Optimisation des caractéristiques de transfert thermique des MWCNT et de l'eau TiO2

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 15154 (2022) Citer cet article

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Cette étude visait à étudier l’effet des nano-additifs de dioxyde de titane (TiO2) sur les performances thermiques d’une tour de refroidissement à flux transversal à l’échelle pilote. De plus, il s’agit d’une continuation de notre étude précédente sur l’effet de l’utilisation de nanofluides de nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNT), et les résultats ont été comparés à ceux du TiO2 et des travaux antérieurs. Un plan expérimental par méthodologie de surface de réponse (RSM) basé sur un plan composite central (CCD) avec deux facteurs (concentration et débit) a été utilisé pour étudier l'efficacité de l'installation, le nombre de Merkel et la plage de refroidissement. Les nanofluides ont été préparés selon la méthode en deux étapes. Les tests de stabilité ont été effectués en considérant différents tensioactifs tels que la gomme arabique, le Triton X-100 et le dodécylsulfate de sodium, et la gomme arabique a été déterminée comme étant le tensioactif optimal. La méthode visuelle, la diffusion dynamique de la lumière (DLS) et les analyses du potentiel zêta ont été utilisées pour garantir la stabilité des nanofluides et déterminer la distribution de taille des nanoparticules dans les nanofluides. Les résultats ont révélé que les caractéristiques de transfert de chaleur du fluide de travail ont été améliorées grâce à l’ajout de nanoparticules. De plus, en comparant l’effet des nanoparticules, il a été constaté que les MWCNT pouvaient mieux améliorer les caractéristiques thermiques que le TiO2. Le nanofluide contenant 0,085 % en poids de MWCNT améliore le nombre de Merkel, l'efficacité et la plage de refroidissement de 28, 10,2 et 15,8 %, respectivement, alors que ces valeurs pour les nanofluides contenant du TiO2 sont respectivement de 5, 4,1 et 7,4 %. Un nanofluide MWCNT avec une concentration de 0,069 % en poids et un débit de 2,092 kg/min a été proposé pour une configuration optimale du système. Dans ces conditions, la plage de refroidissement, l'efficacité et l'indice de Merkel étaient respectivement d'environ 23,5, 55,75 % et 0,64.

Le nanofluide est défini comme une suspension stable contenant une faible teneur en nanoparticules comprises entre 1 et 100 nm dans les fluides de base tels que l'huile, l'eau et l'éthylène glycol1. Récemment, des études considérables ont été consacrées à l'étude de l'amélioration du transfert de chaleur à l'aide de nanofluides dans différentes applications telles que les systèmes de refroidissement et de réfrigération, l'ingénierie des procédés, les moteurs à combustion, le CVC (chauffage, ventilation et climatisation), la production d'électricité et les outils mécaniques. et bien d'autres2,3,4. Le transfert de chaleur et les caractéristiques thermophysiques telles que la viscosité5, le point d'éclair, la conductivité thermique, le point d'écoulement, le coefficient de transfert de chaleur et de masse et la vitesse de refroidissement peuvent être améliorés à l'aide de nanofluides6. Il existe un large type de nano-additifs qui ont été utilisés dans la préparation de nanofluides, tels que les métaux et les oxydes métalliques7,8, les nanomatériaux à base de carbone9,10 ; cependant, bien qu’ils présentent des caractéristiques remarquables telles qu’une petite taille, une grande surface et une excellente capacité thermique, ils ont tendance à s’agglomérer, en particulier à des concentrations élevées. La préparation d'un nanofluide stable reste un défi, de nombreuses solutions résolvent ce problème communément associé aux nanoparticules, à savoir. méthodes de modification de surface11, agitation ultrasonique12, utilisant des tensioactifs13 et traitement du pH14. Les nanoparticules de TiO2 ont été largement utilisées parmi les différents nano-additifs couramment utilisés en raison de leurs propriétés distinctives. Ceux-ci incluent une excellente stabilité colloïdale et chimique, un respect de l’environnement15, une capacité d’amélioration du transfert de chaleur16 et un comportement de réduction des frottements.

En évaluant les caractéristiques de transfert de chaleur d'un système de refroidissement, les MWCNT/nanofluides ont montré une amélioration significative des propriétés thermophysiques mesurées telles que la conductivité thermique, puisque les NTC possèdent une valeur presque 5 fois supérieure à celle des autres matériaux conventionnels17. Par conséquent, la conductivité thermique plus élevée des MWCNT/nanofluide garantit un meilleur taux de transfert de chaleur dans le système appliqué18.