtseff

Pentru regimul de curgere laminară se defineşte FOM2, pe baza numărului lui Mo [143]

definit în Capitolul 2, ecuaţia (2.12):

f

nf

f

nf

f

nf

k

k

h

h

Mo

MoFOM 2 (6.2)

unde Mo este numărul lui Mouromtseff, h este coeficientul de transfer de căldură prin convecţie şi k

este conductivitatea termică. Indicii se referă la fluidul de bază (f) respectiv la nanoflui (nf).


57

În Figurile 6.2 şi 6.3 se prezintă datele privind FOM2. Dacă FOM 2 > 1, atunci nanofluidele

pot înlocui cu succes fluidele clasice în operaţii de transfer de căldură în regim laminar.



Din analiza datelor, se observă că toate nanofluidele pot înlocui apa ca agent termic în regim

laminar, îmbunătăţirea fiind situată între 0.51 şi 20.8%, în funcţie de tipul şi concentraţia

nanoparticulelor. Dacă se face referire doar la nanofluidele hibrid, cele pe bază de alumină şi dioxid

de siliciu au valorile cele mai mari pentru FOM2, lucru care poate fi explicat prin creşterea

conductivităţii termice.

Pentru curgere internă forţată se poate folosi alternativ şi relaţia oferită de Vajiha şi Das [201],

relaţie care este bazată pe raportul dintre numărul lui Mo pentru nanofluid şi fluidul de referinţă.

604080

40

30

505080

3.

f

.

pf

.

f

.

f

.

nf

.

nf

.

pnf

.

nf

f

nf

f

nf

kc

kc

h

h

Mo

MoFOM

(6.3)

În plus, Yu şi colab. [142], au propus pentru curgerea turbulentă internă (prin conducte) următoarea

ecuaţie, valabilă la încălzire:


58

70503080

4

.

f

nf

.

f

nf

.

pf

pnf

.

f

nf

f

nf

k

k

c

c

Mo

MoFOM

(6.4)

În ecuaţiile anterioare, Mo este numărul lui Mouromtseff, h este coeficientul de transfer de

căldură prin convecţie, ρ este densitatea, µ vâscozitatea dinamică, cp căldura specifică şi k este

conductivitatea termică. Indicii se referă la fluidul de bază (f) respectiv la nanoflui (nf).

În Figurile 6.4 şi 6.5 se prezintă datele privind FOM3 şi FOM4.

Figura 6.4. FOM3 şi FOM4 pentru nanofluidele simple

Figura 6.5. FOM3 şi FOM4 pentru nanofluidele hibrid


59

Din analiza Figurilor 6.4 şi 6.5 se pot observa diferenţele între cele două abordări (FOM3 şi

FOM4), valorile fiind evident mai crescute dacă se foloseşte ecuaţia propusă de Vajiha şi Das [205].

În orice caz, în relaţie cu Figura 6.5 se poate afirma cert că nanofluidele hibrid pe bază de

alumină şi dioxid de siliciu, precum şi cele cu concentraţie mică de TiO2 au un comportament mai

bun decât apa în convecţie forţată internă, ducând la îmbunătăţirea transferului termic cu minim 1%

şi maxim 30%, în funcţie de concentraţie.


Gnielinski

Coeficientul de transfer de căldură prin convecţie se poate evalua comparativ, păstrând

aceleaşi condiţii de curgere. Astfel, pentru un număr Re = 10000 şi aceeaşi conductă, ecuaţia lui

Gnielinski [139] raportată la cele două fluide (nanofluidul hibrid şi fluidul de bază – apă) capătă

forma:

ff

/

f

/

/

nf

/

nfnf

f

nf

kPr

Pr/f.

Pr/f.

kPr

h

hFOM

187121

1871215

3221

3221

(6.5)

unde indicele nf şi indicele f fac referire la nanofluid respectiv la fluidul de bază. În plus, h este

coeficientul de transfer de căldură prin convecţie, Pr este numărul lui Prandtl, k conductivitatea

termică şi f este coeficientul de frecare.

În Figurile 6.6 şi 6.7 se prezintă datele privind FOM5.

Dacă se analizează comportarea la transfer termic prin convecţie turbulentă cu FOM5,

rezultatele sunt satisfăcătoare atât pentru nanofluidele simple, cât şi pentru cele hibrid. În plus, se

observă o creştere a eficienţei curgerii odată cu creşterea procentului de nanoparticule în suspensie,

fenomen remarcat şi anterior.

Mai precis, pentru nanofluidele simple se obţine o creştere a coeficientului de transfer de

căldură prin convecţie cu un procentaj cuprins între 7.2 % şi 41.9% în funcţie de tipul nanofluidului

şi concentraţia de nanoparticule. Cea mai mare valoare s-a obţinut pentru nanofluidul cu 3% alumină.

În ce priveşte nanofluidele hibrid, îmbunătăţirea transferului termic este de 14.0 % prin folosirea

hibridului cu 0.5% Al₂O₃ + 1.5% TiO₂.


