Environmental amelioration through enhanced heat transfer with nanofluids

Abstract

Enhancing the apparent thermal conductivity of a base fluid by the addition of solid particles of a different material (a second component and a second thermodynamic phase) has been an attractive idea for more than a century. The dispersion of solid particle with dimensions of the order of nanometers (nanoparticles) in a liquid medium, commonly referred to as ‘nanofluid’, was seriously examined for heat transfer applications in 1995, when Choi et al.[1] stated that the use of nanofluids with suspended copper nanoparticles will result in ‘dramatic reductions in heat exchanger pumping power’. They even discussed nanofluids with a thermal conductivity of ‘3 times that of a conventional fluid’! Following that presentation, in 2001 Choi et al.[2] extended their idea, publishing the ‘anomalous thermal conductivity enhancement in nanotube suspensions’. Here, the word anomalous implies that the apparent thermal conductivity of the two phase system is significantly different from that based upon theories of heat transfer in such systems at the time. Although twenty years have passed since then, the evidence for and against the existence of such an ‘anomalous’ behavior is, at best, confused as we shall show. The current study aims to examine thoroughly the experimental data for heat transfer measurements reported in two, and sometimes three-phase systems. The work is separated in two main sections; -In Section A (composed of Chapters 1 to 5), a study of the thermal-conductivity enhancement of fluids in the presence of nano-particles is performed.-In Section B (composed of Chapters 6 to 8), the effect of the thermal conductivity and viscosity enhancements on heat transfer, is investigated.More analytically, In Chapter 1 it is shown that measurements of the apparent thermal conductivity of a fluid when nanoparticles are added, exhibit deviations between themselves that far exceed their mutual uncertainties. It is further proven for the first time, that this in most cases is attributed to the fact that many investigators employed not-properly the transient hot-wire technique, or they used improperly other techniques. Consequently, Chapter 2 presents and analyzes the fundamental theoretical background needed for performing measurements of thermal conductivity with the transient hot-wire technique. Hence in Chapter 3 a new very accurate, absolute, transient hot-wire instrument designed and build according to all the criteria discussed, is presented and validated. Chapter 4 describes the application of the new transient hot-wire instrument to the accurate absolute measurements of the systems: a) ethylene glycol, when CuO, or TiO2, or Al2O3 nanoparticles are added, and b) water, when TiO2, or Al2O3 nanoparticles or multiwall carbon nanotubes (MWCNT) are added. The results of these new measurements, confirm our earlier tentative findings based solely on a critical evaluation of measuring techniques employed, that there are substantial errors in most of the reported literature for the apparent thermal conductivity of nanofluids studied here and, by inference, for many others.In Chapter 5 existing models for the prediction of the thermal-conductivity enhancement are presented. Subsequently the reasons why most of them are not acceptable are discussed. Following that, it was decided to discuss the present very accurate measurements performed in this work in relation only to two selected models, the Hamilton and Crosser model [3] of 1962, and the 2016 model of Shukla et al.[4].In order to investigate the heat transfer capabilities of the selected nanofluids, another property that contributes or can hinder quite strongly the heat transfer, is their viscosity. In Chapter 6 the rheological behavior of the aforementioned systems is investigated, and their viscosity is measured. In Chapter 7, it is shown that, in general the combined changes in physical properties that accompany suspension of nanoparticles or nanotubes in fluids mean that the heat-transfer benefits are all rather modest, even when they are achieved. Finally in Chapter 8 some suggestions for future work, where nanofluids might be important are discussed.

