MWCNT と TiO2 水の熱伝達特性の最適化

Scientific Reports volume 12、記事番号: 15154 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

この研究は、パイロットスケールのクロスフロー冷却塔の熱性能に対する二酸化チタン (TiO2) ナノ添加剤の影響を調査することを目的としていました。 さらに、これは多層カーボンナノチューブ (MWCNT) ナノ流体の使用の効果に関する以前の研究の継続であり、その結果は TiO2 および以前の研究の結果と比較されました。 2 つの要素 (濃度と流量) を使用した中心複合計画 (CCD) に基づく応答曲面法 (RSM) による実験計画を使用して、セットアップの有効性、メルケル数、および冷却範囲を研究しました。 ナノ流体は 2 段階の方法で調製されました。 アラビアガム、トリトン X-100、ドデシル硫酸ナトリウムなどの各種界面活性剤を考慮して安定性試験を実施し、最適な界面活性剤としてアラビアガムを決定しました。 視覚的方法、動的光散乱 (DLS)、およびゼータ電位分析を使用して、ナノ流体の安定性を確保し、ナノ流体中のナノ粒子のサイズ分布を決定しました。 その結果、ナノ粒子の添加により作動流体の熱伝達特性が改善されることが明らかになりました。 さらに、ナノ粒子の効果を比較することにより、MWCNT は TiO2 よりも熱特性を向上させることができることがわかりました。 0.085 wt% の MWCNT を含むナノ流体は、メルケル数、有効性、および冷却範囲をそれぞれ 28、10.2、および 15.8% 改善しますが、TiO2 を含むナノ流体のこれらの値は、それぞれ 5、4.1、および 7.4% です。 最適なシステム設定のために、濃度 0.069 wt%、流量 2.092 kg/min の MWCNT ナノ流体が提案されました。 これらの条件下では、冷却範囲、効率、メルケル数はそれぞれ約 23.5、55.75%、0.64 でした。

ナノ流体は、油、水、エチレングリコールなどのベース流体中に含まれる 1 ～ 100 nm の範囲の低ナノ粒子含有量の安定した懸濁液として定義されます1。 最近、冷却および冷凍システム、プロセス工学、燃焼エンジン、HVAC (暖房、換気、空調)、発電、機械工具などのさまざまな用途でナノ流体を利用して熱伝達を強化する研究に多くの研究が注がれています。他にもたくさん2、3、4。 粘度5、引火点、熱伝導率、流動点、熱および物質移動係数、冷却速度などの熱伝達および熱物理的特性は、ナノ流体6を利用して向上させることができます。 金属および金属酸化物 7,8、炭素ベースのナノ材料 9,10 などのナノ流体の調製に使用されているナノ添加剤には、幅広い種類があります。 しかし、それらは小さいサイズ、大きい表面積、優れた熱容量などの顕著な特徴を持っていますが、特に高濃度では凝集する傾向があります。 安定したナノ流体を調製することは依然として課題であり、多くの解決策が、ナノ粒子に共通して関連するこの問題に対処している。 表面改質法11、超音波撹拌12、界面活性剤の利用13、およびpH処理14。 TiO2 ナノ粒子は、その独特の特性により、一般的に利用されるさまざまなナノ添加剤の中で広く使用されています。 これらには、優れたコロイドおよび化学的安定性、環境に優しい 15、熱伝達促進能力 16、摩擦低減挙動が含まれます。

CNT は他の従来の材料よりほぼ 5 倍高い値を持っているため、冷却システムの熱伝達特性を評価する際に、MWCNT/ナノ流体は熱伝導率などの熱物理的特性の測定値が大幅に向上することが示されています17。 したがって、MWCNT/ナノ流体の熱伝導率が高いため、適用されるシステムでの熱伝達率が向上します18。