Estabilidade, ultrassonicação ideal e estimativa de condutividade térmica e elétrica em baixas concentrações de nanofluido Al12Mg17 por espalhamento dinâmico de luz e método de deslocamento de feixe

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13659 (2023) Citar este artigo

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A condutividade térmica e a estabilidade dos nanofluidos representam desafios para a sua utilização como refrigerantes em aplicações térmicas. O presente estudo investiga o coeficiente de transferência de calor (HTC) de um nanofluido Al12Mg17 através da utilização de um novo método de deslocamento de feixe. O estudo também examina a estabilidade do nanofluido, distribuição de tamanho de partícula (PSD), micrografia TEM e condutividade elétrica. De três categorias distintas de surfactantes, um surfactante específico (CTAB) foi escolhido para dispersar nanopartículas de Al12Mg17 em água DI e, posteriormente, um método de duas etapas foi empregado para gerar o nanofluido. A estabilidade da dispersão é monitorada visualmente e quantificada com um teste de potencial zeta. HTC e PSD são medidos usando configurações ópticas. Para avaliar os resultados, o HTC obtido pelo método de deslocamento do feixe é comparado com o do aparelho KD2 Pro, e os achados do PSD são analisados ​​​​por meio de micrografias TEM. Os resultados mostram que um CTAB de 0,16% em volume é a estabilidade máxima para 0,025% em volume de nanofluido Al12Mg17 adequadamente. O período ideal de ultrassonicação é de 2 h, produzindo um pico de PSD de 154 nm. O aumento da concentração de nanopartículas aumenta a HTC em até 40% em comparação com o fluido base a 0,05% em volume. A condutividade elétrica aumenta linearmente de 155 para 188 μ\({\rm S}/\mathrm{cm}\) com a concentração de nanopartículas. Os métodos ópticos para medir HTC em nanofluidos oferecem a vantagem de resultados precoces, antes do movimento em massa. Assim, a aplicação de nanofluidos em sistemas térmicos necessita do desenvolvimento de técnicas ópticas para melhorar a precisão.

Um nanofluido é uma mistura heterogênea de um fluido de base e nanopartículas que pode ser utilizada em uma ampla gama de aplicações térmicas na indústria1 e na medicina2, incluindo, entre outros, coletores solares3, radiadores de veículos4 e resfriamento eletrônico5. Devido ao seu papel substancial na transferência de calor, os nanofluidos podem trazer eficiência ao desempenho do sistema, o que os torna uma área de estudo fascinante para engenheiros. As diferenças As diferenças na condutividade térmica entre os nanofluidos já foram estudadas6. No entanto, é imperativo caracterizar as propriedades térmicas e elétricas dos nanofluidos, bem como a sua estabilidade e PSD, a fim de aplicá-los na indústria.

Em relação à caracterização térmica de nanofluidos, os cientistas utilizam diferentes métodos para determinar HTC, como os métodos transientes, três ômega7, oscilação de temperatura8, placa paralela de estado estacionário9, comparador térmico10 e métodos ópticos, cada um dos quais com critérios diferentes para determinação. Por exemplo, o fio quente transiente (THW)11 e a fonte plana transiente (TPS)12 são dois exemplos de métodos transientes, que se baseiam no monitoramento da temperatura da fonte de calor e na resposta temporal após sua exposição a um pulso elétrico13. Além disso, os métodos de estado estacionário aproveitam os termopares e é importante manter as discrepâncias de leitura de temperatura ao mínimo quando os termopares estão na mesma temperatura10. Além disso, no comparador térmico, a avaliação da condutividade da amostra necessita de apenas um ponto de contato10. No entanto, os métodos ópticos, que também são utilizados para determinar a HTC, baseiam-se na interação entre luz e fluido.

Geralmente, vários métodos ópticos, como a técnica de análise de flash a laser (LFA)14, são usados ​​para medir o HTC de nanofluidos. Além disso, existem outros métodos ópticos, incluindo métodos de deflexão de feixe e técnicas de deslocamento de feixe de laser de fio quente que dependem do ângulo de deflexão dependente da temperatura em nanofluidos . O método de deslocamento do feixe de laser de fio quente pode avaliar a HTC e a difusividade térmica dos nanofluidos . Geralmente, o método de deslocamento do feixe baseia-se na alteração do índice de reflexão pelas variações de temperatura, de modo que a HTC e a difusividade térmica dos nanofluidos aumentam com o aumento da fração volumétrica .