Η μελέτη του φαινομένου της επαύξησης της φαινόμενης θερμικής αγωγιμότητας ενός συμβατικού ρευστού, με την προσθήκη σε αυτό στερεών σωματιδίων (ένα δεύτερο συστατικό και μια δεύτερη θερμοδυναμική φάση), υπήρξε ελκυστική για περισσότερο από έναν αιώνα. Η διασπορά, όμως, στερεών σωματιδίων σε διαστάσεις της τάξεως των νανομέτρων (νανοσωματίδια), γνωστό και ως «νανορευστό», εξετάστηκε σοβαρά σε εφαρμογές μεταφοράς θερμότητας από το 1995 και έπειτα, όταν οι Choi et al.[1] υποστήριξαν ότι η χρήση νανορευστών με αιωρούμενα νανοσωματίδια χαλκού, προκαλεί «δραματική μείωση της ισχύος άντλησης ενός εναλλάκτη θερμότητας». Η παρουσίαση αυτή, αναφέρονταν ακόμη και σε νανορευστά με θερμική αγωγιμότητα «3 φορές μεγαλύτερης από αυτήν του συμβατικού ρευστού»! Το 2001 οι Choi et al.[2] επέκτειναν τον ισχυρισμό τους, δημοσιεύοντας την «ανώμαλη επαύξηση της θερμικής αγωγιμότητας νανοσωλήνων», με τον όρο «ανώμαλη» να σημαίνει ότι η φαινόμενη θερμική αγωγιμότητα του συστήματος δύο φάσεων είναι σημαντικά διαφορετική από εκείνη που υπολογίζονταν με βάση τις τότε γνωστές θεωρίες μεταφοράς θερμότητας. Αν και έχουν περάσει περισσότερα από είκοσι χρόνια από τότε, τα αποδεικτικά στοιχεία υπέρ ή κατά της ύπαρξης μιας τέτοιας «ανώμαλης» συμπεριφοράς είναι, στην καλύτερη περίπτωση, όπως θα αποδείξουμε, συγκεχυμένα. Στην παρούσα μελέτη, εξετάζονται διεξοδικά τα πειραματικά δεδομένα μετρήσεων μεταφοράς θερμότητας που αναφέρονται σε συστήματα δύο ή και τριών συστατικών. Η μελέτη αυτή, διακρίνεται σε δύο κύρια τμήματα: -Στο τμήμα Α (που αποτελείται από τα κεφάλαια 1 έως 5), μελετάται διεξοδικά η επαύξηση της θερμικής αγωγιμότητας των νανορευστών.-Στο τμήμα Β (που αποτελείται από κεφάλαια 6 έως 8), διερευνάται η επίδραση τόσο της επαυξημένης θερμικής αγωγιμότητας όσο και του επαυξημένου ιξώδους των νανορευστών, στην μεταφορά θερμότητας. Πιο συγκεκριμένα, Στο Κεφάλαιο 1 δείχνεται ότι, οι βιβλιογραφικές πειραματικές μετρήσεις της φαινόμενης θερμικής αγωγιμότητας ενός ρευστού όταν προστίθενται σε αυτό νανοσωματίδια, παρουσιάζουν αποκλίσεις μεταξύ τους που υπερβαίνουν κατά πολύ τις αμοιβαίες αβεβαιότητες τους. Αποδεικνύεται επιπλέον, για πρώτη φορά ότι, αυτό οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στο γεγονός ότι πολλοί ερευνητές είτε δεν εφάρμοζαν σωστά την μέθοδο του θερμαινόμενου σύρματος σε μη μόνιμη κατάσταση ή ότι εφάρμοζαν λανθασμένα άλλες τεχνικές. Για το λόγο αυτό, στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται αναλυτικά το θεμελιώδες θεωρητικό υπόβαθρο που απαιτείται, για την λήψη ορθών μετρήσεων θερμικής αγωγιμότητας με την μέθοδο του θερμαινόμενου σύρματος σε μη μόνιμη κατάσταση. Σύμφωνα με τα κριτήρια ορθής λειτουργίας του, όπως παρουσιάζονται στον Κεφαλαίο 2, σχεδιάστηκε, κατασκευάστηκε και πιστοποιήθηκε η ακριβής λειτουργία ενός νέου αισθητήρα (Κεφάλαιο 3), ο οποίος χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα μελέτη για την απόλυτη μέτρηση της θερμικής αγωγιμότητας με τη μέθοδο του θερμαινόμενου σύρματος σε μη μόνιμη κατάσταση. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται οι υψηλής ακρίβειας, απόλυτες πειραματικές μετρήσεις -οι οποίες πραγματοποιήθηκαν με την χρήση του νέου αισθητήρα- των παρακάτω συστημάτων: α) αιθυλενογλυκόλης, με την προσθήκη νανοσωματιδίων CuO, TiO2 ή Al2O3 και β) νερού, με την προσθήκη νανοσωματιδίων TiO2, Al2O3 ή πολυστρωματικών νανοσωλήνων άνθρακα (MWCNT). Τα αποτελέσματα αυτών των νέων πειραματικών μετρήσεων επιβεβαίωσαν τα προγενέστερα ευρήματά μας -τα οποία βασίζονταν αποκλειστικά σε μια κριτική αξιολόγηση των χρησιμοποιούμενων τεχνικών μέτρησης- σύμφωνα με τα οποία, υπάρχουν σημαντικά λάθη στην πλειονότητα της αναφερόμενης βιβλιογραφίας όσον αφορά την μέτρηση της φαινόμενης θερμικής αγωγιμότητας των συγκεκριμένων νανορευστών και κατά συνέπεια και πολλών άλλων συστημάτων. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα υφιστάμενα μοντέλα για την πρόβλεψη της επαύξησης της θερμικής αγωγιμότητας, ενώ επίσης συζητούνται οι λόγοι για τους οποίους τα περισσότερα από αυτά είναι μη αποδεκτά. Ακολούθως, εξετάζονται και συγκρίνονται οι πειραματικές μετρήσεις ακριβείας της παρούσας διατριβής ως προς τις προβλέψεις δυο μοντέλων θερμικής αγωγιμότητας, το μοντέλο των Hamilton και Crosser [3] του 1962 και το μοντέλο του Shukla et al.[4] του 2016. Για να διερευνηθεί η χρήση των νανορευστών ως εναλλακτικά ρευστά μεταφοράς θερμότητας, απαιτείται εκτός της θερμικής τους αγωγιμότητας να μετρηθεί και το ιξώδες τους, καθώς η ιδιότητα αυτή επηρεάζει σημαντικά τη μεταφορά θερμότητας. Στο Κεφάλαιο 6, λοιπόν, διερευνάται η ρεολογική συμπεριφορά των προαναφερθέντων συστημάτων νανορευστών και μετράται το ιξώδες τους. Η ποσοστιαία επαύξηση του ιξώδους των νανορευστών είναι σημαντικά μεγαλύτερη από την επαύξηση της θερμικής αγωγιμότητάς τους, με αποτέλεσμα η συνδυαστική επίδραση των φυσικών αυτών ιδιοτήτων να σημαίνει ότι τα πιθανά οφέλη μεταφοράς θερμότητας από την χρήση των νανορευστών σε εναλλάκτη θερμότητας να είναι μάλλον μέτρια (Κεφάλαιο 7). Τέλος, στο Κεφάλαιο 8, εξετάζεται εάν η χρήση νανορευστών μπορεί να επιφέρει τελικά βελτίωση στη μεταφορά θερμότητας και γίνονται προτάσεις για περαιτέρω έρευνα.