Estabilidade e Convecção Natural de Nanofluido TiO₂-Água em Recintos Rotacionados: Resultados Experimentais
Resumo
Este estudo examina a estabilidade e o desempenho de transferência de calor por convecção natural de nanofluido TiO₂-água em recintos quadrados rotacionados a -45°, 0°, 45° e 90°. A estabilidade foi otimizada adicionando 6% em peso de dispersante a pH 8, o que resultou na menor transmitância e melhor dispersão. Os experimentos variaram a carga de nanopartículas (0,1-0,5% em peso) e a potência de aquecimento (1-20 W). A orientação de 0° produziu os maiores números de Nusselt, seguida por 45° e 90°, com -45° apresentando o menor. A transferência de calor aumentou com a carga de partículas e a potência, embora o ganho relativo tenha diminuído em potências mais altas devido a efeitos de viscosidade.
Fundamentação
Nanofluidos oferecem condutividade térmica superior, tornando-os atraentes para aplicações de transferência de calor, especialmente convecção natural. Numerosos estudos numéricos exploraram sistemas Al₂O₃-água, CuO-água e TiO₂-água, mas dados experimentais sobre recintos rotacionados permanecem escassos. Este trabalho preenche essa lacuna fornecendo evidências empíricas sobre como a rotação influencia a convecção em nanofluidos TiO₂-água.
Método
Preparação e Avaliação de Estabilidade
Nanopartículas de TiO₂ (≈10 nm, morfologia plana) foram dispersas em água desionizada usando um processo de duas etapas: agitação mecânica (30 min) seguida de 40 min de sonicação. A dosagem de dispersante (6% em peso) e ajuste de pH para 8 produziram a suspensão mais estável, confirmada por sedimentação mínima após 72 h e um mínimo de transmitância de τ ≈ 0,2. A distribuição de tamanho de partícula foi verificada por MEV, MET e DRX, com tamanho de cristalito derivado por Scherrer de 6-9 nm.
Aparelho Experimental
Três recintos retangulares (L × A: 10×20 cm, 5×20 cm, 20×20 cm) foram construídos em cobre, com parede esquerda aquecida (folha de silicone) e parede direita resfriada (banho de água). Seis termopares mediram temperaturas das paredes, e a perda de calor foi quantificada por um medidor de vazão. O setup permitiu rotação do recinto em relação à gravidade para avaliar quatro ângulos: -45°, 0°, 45°, 90°.
Processamento de Dados
Equações principais:
- Entrada de calor: Q = I
- Potência líquida: Qₙₑₜ = Q – Qₗₒₛₛ
- Temperatura média lado quente: Tₕ* = (T₁+…+T₆)/6
- Temperatura efetiva lado quente: Tₕ = Tₕ* – Qₙₑₜ·δ/(A·λw)
- Coeficiente de convecção: h = Qₙₑₜ/[A(Tₕ–T₍C₎)]
- Número de Nusselt: Nu = h·W/λf
Análise de incerteza resultou em 5,65% para h e 6,34% para Nu, confirmando a confiabilidade experimental.
Resultados e Discussão
Validação
Números de Nusselt medidos para água pura corresponderam à literatura com erro <9% em razões de aspecto A = 1:2, 1:4, 1:1, confirmando a precisão do sistema.
Razão de Aspecto A = 1:2
Nu aumentou com o ângulo de rotação até 0°, depois declinou a 45° e 90°. O caso -45° mostrou o menor Nu devido ao fluxo flutuante restrito. Carga de partículas de 0,1 a 0,5% em peso elevou Nu em até 29% a 1 W, mas o ganho relativo diminuiu a 20 W devido ao aumento de viscosidade. Aumentar a potência de aquecimento de 1 a 20 W amplificou Nu em até 581% (0,5% em peso, 0°).
Razão de Aspecto A = 1:4
Tendências semelhantes a A = 1:2, mas valores absolutos de Nu foram menores. Razões de melhoria para 0,5% em peso a 0° variaram de 6,5% (1 W) a 20,7% (5 W). Ganhos de transferência de calor de 1 a 20 W atingiram 242-702%.
Comparação de Razões de Aspecto
Nu aumentou com o aumento da razão de aspecto: A = 1:1 > A = 1:2 > A = 1:4. O nanofluido 0,5% em peso alcançou até 701% maior Nu que a água na melhor configuração (A = 1:1, 0°, 20 W). Melhoria de 0,1 a 0,3% em peso foi mais pronunciada que de 0,3 a 0,5% em peso, refletindo o equilíbrio entre condutividade e viscosidade.
Conclusões
- Estabilidade é maximizada com 6% em peso de dispersante a pH 8.
- Ângulo de rotação 0° entrega o maior Nu; -45° o menor.
- Maiores razões de aspecto melhoram marcadamente a transferência de calor (até 224% de melhoria).
- Nu aumenta com carga de partículas mas o benefício relativo diminui em alta potência.
- Nu global pode ser aumentado em até 701% relativo à água pura.
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