60




Prasher şi colab.

Analiza transferului termic prin convecţie laminară se poate face şi cu ajutorul ecuaţiei lui

Prasher şi colab. [144], care este folosită des în literatură (relaţia (2.15)). Ecuaţia lui Prasher şi colab.


61

reprezintă o altă formă de determinare a convecţiei în regim laminar în comparaţie cu numărul lui

Mo, utilizând parametrul HTE definit prin ecuaţia (2.15) [144]. În această situaţie, chiar dacă se

analizează coeficientul de transfer de căldură în regim laminar, se ţine cont şi de vâscozitatea relativă

a celor două fluide comparate. Prasher şi colab. [144], afirmă că un nanofluid are performanţe mai

bune decât fluidul de bază în situaţia în care valoarea HTE < 4.

În Figurile 6.8 şi 6.9 se prezintă valorile HTE pentru fluidele studiate.

Figura 6.8. HTE pentru nanofluidele simple


62

Figura 6.9. HTE pentru nanofluidele hibrid

Aşa cum s-a afirmat anterior, o valoare HTE < 4 duce la creşterea eficienţei termice a noului

fluid. Rezultatele prezentate în Figura 6.8 şi 6.9 scot în evidenţă că nanofluidele pot înlocui cu succes

fluidele clasice. Mai precis, nanofluidul simplu cu dioxid de siliciu, cel cu concentraţie mică de TiO2

şi nanofluidele hibrid pe bază de alumină şi dioxid de siliciu au HTE < 4, fapt observat şi anterior.

Cele mai scăzute valori s-au obţinut pentru nanofluidele simple cu dioxid de siliciu (aproximativ 2.5),

dar cele hibrid pe bază de oxid de aluminiu şi dioxid de siliciu au valori HTE chiar mai mici (de

exemplu: 0.5% Al₂O₃ + 0.5% SiO₂ are HTE = 0.89 iar 0.5% Al₂O₃ + 1.5% SiO₂ are HTE = 0.83),

reprezentând o alternativă foarte bună.


63

CAPITOLUL 7.

CONCLUZII FINALE, CONTRIBUȚII PERSONALE ȘI

DIRECȚII DE CERCETARE

Teza de doctorat a abordat tematica transferului de căldură prin utilizarea nanofluidelor atât

din punctul de vedere al unei sinteze bibliografice comprehensive, cât și prin intermediul unui studiu

experimental complex, menit să contribuie la dezvoltarea unor noi nanofluide hibride cu transfer de

căldură intensificat. Nanofluidele hibrid constituie o noutate absolută pe plan naţional şi se află în

primele stadii de dezvoltare la nivel internaţional. Mai mult, cercetările în domeniul nanofluidelor

simple, la nivel naţional, sunt încă în faza de pionierat. Experimentele prezentate în cadrul tezei au

fost axate şi pe nanofluidele simple, componente ale hibrizilor preparaţi, pentru a facilita înţelegerea

comportamentului acestora dar şi pentru a-l folosi ca bază de comparaţie.

Subiectul abordat se caracterizează prin interdisciplinaritate, îmbinând domenii cum ar fi

ingineria materialelor şi fizică aplicată. Totodată, cercetările au presupus o abordare atât teoretică cât

şi experimentală a unor aspecte din domeniul Ingineria Materialelor, în special prin caracterizarea

completă (evidenţiind avantajele şi dezavantajele) a unor noi fluide cu aplicabilitate directă în

domeniul industrial, cu certe avantaje din punct de vedere al eficientizării energetice.

Lucrarea îmbină sinteza unui material bibliografic de actualitate cu rezultatele propriilor studii

teoretice şi experimentale desfăşurate în cadrul unui program de cercetare complex. Rezultatele

teoretice şi experimentale, precum şi interpretarea acestora au fost publicate în reviste de specialitate

sau comunicate la diferite conferinţe internaţionale, rezultând un număr total de 14 articole, din care

7 în reviste cu factor de impact, conform Anexei 1.

Concluziile tezei de doctorat, pot fi sintetizate astfel:

s-au studiat, în premieră pe plan internaţional, două tipuri de nanofluide hibride, de alumină +

dioxid de siliciu și alumină + dioxid de titan;

s-a stabilit că o durată de tratament cu ultrasunete de 60 de minute a suspensiilor de nanoparticule

analizate este suficientă pentru atingerea unei omogenități și stabilități corespunzătoare,

confirmate prin valorile potențialului electrocinetic;

s-au determinat ecuaţii privind variaţia căldurii specifice, conductivităţii termice şi vâscozităţii

nanofluidelor simple şi hibrid în funcție de concentraţia volumică a nanoparticulelor;

s-au determinat ecuaţii privind variaţia conductivităţii termice şi vâscozităţii nanofluidelor hibrid

în funcție de temperatură;


64

prin analiză 3D s-au determinat ecuaţii experimentale complexe ale variaţiei conductivităţii

termice şi vâscozităţii nanofluidelor simple şi hibrid în funcție de doi parametri: concentraţia

volumică şi temperatura;

din analiza comportamentului reologic al nanofluidelor simple şi hibrid investigate s-a observat

că acesta este de tip nenewtonian;

s-a efectuat un studiu analitic al comportării noilor fluide (nanofluide simple şi nanofluide hibrid)

la transfer termic convectiv în regim laminar şi turbulent observându-se că nanofluidele hibrid

alumină + dioxid de siliciu pot fi eficiente atât în regim laminar, cât şi turbulent.

