Stabiliteit en natuurlijke convectie van TiO₂-water nanofluïd in gedraaide omhullingen: experimentele bevindingen

Samenvatting

Deze studie onderzoekt de stabiliteit en de warmteoverdrachtsprestaties door natuurlijke convectie van TiO₂-water nanofluïd in vierkante omhullingen gedraaid op –45°, 0°, 45° en 90°. De stabiliteit werd geoptimaliseerd door 6 wt% dispergeringsmiddel toe te voegen bij pH 8, wat resulteerde in de laagste transmissie en beste dispersie. Experimenten varieerden de nanodeeltjeslading (0,1–0,5 wt%) en de verwarmingsvermogen (1–20 W). De 0°-oriëntatie produceerde de hoogste Nusselt-getallen, gevolgd door 45° en 90°, met –45° als laagste. Warmteoverdracht nam toe met deeltjeslading en vermogen, hoewel de relatieve verbetering afnam bij hogere vermogens door viscositeitseffecten.

Achtergrond

Nanofluiden bieden superieure warmteleidingscoëfficiënten, wat ze aantrekkelijk maakt voor warmteoverdrachtsapplicaties, met name natuurlijke convectie. Talrijke numerieke studies hebben Al₂O₃-water, CuO-water en TiO₂-water systemen verkend, maar experimentele data over gedraaide omhullingen blijven schaars. Dit werk vult die leemte door empirische bewijzen te leveren over hoe rotatie de convectie in TiO₂-water nanofluiden beïnvloedt.

Methode

Bereiding en stabiliteitsbeoordeling

TiO₂ nanodeeltjes (≈10 nm, platte morfologie) werden gedispergeerd in gedemineraliseerd water via een tweestapsproces: mechanisch roeren (30 min) gevolgd door 40 min sonicatie. Dosering van dispergeringsmiddel (6 wt%) en pH-aanstelling tot 8 produceerden de meest stabiele suspensie, bevestigd door minimale sedimentatie na 72 uur en een transmissieminimum van τ ≈ 0,2. De deeltjesgrootteverdeling werd geverifieerd door SEM, TEM en XRD, met een door Scherrer afgeleide kristallijngrootte van 6–9 nm.

Experimentele opstelling

Drie rechthoekige omhullingen (B × H: 10×20 cm, 5×20 cm, 20×20 cm) werden geconstrueerd van koper, met een verwarmde linkermuur (silicone folie) en een gekoelde rechtermuur (waterbad). Zes thermocopels maakten muurtemperaturen, en warmteverlies werd gekwantificeerd door een stroommeter. De opstelling liet rotatie van de omhulling ten opzichte van de zwaartekracht toe om vier hoeken te beoordelen: –45°, 0°, 45°, 90°.

Dataverwerking

Belangrijkste vergelijkingen:

• Warmte-invoer: Q = I
• Netto vermogen: Qₙₑₜ = Q – Qₗₒₛₛ
• Gemiddelde warme-zijde temperatuur: Tₕ* = (T₁+…+T₆)/6
• Effectieve warme-zijde temperatuur: Tₕ = Tₕ* – Qₙₑₜ·δ/(A·λ_w)
• Convectiecoëfficiënt: h = Qₙₑₜ/[A(Tₕ–T₍C₎)]
• Nusselt-getal: Nu = h·W/λ_f