Author(s):
Lamas, Bruno Cardoso 
Date: 2013
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10773/12095
Origin: RIA - Repositório Institucional da Universidade de Aveiro
Subject(s): Engenharia mecânica; Condutividade térmica; Nanofluídos; Nanotubos de carbono
Description
A desmaterialização da economia é um dos caminhos para a promoção do
desenvolvimento sustentável na medida em que elimina ou reduz a utilização
de recursos naturais, fazendo mais com menos. A intensificação dos
processos tecnológicos é uma forma de desmaterializar a economia. Sistemas
mais compactos e mais eficientes consomem menos recursos. No caso
concreto dos sistemas envolvendo processo de troca de calor, a intensificação
resulta na redução da área de permuta e da quantidade de fluido de trabalho, o
que para além de outra vantagem que possa apresentar decorrentes da
miniaturização, é um contributo inegável para a sustentabilidade da sociedade
através do desenvolvimento científico e tecnológico.
O desenvolvimento de nanofluidos surge no sentido de dar resposta a estes
tipo de desafios da sociedade moderna, contribuindo para a inovação de
produtos e sistemas, dando resposta a problemas colocados ao nível das
ciências de base. A literatura é unânime na identificação do seu potencial
como fluidos de permuta, dada a sua elevada condutividade, no entanto a falta
de rigor subjacente às técnicas de preparação dos mesmos, assim como de
um conhecimento sistemático das suas propriedades físicas suportado por
modelos físico-matemáticos devidamente validados levam a que a
operacionalização industrial esteja longe de ser concretizável.
Neste trabalho, estudou-se de forma sistemática a condutividade térmica de
nanofluidos de base aquosa aditivados com nanotubos de carbono, tendo em
vista a identificação dos mecanismos físicos responsáveis pela condução de
calor no fluido e o desenvolvimento de um modelo geral que permita com
segurança determinar esta propriedade com o rigor requerido ao nível da
engenharia. Para o efeito apresentam-se métodos para uma preparação
rigorosa e reprodutível deste tipo de nanofluido assim como das metodologias
consideradas mais importantes para a aferição da sua estabilidade,
assegurando deste modo o rigor da técnica da sua produção. A estabilidade
coloidal é estabelecida de forma rigorosa tendo em conta parâmetros
quantificáveis como a ausência de aglomeração, a separação de fases e a
deterioração da morfologia das nanopartículas.
Uma vez assegurado o método de preparação dos nanofluídos, realizou-se
uma análise paramétrica conducente a uma base de dados obtidos
experimentalmente que inclui a visão central e globalizante da influência
relativa dos diferentes fatores de controlo com impacto nas propriedades
termofísicas. De entre as propriedades termofísicas, este estudo deu particular
ênfase à condutividade térmica, sendo os fatores de controlo selecionados os
seguintes: fluido base, temperatura, tamanho da partícula e concentração de
nanopartículas. Experimentalmente, verificou-se que de entre os fatores de
controlo estudados, os que maior influência detêm sobre a condutividade
térmica do nanofluido, são o tamanho e concentração das nanopartículas.
Com a segurança conferida por uma base de dados sólida e com o
conhecimento acerca da contribuição relativa de cada fator de controlo no
processo de transferência de calor, desenvolveu-se e validou-se um modelo
físico-matemático com um caracter generalista, que permitirá determinar com
segurança a condutividade térmica de nanofluidos. The economy dematerialization is a means to promote sustainable
development as it eliminates or reduces the use of natural resources. Hence,
the intensification of technological processes is a way to dematerialize the
economy. More compact and efficient systems require fewer resources. In what
concerns technological systems involving heat exchange processes,
intensification results in the reduction of the exchanging area and amount of
working fluid, which in addition to other advantages inherent to systems’
miniaturization, is a direct contribution of the scientific and technological
development to a more sustainable society.
The development of nanofluids is a response to such challenges of
contemporary society, contributing to the innovation of products and systems
by solving fundamental questions raised at the level of basic sciences. The
available literature is unanimous identifying nanofluids potential as an
engineering thermal fluid due to their thermo-physical properties, namely a high
thermal conductivity. However, the lack of rigorous preparation techniques as
well as of a systematic knowledge of their thermo-physical properties,
supported by validated physical-mathematical models, are serious constrains to
their use in engineering applications.
In this work, the thermal conductivity of carbon nanotubes, water based
nanofluids were systematically studied. The governing physical mechanisms
for heat conduction in the nanofluid were established as the basic condition for
the development of a general model able to securely determine this property
with the precision required in engineering applications. For this purpose the
methodologies to correctly prepare such nanofluids in a reproducible way as
well as to measure their long term stability are presented. The colloidal stability
is accurately established and quantified taking into account parameters such as
the absence of agglomeration, separation of phases and deterioration of the
morphology of the nanoparticles.
A parametric analysis was developed through appropriate DOE methodologies
in order to build a comprehensive data base of the nanofluid physical properties
as a function of control factors, previously identified variables considered to
have the greatest impact on the variability of thermo-physical properties.
Among the latter, this work gives particular attention to the acquisition of
thermal conductivity data against the selected control factors: base fluid,
temperature, size and concentration of nanoparticles. It was verified
experimentally that amongst these control factors, those that hold the greatest
influence on the thermal conductivity of the nanofluid are the size and
concentration of nanoparticles.
A solid database and the awareness about the relative contribution of each
mechanism controlling the heat transfer process in nanofluids successfully
supported the development and validation of a general physical-mathematical
model to determine the thermal conductivity of nanofluids. Doutoramento em Engenharia Mecânica