Concret, contribuţiile personale ale autoarei sunt:

Prin controlul concentrației de nanoparticule, s-au obținut următoarele creșteri ale conductivității

termice a nanofluidelor experimentale realizate:

5.1-14.2 % pentru nanofluidul simplu cu alumină;

17.2-28.5% pentru nanofluidul simplu cu dioxid de siliciu;

7.3-10.6 % pentru nanofluidul simplu cu dioxid de titan;

11.8-15.5 % pentru hibridul alumină – dioxid de titan;

10.2-18.1 % pentru hibridul alumină – dioxid de siliciu.

S-a stabilit un algoritm de analiză 2D și 3D a rezultatelor experimentale prin care se pot determina

ecuații de variație a conductivităţii termice, pentru nanofluidele hibrid şi simple studiate, în

funcție de concentraţia volumică și temperatură.

S-au stabilit ecuații complexe de determinare a căldurii specifice a nanofluidelor simple şi hibrid

studiate în funcție de densitățile particulelor și fluidului, diametrul și fracția volumică a

nanoparticulelor. În urma analizei datelor pentru nanofluidele simple cu dioxid de siliciu şi cele

hibrid alumină – dioxid de siliciu s-au obţinut valori satisfăcătoare ale căldurii specifice (scăderi

de până în 7.4%).

Vâscozitatea suspensiilor a fost studiată la temperatura ambiantă iar pentru hibridul cu alumină şi

dioxid de siliciu s-a studiat şi variaţia vâscozităţii la încălzire – răcire, verificând ipoteza apariţiei

unui posibil histerezis al vâscozităţii. O contribuţie importantă este determinarea variaţiei

vâscozităţii cu concentraţia de nanoparticule din suspensie, atât pentru nanofluidele simple, cât şi

pentru cele hibrid. O altă noutate o constituie ecuaţia generală de determinare a vâscozităţii, atât

pentru nanofluidele simple cât şi pentru cele hibrid, ecuaţie care a putut fi obţinută în urma unei

analize regresionale 3D. În general, valorile vâscozităţii au crescut foarte mult cu adăugarea de

nanoparticule ajungând la creşteri de aproximativ 200% prin adăugarea de 3 %vol. nanoparticule,

ceea ce conduce la necesitatea folosirii unor concentraţii cât mai mici de nanoparticule în fluidele


65

clasice. Rezultate satisfăcătoare s-au înregistrat pentru nanofluidul hibrid alumină – dioxid de

siliciu, la care vâscozitatea a crescut cu doar 11.8 – 14. 2%.

Vâscozitatea suspensiilor a fost studiată odată cu variaţia temperaturii şi s-a remarcat o scădere a

vâscozităţii tuturor suspensiilor odată cu creşterea temperaturii. O contribuţie importantă la

stadiul actual este determinarea variaţiei de vâscozitate cu temperatura, atât pentru nanofluidele

simple, cât şi pentru cele hibrid, ecuaţie care a fost posibilă utilizând analiza 3D.

Comportarea la transfer de căldură: nanofluidele hibrid alumină – dioxid de siliciu produc o

îmbunătăţire a transferului termic cu un procent de până la 18%, în comparaţie cu apa ca fluid

termic. Rezultate bune (creştere de 12%) au fost obţinute şi pentru hibridul alumină + dioxid de

titan cu cea mai mică concentraţie (0.5 % alumină + 0.5 % dioxid de titan).

Comportarea la transfer de căldură în regim laminar: apare o creştere a coeficientului de transfer

termic cu procente cuprinse între 5 - 28%.

Comportarea la transfer de căldură în regim turbulent: cele mai bune performanţe se obţin pentru

nanofluidele hibrid alumină + dioxid de siliciu, observându-se o creştere a coeficientului de

transfer termic cu până la 31% prin adăugarea de nanoparticule în apă.

