Stabilità, ultrasonicazione ottimale e stima della conduttività termica ed elettrica in basse concentrazioni di nanofluido Al12Mg17 mediante diffusione dinamica della luce e metodo di spostamento del fascio

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13659 (2023) Citare questo articolo

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La conduttività termica e la stabilità dei nanofluidi pongono sfide per il loro utilizzo come refrigeranti nelle applicazioni termiche. Il presente studio indaga il coefficiente di trasferimento del calore (HTC) di un nanofluido Al12Mg17 attraverso l'utilizzo di un nuovo metodo di spostamento del fascio. Lo studio esamina anche la stabilità del nanofluido, la distribuzione delle dimensioni delle particelle (PSD), la micrografia TEM e la conduttività elettrica. Da tre distinte categorie di tensioattivi, è stato scelto un particolare tensioattivo (CTAB) per disperdere le nanoparticelle di Al12Mg17 in acqua DI e, successivamente, è stato impiegato un metodo in due fasi per generare il nanofluido. La stabilità della dispersione viene monitorata visivamente e quantificata con un test del potenziale zeta. HTC e PSD vengono misurati utilizzando configurazioni ottiche. Per valutare i risultati, l'HTC ottenuto dal metodo dello spostamento del fascio viene confrontato con quello dell'apparato KD2 Pro e i risultati della PSD vengono analizzati tramite micrografie TEM. I risultati mostrano che un CTAB allo 0,16 vol.% è la stabilità massima per il nanofluido Al12Mg17 allo 0,025 vol.% in modo corretto. Il periodo ottimale di ultrasuoni è di 2 ore, producendo un picco PSD di 154 nm. L’aumento della concentrazione di nanoparticelle migliora l’HTC fino al 40% rispetto al fluido base a 0,05 vol.%. La conduttività elettrica aumenta linearmente da 155 a 188 μ\({\rm S}/\mathrm{cm}\) con la concentrazione di nanoparticelle. I metodi ottici per misurare l'HTC nei nanofluidi offrono il vantaggio di risultati precoci, prima del movimento della massa. Pertanto, l'applicazione dei nanofluidi nei sistemi termici richiede lo sviluppo di tecniche ottiche per migliorare la precisione.

Un nanofluido è una miscela eterogenea di un fluido base e nanoparticelle che può essere utilizzata in un'ampia gamma di applicazioni termiche sia nell'industria1 che nella medicina2, inclusi ma non limitati a collettori solari3, radiatori per veicoli4 e raffreddamento elettronico5. Grazie al loro ruolo sostanziale nel trasferimento del calore, i nanofluidi possono apportare efficienza alle prestazioni del sistema, il che li rende un’affascinante area di studio per gli ingegneri. Le differenze Le differenze di conducibilità termica tra i nanofluidi sono già state studiate6. Tuttavia, è imperativo caratterizzare le proprietà termiche ed elettriche dei nanofluidi, nonché la loro stabilità e PSD per poterli applicare nell'industria.

Per quanto riguarda la caratterizzazione termica dei nanofluidi, gli scienziati utilizzano metodi diversi per determinare l'HTC, come i metodi transitori, tre omega7, l'oscillazione della temperatura8, la piastra parallela allo stato stazionario9, il comparatore termico10 e i metodi ottici, ciascuno dei quali ha criteri diversi per la determinazione. Ad esempio, il transitorio a filo caldo (THW)11 e la sorgente transitoria piana (TPS)12 sono due esempi di metodi transitori, basati sul monitoraggio della temperatura della fonte di calore e del tempo di risposta dopo la loro esposizione a un impulso elettrico13. Inoltre, i metodi a stato stazionario sfruttano le termocoppie ed è importante mantenere al minimo le discrepanze nella lettura della temperatura quando le termocoppie sono alla stessa temperatura10. Inoltre, nel comparatore termico, la valutazione della conduttività del campione necessita di un solo punto di contatto10. Tuttavia, i metodi ottici, utilizzati anche per determinare l'HTC, si basano sull'interazione tra luce e fluido.

Generalmente, per misurare l'HTC dei nanofluidi vengono utilizzati numerosi metodi ottici, come la tecnica di analisi del flash laser (LFA)14. Inoltre, esistono altri metodi ottici, inclusi i metodi di deflessione del raggio15 e le tecniche di spostamento del raggio laser a filo caldo che si basano sull'angolo di deflessione dipendente dalla temperatura nei nanofluidi16. Il metodo di spostamento del raggio laser a filo caldo può valutare l'HTC e la diffusività termica dei nanofluidi16. Generalmente, il metodo dello spostamento del fascio si basa sulla modifica dell'indice di riflessione mediante variazioni di temperatura in modo che l'HTC e la diffusività termica dei nanofluidi aumentino con un aumento della frazione di volume16,17.