Стабильность и естественная конвекция наножидкости TiO₂-вода в вращающихся камерах: экспериментальные результаты

Аннотация

В данном исследовании исследуются стабильность и теплопередача при естественной конвекции наножидкости TiO₂-вода в квадратных камерах, повернутых на углы –45°, 0°, 45° и 90°. Стабильность была оптимизирована путем добавления 6 масс.% дисперганта при pH 8, что обеспечило наименьшую пропускную способность и лучшую дисперсию. В экспериментах варьировались концентрация наночастиц (0,1–0,5 масс.%) и нагревательная мощность (1–20 Вт). Ориентация 0° дала самые высокие числа Нуссельта, за ней следовали 45° и 90°, а –45° дало наименьшие значения. Теплопередача увеличивалась с ростом концентрации частиц и мощности, однако относительное улучшение снижалось при высокой мощности из-за вязкостных эффектов.

Введение

Наножидкости обладают более высокой теплопроводностью, что делает их привлекательными для приложений в теплопередаче, особенно при естественной конвекции. Множество численных исследований рассматривали системы Al₂O₃-вода, CuO-вода и TiO₂-вода, однако экспериментальных данных о вращающихся камерах остается мало. Данная работа заполняет этот пробел, предоставляя эмпирические данные о влиянии вращения на конвекцию в наножидкостях TiO₂-вода.

Методология

Приготовление и оценка стабильности

Наночастицы TiO₂ (≈10 нм, плоская морфология) диспергировали в деионизированной воде двухэтапным процессом: механическое перемешивание (30 мин) с последующей ультразвуковой обработкой (40 мин). Дозирование дисперганта (6 масс.%) и корректировка pH до 8 дали наиболее стабильную суспензию, что подтвердилось минимальным осадком через 72 ч и минимумом пропускания τ ≈ 0,2. Распределение размера частиц проверяли методами SEM, TEM и XRD, кристаллитный размер по Шерреру составил 6–9 нм.

Экспериментальная установка

Были изготовлены три прямоугольные камеры (Ш×В: 10×20 см, 5×20 см, 20×20 см) из меди с нагреваемой левой стенкой (силиконовый нагреватель) и охлаждаемой правой стенкой (водяная баня). Шесть термопар измеряли температуры стенок, потери тепла cuantificировались расходомером. Установка позволяла вращать камеру относительно гравитации для оценки четырех углов: –45°, 0°, 45°, 90°.

Обработка данных

Ключевые уравнения:

Входная тепловая мощность: Q = I

Чистая мощность: Qₙₑₜ = Q – Qₗₒₛₛ

Средняя температура горячей стенки: Tₕ* = (T₁+…+T₆)/6

Эффективная температура горячей стенки: Tₕ = Tₕ* – Qₙₑₜ·δ/(A·λ_w)

Коэффициент конвекции: h = Qₙₑₜ/[A(Tₕ–T₍C₎)]

Число Нуссельта: Nu = h·W/λ_f

Анализ неопределенности дал 5,65% для h и 6,34% для Nu, подтверждая надежность эксперимента.

Результаты и обсуждение

Валидация

Измеренные числа Нуссельта для чистой воды совпали с литературными данными в пределах <9% погрешности для соотношений сторон А = 1:2, 1:4, 1:1, подтверждая точность системы.

Соотношение сторон А = 1:2

Число Нуссельта росло с углом вращения до 0°, затем снижалось при 45° и 90°. Случай –45° показал наименьшее Nu из-за затрудненного конвективного течения. Увеличение концентрации частиц с 0,1 до 0,5 масс.% повысило Nu до 29% при 1 Вт, но относительный прирост падал при 20 Вт из-за роста вязкости. Рост нагревательной мощности с 1 до 20 Вт усилил Nu до 581% (0,5 масс.%, 0°).

Соотношение сторон А = 1:4

Наблюдались похожие тренды, но абсолютные значения Nu были ниже. Коэффициенты улучшения для 0,5 масс.% при 0° составляли от 6,5% (1 Вт) до 20,7% (5 Вт). Прирост теплопередачи при увеличении мощности с 1 до 20 Вт достиг 242–702%.

Сравнение соотношений сторон

Nu росло с увеличением соотношения сторон: А = 1:1 > А = 1:2 > А = 1:4. Наножидкость 0,5 масс.% дала до 701% более высокое Nu по сравнению с водой в лучшей конфигурации (А = 1:1, 0°, 20 Вт). Улучшение от 0,1 до 0,3 масс.% было более выраженным, чем от 0,3 до 0,5 масс.%, что отражает баланс между проводимостью и вязкостью.

Заключения

Стабильность максимизируется при 6 масс.% дисперганта и pH 8.
Угол вращения 0° дает наивысшее Nu; –45° — наименьшее.
Большие соотношения сторон существенно улучшают теплопередачу (до 224% прироста).
Nu растет с концентрацией частиц, но относительная выгода падает при высокой мощности.
Общее число Нуссельта может быть увеличено до 701% относительно чистой воды.

Инфракрасно-рефлексионный анализ Si-легированных эпитаксиальных слоев GaN, выросших на сапфировых подложках Управление модой и дисперсией в графен-диэлектрических плазмонных волноводах с двойной нелинейностью

Наноматериалы