Cercetările viitoare se pot axa, în principal, pe o mai bună înţelegere a factorilor care

determină comportamentul nanofluidelor în transfer termic convectiv. Sintetic, acestea sunt:

descrierea completă a proprietăţilor termofizice ale nanofluidelor simple şi hibrid, prin realizarea

de studii sistematice şi analiza unor ecuaţii generalizate care pot caracteriza nanofluidele din punct

de vedere al variaţiei proprietăţilor termice cu temperatura, dimensiunea de particulă, forma

particulei etc;

studiul sistematic al fenomenului de histerezis al proprietăţilor termofizice, fenomen care poate

apărea la încălzirea-răcirea nanofluidelor simple şi hubrid;

elucidarea comportamentului nanofluidelor în regim turbulent prin efectuarea de analize numerice

specifice şi experimente în regim semiindustrial;

dezvoltarea de noi nanofluide hibride obținute prin amestecarea mai multor tipuri de nanopulberi

(altele decât Al2O3, SiO2 și TiO2), în alte fluide decât apa (de exemplu: etilen glicol, lichide

ionice);

studiul efectelor polarizării particulelor dielectrice asupra comportamentului reologic și al

transferului de căldură.

Direcţiile de cercetare deschise prin abordarea acestei teme pot fi sintetizate astfel:

intensificarea studiilor privind producerea de nanofluide hibride cu conductivitate termică mare şi

vâscozitate scăzută; studiul diferitelor perechi de nanoparticule şi evidenţierea caracteristicilor

nanofluidelor hibrid; studiul sinergiei dintre nanoparticule şi între acestea şi fluidul de bază.


66

BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ

1 S.U.S. Choi, Enhancing Thermal Conductivity of Fluids with Nanoparticles in

Developments and Applications of Non-Newtonian Flows, American Society of

Mechanical Engineering, New York, SUA, FED 231 (1995) 99-105.

2 S.U.S. Choi, Nanofluid Technology: Current Status and Future Research, Korea-U.S.

Technical Conference on Strategic Technologies, Viena, 1998.

3 A. Zendehboudi, R. Saidur, I.M. Mahbubul, S.H. Hosseini, Data-driven methods for

estimating the effective thermal conductivity of nanofluids: A comprehensive review.

International Journal of Heat and Mass Transfer 131 (2019) 1211-1231.

4 J.C. Maxwell, Electricity and Magnetism, Clarendon Press, Oxford, 1873.

5 J.C. Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism Oxford University Press,

Cambridge, 1881.

6 V. Bianco, O. Manca, S. Nardini, Numerical investigation on nanofluids turbulent

convection heat transfer inside a circular tube, International Journal Thermal Sciences 29

(2009) 3632–3642.

10 M.M. Tawfik, Experimental studies of nanofluid thermal conductivity enhancement and

applications: a review, Renewable and Sustainable Energy Reviews 75 (2017) 1239–1253.

11 S.U.S. Choi, Two are better than one in Nanofluids, Argonne National Laboratory, Internal

Report, 2006.

12 S.U.S. Choi, Anomalous thermal conductivity enhancement in nanotube suspensions,

Applied Physics Letters 79 (2001) 2252-2260.

13 B.C. Pak, Y. Cho, Hydrodynamic and heat transfer study of dispersed fluids with submicron

metallic oxide particle, Experimental Heat Transfer 11 (1998) 151–170.

29 A.A. Minea, Advances in Heat Transfer Fluids: from Numerical to Experimental

Techniques, CRC press Taylor & Francis, 2017.

30 G. Puliti, S. Paolucci, M. Sen, Nanofluids and Their Properties, Applied Mechanical

Review 64 (2012) 030803.

31 S. Lee, S.U.S. Choi, S. Li, J.A. Eastman, Measuring Thermal Conductivity of Fluids

Containing Oxide Nanoparticles, Transactions of ASME, Journal of Heat Transfer 121

(1999) 280-298.

32 K.Y. Leong, H.C. Ong, N.H. Amer, M.J. Norazrina, M.S. Risby, K.Z. Ku Ahmad, An

overview on current application of nanofluids in solar thermal collector and its challenges,

Renewable and Sustainable Energy Reviews 53 (2016) 1092–105.


67

33 L. Yang, J. Xu, K. Du, X. Zhang, Recent developments on viscosity and thermal

conductivity of nanofluids, Powder Technology 317 (2017) 348–369.

34 M.J. Muhammad, I.A. Muhammad, N.A.C. Sidik, M.N. Yazid, R. Mamat, G. Najafi The

use of nanofluids for enhancing the thermal performance of stationary solar collectors: a

review, Renewable and Sustainable Energy Reviews 63 (2016) 226–36.

35 P. R. Feynman, R.B. Leighton, M. Sands, The Feynman lectures on physics, vol. I: The new

millennium edition: mainly mechanics, radiation, and heat, Basic books 50th New

Millennium ed., 2011.

54 Y. Xuan, W. Roetzel, Conceptions for heat transfer correlation of nanofluids, International

Journal of Heat and Mass Transfer 43 (2000) 3701–3707.

63 S.E.B. Maiga, S.J. Palm, C.T. Nguyen, G. Roy, N. Galanis, Heat transfer enhancement by

using nanofluids in forced convection flows, International Journal Heat Fluid Flow 26

(2005) 530–546.

65 C.H. Li, G.P. Peterson, Experimental investigation of temperature and volume fraction

variations on the effective thermal conductivity of nanoparticle suspensions (nanofluids),

Journal of Applied Physics 99 (8) (2006) 084314.

