Análisis numérico del comportamiento hidrodinámico y térmico de un nanofluido Al₂O₃-H₂O en el régimen de transición

Abstract

Los nanofluidos son mezclas homogéneas de sólidos y líquidos en donde las partículas sólidas tienen un tamaño menor a 100 nm. En los últimos años, la necesidad de alcanzar mejores resultados a través de minimizar pérdidas y aumentar el desempeño de nuevos métodos, ha conducido a una situación en la que muchos grupos de investigación han descubierto el beneficio de la nanotecnología en sus respectivos campos de estudio. La transferencia de calor no es la excepción, ya que los fluidos de refrigeración tradicionales como el agua, aceites o etilenglicol presentan limitaciones con respecto a incrementar la capacidad de transferencia de calor. Los valores de estos líquidos tienen propiedades termofísicas relativamente constantes, así que la única forma de mejorar sus prestaciones térmicas es a través del equipo, al aumentar el área de transferencia de calor o los flujos de refrigerantes. Si bien esta solución implica un potencial de transferencia de calor más alto, no mejora la eficiencia del proceso. Aquí es donde la nanotecnología aparece como una opción por considerar con el fin de analizar las posibilidades que ofrece para cubrir las demandas de transferencia de calor a escala industrial. Se estudió numéricamente, mediante el método de volúmenes finitos, el efecto de las concentraciones volumétricas de 1 %, 3 % y 5 %, diámetros de nanopartículas de 10 nm, 20 nm, 30 nm y 40 nm y alturas de rugosidad de 0,300 mm, 0,500 mm y 0,700 mm para números de Reynolds entre 2 300 y 10 000 sobre el rendimiento de transferencia de calor en un flujo de convección forzada de un nanofluido de Al2O3-agua en una sección de tubería circular con orientación horizontal y un flujo de calor uniforme en la pared, aplicando un modelo monofásico y un modelo de mezcla multifase Euleriano-Euleriano. Los resultados obtenidos muestran que la combinación de nanopartículas de menor tamaño y altas concentraciones de las nanopartículas ofrecen una tasa de transferencia de calor más alta en el régimen de flujo de transición y que la entropía total se minimiza, en ambos modelos, con un número de Reynolds de aproximadamente 6 000 para diferentes rugosidades. Los resultados del número de Nusselt promedio del nanofluido mostraron ser siempre más altos en comparación con el agua para diferentes diámetros y concentraciones de nanopartículas. Se destaca una diferencia insignificante entre los resultados obtenidos usando el modelo monofásico y el multifásico Euleriano-Euleriano, lo que indica que el modelo monofásico todavía se puede aplicar en aplicaciones prácticas.