66 J. Buongiorno, Convective transport in nanofluids, Journal of Heat Transfer 128 (2006)

240–250.

67 E.V. Timofeeva, A.N. Gavrilov, J.M. McCloskey, Y.V. Tolmachev, Thermal conductivity

and particle agglomeration in alumina nanofluids: experiment and theory, Physical Review

E 76 (2007) 061203.

70 W. Duangthongsuk, S. Wongwises, Measurement of temperature-dependent thermal

conductivity and viscosity of TiO2 –water nanofluids, Experimental Thermal and Fluid

Science 33 (2009) 706–714.

71 H.A. Mintsa, G. Roy, C.T. Nguyen, D. Doucet, New temperature dependent thermal

conductivity data for water-based nanofluids, International Journal of Thermal Science 48

(2009) 363–371.

74 K.V. Sharma, P.K. Sarma, W.H. Azmi, R. Mamat, K. Kadirgama, Correlations to predict

friction and forced convection heat transfer coefficients of water based nanofluids for

turbulent flow in a tube, International Journal Microscale Nanoscale Thermal Fluid

Transport Phenomenon (Spec. Issue Heat Mass Transf. Nanofluids) 3 (2012) 1–25.

108 Y.R. Sekhar, K. Sharma, Study of viscosity and specific heat capacity characteristics of

water-based Al2O3 nanofluids at low particle concentrations, Journal of Experimental

Nanoscience 10 (2015) 86–102.


68

109 R. Raud, B. Hosterman, A. Diana, T.A. Steinberg, G. Will, Experimental study of the

interactivity, specific heat, and latent heat of fusion of water based nanofluids, Applied

Thermal Engineering 117 (2017) 164–168.

119 A.A. Minea, P. Estelle, Numerical study on CNT nanofluids behavior in laminar pipe flow,

Journal of Molecular Liquids 271 (2018) 281-289.

120 W.M. El-Maghlany, A.A. Minea, Novel empirical correlation for ionanofluid PEC inside

tube subjected to heat flux with application to solar energy, Journal of Thermal Analysis

and Calorimetry 135 (2019) 1161–1170.

121 A.A. Minea, S.M.S. Murshed, A review on development of ionic liquid based nanofluids

and their heat transfer behavior, Renewable and Sustainable Energy Reviews 91 (2018)

584-599.

122 E.I. Chereches, K.V. Sharma, A.A. Minea, A numerical approach in describing ionanofluids

behavior in laminar and turbulent flow, Continuum Mechanics and Thermodynamics 30

(2018) 657–666.

123 S. Akilu, A.T. Baheta, A.A. Minea, K.V. Sharma, Rheology and thermal conductivity of

non-porous silica (SiO2) in viscous glycerol and ethylene glycol based nanofluids,

International Communications in Heat And Mass Transfer 88 (2017) 245-253.

124 A.A. Minea, W.M. El-Maghlany, Natural convection heat transfer utilizing ionic nanofluids

with temperature-dependent thermophysical properties, Chemical Engineering Science 174

(2017) 13–24.

125 A.A. Minea, M.G. Moldoveanu, O. Dodun, Thermal Conductivity Enhancement by Adding

Nanoparticles to Ionic Liquids, Precision Machining IX, Edited by: Angelos P.

Markopoulos and George Christopher Vosniakos, Solid State Phenomena 261 (2017) 121-

126.

126 A.A. Minea, G. Lorenzini, A numerical study on ZnO based nanofluids behavior on natural

convection, International Journal Of Heat And Mass Transfer 114 (2017) 286-296.

127 A.A. Minea, M.G. Moldoveanu, Studies on Al2O3, CuO and TiO2 water based nanofluids:

a comparative approach in laminar and turbulent flow, Journal of engineering

thermophysics 26 (2017) 291-301.

128 A.A. Minea, O. Manca, Field-synergy and Figure of Merit Analysis of Two Oxide Water

Based Nanofluid Flow in Heated Tubes, Heat Transfer Engineering 38 (2017) 909-918.

129 A.A. Minea, A study on Brinkman number variation on water based nanofluid heat transfer

in partially heated tubes, Mechanics Research Communications 73 (2016) 7-11.


69

130 A.A. Minea, Comparative study of turbulent heat transfer of nanofluids: effect of

termophysical properties on figure of merit ratio, Journal of Thermal Analysis and

Calorimetry 124 (2016) 407-416.

131 M.G. Moldoveanu, A.A. Minea, Studies on few water based nanofluids behavior at heating,

Advanced Materials Research 1128 (2015) 384-389.

132 M.G. Moldoveanu, A.A. Minea, A Study on Uncertainties in Estimations of Thermal

Conductivity of Alumina Nanofluids, Applied Mechanics and Materials 809-810 (2015)

525-530.

133 A.A. Minea, Numerical studies on heat transfer enhancement and synergy analysis on few

metal oxide water based nanofluids, International Journal Of Heat And Mass Transfer 89

(2015) 1207-1215.

134 A.A. Minea, Numerical studies on heat transfer enhancement in different closed enclosures

heated symmetrically, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 121 (2015) 711-720.

135 A.A. Minea, Numerical Simulation of Nanoparticles Concentration Effect on Forced

Convection in a Tube with Nanofluids, Heat Transfer Engineering 36 (2015) 1144–1153.

136 A.A. Minea, Simulation of nanofluids turbulent forced convection at high Reynolds

number: a comparison study of thermophysical properties influence on heat transfer

enhancement, Flow, turbulence and combustion 94 (2015) 555–575.

137 A.A. Minea, Uncertainties in modeling thermal conductivity of laminar forced convection

heat transfer with water alumina nanofluids, International Journal Of Heat And Mass

Transfer 68 (2014) 78-84.

138 A.A. Minea, Effect of microtube length on heat transfer enhancement of an water/Al2O3

nanofluid at high Reynolds numbers, International Journal of Heat and Mass Transfer 62

(2013) 22-30.

139 V. Gnielinski, New equations for heat and mass transfer in turbulent pipe and channel flow,

International Chemical Engineering 16 (1976) 359–368.

140 F.W. Dittus, L.M.K. Boelter, Heat transfer in automobile radiators of the tubular type,

University California Publications Engineering 2 (1930) 443–461.

141 B.S. Petukhov, V.N. Popov, Theoretical calculation of heat exchange and frictional

resistance in turbulent flow in tubes of an incompressible fluid with variable physical

properties, High Temperatures 1 (1963) 69–83.

142 W. Yu, D.M. France, E.V. Timofeeva, D. Singh, J.L. Routbort, Comparative review of

turbulent heat transfer of nanofluids, International Journal of Heat and Mass Transfer 55

(2012) 5380–5396.


70

143 I.E. Mouromtseff, Water and forced-air cooling of vacuum tubes, Proceedings of the IRE

30 (1942) 190–205.

144 D. Prasher, J. Song, P. Wang, P. Phelan, Measurements of nanofluid viscosity and its

implications for thermal applications, Applied Physics Letters 89 (2006) 133108.

145 R.E. Simons, Comparing heat transfer rates of liquid coolants using the Mouromtseff

number, Electronic Cooling 12 (2006) 2-11.

147 A.A. Minea, Challenges in hybrid nanofluids behavior in turbulent flow: Recent research

and numerical comparison, Renewable and Sustainable Energy Reviews 71 (2017) 426–

434.

150 A.A. Minea, M.G. Moldoveanu, Overview of Hybrid Nanofluids Development and

Benefits, Journal of Engineering Thermophysics 27 (2018) 507–514.

152 M. Baghbanzadeh, A. Rashidi, D. Rashtchian, R. Lotfi, A. Amrollahi, Synthesis of spherical

silica/multiwall carbon nanotubes hybrid nanostructures and investigation of thermal

conductivity of related nanofluids, Thermochimica Acta 549 (2012) 87-94.

153 M.J. Nine, M. Batmunkh, J.H. Kim, H.S. Chung, H.M. Jeong, Investigation of Al2O3-

MWCNTs hybrid dispersion in water and their thermal characterization, Journal of

Nanoscience Nanotechnology 12 (2012) 4553-4559.

154 S. Suresh, K.P. Venkitaraj, P. Selvakumar, M. Chandrasekar, Synthesis of Al2O3eCu/water

hybrid nanofluids using two step method and its thermo physical properties, Colloid.

Surface. Physico chemistry Engineering Aspects 388 (2011) 41-48.

155 L. Megatif, A. Ghozatloo, A. Arimi, M. Shariati-Niasar, Investigation of laminar convective

heat transfer of a novel TiO2ecarbon nanotube hybrid water-based nanofluid, Experimental

Heat Transfer 29 (2016) 124-138.

156 J. Aravind, S.S. Ramaprabhu, Graphene wrapped multiwalled carbon nanotubes dispersed

nanofluids for heat transfer applications, Journal of Applied Physics 112 (2012) 124304.

157 L.S. Sundar, M.K. Singh, A.C. Sousa, Enhanced heat transfer and friction factor of

MWCNTeFe3O4/water hybrid nanofluids, International Communications in Heat Mass

Transfer 52 (2014) 73-83.

158 A. Shahsavar, M.R. Salimpour, M. Saghafian, M.B. Shafii, An experimental study on the

effect of ultrasonication on thermal conductivity of ferrofluid loaded with carbon

nanotubes, Thermochimica Acta 617 (2015) 102-110.

159 M.H. Esfe, A.A.A. Arani, M. Rezaie, W.M. Yan, A. Karimipour, Experimental

determination of thermal conductivity and dynamic viscosity of Ag-MgO/water hybrid

nanofluid, International Communications in Heat Mass Transfer 66 (2015) 189-195.


71

160 M. Batmunkh, M.R. Tanshen, M.J. Nine, M. Myekhlai, H. Choi, H. Chung, H. Jeong,

Thermal conductivity of TiO2 nanoparticles based aqueous nanofluids with an addition of

a modified silver particle, Industrial Engineering Chemical Research 53 (2014) 8445-8451.

161 H. Yarmand, S. Gharehkhani, G. Ahmadi, S.F.S. Shirazi, S. Baradaran, E. Montazer,

M.N.M. Zubir, M.S. Alehashem, S.N. Kazi, M. Dahari, Graphene nanoplateletse silver

hybrid nanofluids for enhanced heat transfer, Energy Conversion and Management 100

(2015) 419-428.

162 M.S. Kumar, V. Vasu, A.V. Gopal, Thermal conductivity and rheological studies for CuZn

hybrid nanofluids with various base fluids, Journal of Taiwan Institute of Chemical

Engineering 66 (2016) 321-327.

163 M. Farbod, A. Ahangarpour, Improved thermal conductivity of Ag decorated carbon

nanotubes water based nanofluids, Physics Letters 380 (2016) 4044-4048.

164 G. Paul, J. Philip, B. Raj, P.K. Das, I. Manna, Synthesis, characterization, and thermal

property measurement of nano-Al95Zn05 dispersed nanofluid prepared by a two-step

process, International Journal of Heat Mass Transfer 54 (2011) 3783-3788.

165 S.M. Abbasi, A. Rashidi, A. Nemati, K. Arzani, The effect of functionalisation method on

the stability and the thermal conductivity of nanofluid hybrids of carbon nanotubes/gamma

alumina, Ceramics International 39 (2013) 3885-3891.

166 O. Soltani, M. Akbari, Effects of temperature and particles concentration on the dynamic

viscosity of MgO-MWCNT/ethylene glycol hybrid nanofluid: experimental study, Physics

E Low-dimensions Systems Nanostructure 84 (2016) 564-570.

167 S.S. Harandi, A. Karimipour, M. Afrand, M. Akbari, A. D'Orazio, An experimental study

on thermal conductivity of F-MWCNTseFe3O4/EG hybrid nanofluid: effects of

temperature and concentration, International Communications in Heat Mass Transfer 76

(2016) 171-177.

168 C.J. Ho, J.B. Huang, P.S. Tsai, Y.M. Yang, Preparation and properties of hybrid water-

based suspension of Al2O3 nanoparticles and MEPCM particles as functional forced

convection fluid, International Communications in Heat Mass Transfer 37 (2010) 490-494.

174 M.G. Moldoveanu, T.M. Simionescu, A.A. Minea, A. Dima, Analytical Technique for

Estimating the Termophysical Properties of Hybrid Nanofluids, Advanced Materials

Research 1143 (2017) 207-214.

175 A.A. Minea, Hybrid nanofluids based on Al2O3, TiO2 and SiO2: numerical evaluation of

different approaches, International Journal Of Heat And Mass Transfer 104 (2017) 852–

860.


72

176 A.A. Minea, A Review on the Thermophysical Properties of Water-Based Nanofluids and

their Hybrids, The annals of “Dunarea De Jos” University of Galati, fascicle IX, Metallurgy

and Materials Science 1 (2016) 35-46.

181 T.T. Baby, S. Ramaprabhu, Experimental investigation of the thermal transport properties

of a carbon nanohybrid dispersed nanofluid, Nanoscale 3 (2011) 2208–2214.

182 T.T. Baby, S. Ramaprabhu, Synthesis of silver nanoparticle decorated multiwalled carbon

nanotubes–graphene mixture and its heat transfer studies in nanofluid, AIP Advance 3

(2013) 012111.

185 D. Madhesh, R. Parameshwaran, S. Kalaiselvam, Experimental investigation on convective

heat transfer and rheological characteristics of Cu–TiO2 hybrid nanofluids, Experimental

Thermal and Fluid Science 52 (2014) 104–115.

189 R. Nimmagadda, K. Venkatasubbaiah, Conjugate heat transfer analysis of micro-channel

using novel hybrid nanofluids (Al2O3 + Ag/Water), European Journal of Mechanics

B/Fluids 52 (2015) 19–27.

195 G.M. Moldoveanu, A.A. Minea, Specific heat experimental tests of simple and hybrid

oxide-water nanofluids: Proposing new correlation, Journal of Molecular Liquids 279

(2019) 299-305.

196 G.M. Moldoveanu, A.A. Minea, G. Huminic, A. Huminic, Al2O3/TiO2 hybrid nanofluids

thermal conductivity: an experimental approach, Journal of Thermal Analysis and

Calorimetry, DOI: 10.1007/s10973-018-7974-4, 2018.

197 G.M. Moldoveanu, G. Huminic, A.A. Minea, A. Huminic, Experimental study on thermal

conductivity of stabilized Al2 O3 and SiO2 nanofluids and their hybrid, International

Journal of Heat and Mass Transfer 127 (2018) 450-457.

198 G.M. Moldoveanu, C Ibanescu, M. Danu, A.A. Minea, Viscosity estimation of Al2O3, SiO2

nanofluids and their hybrid: An experimental study, Journal of Molecular Liquids 253

(2018) 188-196.

199 G.M. Moldoveanu, A.A. Minea, M. Iacob, C. Ibanescu, M. Danu, Experimental study on

viscosity of stabilized Al2O3, TiO2 nanofluids and their hybrid, Thermochimica Acta 659

(2018) 203–212.


73

ANEXA 1.

Rezultatele cercetării,

publicate în reviste sau comunicate la conferinţe

Lucrări publicate în reviste cotate WoS, cu factor de impact:

1. G.M. Moldoveanu, A.A. Minea, Specific heat experimental tests of simple and hybrid oxide-

water nanofluids: Proposing new correlation, Journal of Molecular Liquids Volume 279 (2019)

299-305, FI = 4.513.

2. G.M. Moldoveanu, A.A. Minea, G. Huminic, A. Huminic, Al2O3/TiO2 hybrid nanofluids thermal

conductivity: an experimental approach, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, DOI

10.1007/s10973-018-7974-4, 2018, FI = 2.209.

3. A.A. Minea, M.G. Moldoveanu, Overview of Hybrid Nanofluids Development and Benefits,

Journal of Engineering Thermophysics 27 (2018) 507–514, FI = 0.767.

4. G.M. Moldoveanu, G. Huminic, A.A. Minea, A. Huminic, Experimental study on thermal

conductivity of stabilized Al2 O3 and SiO2 nanofluids and their hybrid, International Journal of

Heat and Mass Transfer 127 (2018) 450-457, FI = 3.891.

5. G.M. Moldoveanu, C Ibanescu, M. Danu, A.A. Minea, Viscosity estimation of Al2O3, SiO2

nanofluids and their hybrid: An experimental study, Journal of Molecular Liquids 253 (2018)

188-196, FI = 4.513.

6. G.M. Moldoveanu, A.A. Minea, M. Iacob, C. Ibanescu, M. Danu, Experimental study on viscosity

of stabilized Al2O3, TiO2 nanofluids and their hybrid, Thermochimica Acta 659 (2018) 203–212,

FI = 2.189.

7. A.A. Minea, M.G. Moldoveanu, Studies on Al2O3, CuO and TiO2 water based nanofluids: a

comparative approach in laminar and turbulent flow, Journal of engineering thermophysics 26

(2017) 291-301, FI = 0.767.

Lucrări publicate în reviste indexate în alte baze de date:

8. A.A. Minea, M.G. Moldoveanu, O. Dodun, Thermal Conductivity Enhancement by Adding

Nanoparticles to Ionic Liquids, Precision Machining IX, Edited by: Angelos P. Markopoulos and

George Christopher Vosniakos, Solid State Phenomena 261 (2017) 121-126.


74

9. M.G. Moldoveanu, T.M. Simionescu, A.A. Minea, A. Dima, Analytical Technique for Estimating

the Termophysical Properties of Hybrid Nanofluids, Advanced Materials Research, 1143 (2017)

207-214.

10. M.G. Moldoveanu, A.A. Minea, Studies on few water based nanofluids behavior at heating,

Advanced Materials Research, 1128 (2015) 384-389.

11. M.G. Moldoveanu, A.A. Minea, A Study on Uncertainties in Estimations of Thermal

Conductivity of Alumina Nanofluids, Applied Mechanics and Materials 809-810 (2015) 525-530.

Lucrări comunicate la conferinţe naţionale şi internaţionale:

12. M.G Moldoveanu, Experimental on some hybrid nanofluids thermophysical properties for solar

systems, Conferinţa Şcolii Doctorale, CSD-TUIASI 23-24 Mai, 2018, Iaşi, Romania, 2018.

13. M.G. Moldoveanu, M. Dinu, E. Julia, G. Zyla, A.A. Minea, Experimental work on rheological

behaviour of some nanofluids and their hybrids, RESRB 19-21 June 2017, Poland, 2017.

14. A.A. Minea, O. Dodun, M.G. Moldoveanu Thermal Conductivity Enhancement by Adding

Nanoparticles to Ionic Liquids, 9TH International Congress on Precision Machining, 6 - 9

september 2017, Athens, Greece, 2017.

15. A.A. Minea, O. Manca, M.G. Moldoveanu, FOM comparison on Al2O3, CuO and TiO2 water

based nanofluids in laminar and turbulent flow, ASME-ATI-UIT 2015 CONFERENCE on

Thermal Energy Systems, Production, Storage, Utilization and the Environment, 17 – 20 May,

2015, Napoli, Italy, 2015.

Date post:	02-Sep-2019
Category:	Documents
Upload:	others
View:	23 times
Download:	1 times

CONTRIBUŢII LA CARACTERIZAREA UNOR NOI NANOFLUIDE … final... · universitatea tehnicĂ...

Documents