Investigación experimental sobre la estabilidad y la convección natural de nanofluidos de agua-TiO2 en recintos con diferentes ángulos de rotación

Antecedentes

Dado que el nanofluido se prepara, debido a sus excelentes propiedades conductoras de calor [1, 2, 3], el nanofluido se aplica ampliamente en el campo de transferencia de calor [4, 5, 6], especialmente en el campo de convección natural [7, 8, 9].

Numerosos investigadores investigan numéricamente las características de transferencia de calor por convección natural de los nanofluidos. He et al. [10, 11] aplicó métodos de Boltzmann de celosía monofásica y bifásica para estudiar numéricamente la transferencia de calor por convección natural de Al ₂ O ₃ -Nanofluido de agua en una cavidad cuadrada, respectivamente. Sheikholeslami y col. [12] investigó las características de transferencia de calor por convección natural magnetohidrodinámica de un recinto cilíndrico horizontal con un cilindro triangular interior lleno de Al ₂ O ₃ -Nanofluido de agua mediante un método de simulación de celosía de Boltzmann. Uddin y col. [13] estudió la transferencia de calor por convección natural de varios nanofluidos a lo largo de una placa vertical incrustada en un medio poroso basado en el modelo de Darcy-Forchheimer. Meng y col. [14] investigó numéricamente la convección natural de un cilindro horizontal lleno de Al ₂ O ₃ -Nanofluido de agua. Ahmed y col. [15] utilizó un método de Boltzmann de celosía de dos fases para estudiar la convección natural del nanofluido CuO-agua en un recinto inclinado. Qi y col. [16] simuló numéricamente la convección natural del nanofluido Cu-Ga en un recinto.

Además de las simulaciones numéricas anteriores sobre la convección natural de nanofluidos, los estudios experimentales sobre la convección natural de nanofluidos los realizan cada vez más investigadores. Li y col. [17] investigó experimentalmente la transferencia de calor por convección natural de ZnO-EG / nanofluido de agua. Hu y col. [18, 19] estudiaron experimentalmente la mejora de la transferencia de calor por convección natural de un recinto cuadrado lleno de TiO ₂ -agua y Al ₂ O ₃ -nanofluidos de agua respectivamente. Ho et al. [20] estudiaron experimentalmente la transferencia de calor por convección natural de recintos verticales cuadrados con diferentes tamaños llenos de Al ₂ O ₃ -Nanofluido de agua. Heris y col. [21, 22, 23] investigó experimentalmente las características de transferencia de calor por convección de diferentes tipos de nanofluidos (Cu / agua, Al ₂ O ₃ -agua y CuO-agua) en tubos circulares, respectivamente. Mansour y col. [24] investigó experimentalmente la convección mixta de un tubo inclinado lleno de Al ₂ O ₃ -Nanofluido de agua. Chang y col. [25] investigó experimentalmente la convección natural de Al ₂ O ₃ -Nanofluido de agua en recintos delgados. Wen y col. [26, 27] investigaron experimentalmente las características de transferencia de calor por convección del Al ₂ O ₃ -nanofluidos de agua y TiO ₂ -nanofluidos de agua en condiciones de flujo laminar, respectivamente. Xuan y col. [28] estudiaron experimentalmente la transferencia de calor por convección del nanofluido Cu-agua en un tubo de latón recto.

La literatura anterior hizo una gran contribución a las características de transferencia de calor por convección natural de los nanofluidos. Sin embargo, es necesario investigar más a fondo la mejora de la transferencia de calor por convección natural de los recintos con diferentes ángulos de rotación llenos de nanofluidos. Por lo tanto, la estabilidad y las características de transferencia de calor por convección natural del TiO ₂ -nanofluido de agua en recintos con diferentes ángulos de rotación ( α =−45 °, α =0 °, α =45 ° y α =90 °) se investigan experimentalmente en este documento.

Método

Preparación de nanofluidos y su estabilidad

TiO ₂ se elige como las nanopartículas. La Figura 1 presenta las imágenes SEM, TEM y XRD de TiO ₂ nanopartículas en diferentes tiempos de aumento. Se puede encontrar que a partir de imágenes SEM las nanopartículas se juntan fácilmente, y es necesario tomar algunas medidas para preparar los nanofluidos estables. También se puede encontrar que, a partir de imágenes TEM, el tamaño de partícula es de aproximadamente 10 nm y las formas de las nanopartículas son planas. Las nanopartículas planas tienen un área de transferencia de calor más grande que las nanopartículas esféricas en la misma fracción de masa, lo que es ventajoso para mejorar la transferencia de calor. La Figura 1g muestra los patrones XRD del TTP-A10 TiO ₂ nanopartícula. Como se observó, los picos fuertes y nítidos sugieren que el TTP-A10 TiO ₂ La muestra de nanopartículas es altamente cristalina. El tamaño de partícula promedio de la muestra se puede calcular mediante la ecuación de Scherrer presentada en la Ec. (1). El TiO ₂ Los tamaños de las nanopartículas son 6, 9, 14, 20 y 35 nm calculados por estos valores de pico de difracción (111, 200, 021, 202 y 311), y los tamaños de nanopartículas más pequeños son de aproximadamente 6 y 9 nm según los valores de los picos de difracción. (111 y 200). Los grandes tamaños de nanopartículas pueden deberse a la agregación de nanopartículas. Los valores más pequeños (6 y 9 nm) pueden ser los tamaños reales de las nanopartículas, el tamaño de algunas nanopartículas puede ser de 6 nm y la mayoría de los tamaños de las nanopartículas pueden ser de aproximadamente 9 nm, que se acercan más a la descripción proporcionada por el fabricante ( 10 nm) y las imágenes TEM (10 nm).

$$ {D} _ {\ mathrm {c}} =\ frac {k \ lambda} {\ beta \ cdot \ cos \ theta} $$ (1)

donde k es el valor del factor de forma y k =0,9; λ es la longitud de onda de los rayos X; y β es la línea que se amplía por completo a la mitad del máximo (FWHM) de la altura del pico en radianes, y θ es el ángulo de difracción de Bragg.

Morfología de nanopartículas. Imágenes SEM, TEM y XRD de TiO ₂ nanopartículas en diferentes tiempos de aumento. un SEM × 20000. b SEM × 50000. c SEM × 100000. d TEM 20 nm. e TEM 50 nm. f TEM 100 nm. g XRD

TiO ₂ - Se prepara un nanofluido de agua con diferentes fracciones de masa de nanopartículas (% en peso =0,1%,% en peso =0,3% y% en peso =0,5%) mediante el método de dos pasos, que se muestra en la Fig. 2. El tiempo de agitación mecánica es la mitad una hora para cada uno de los subpasos, y el tiempo de sonicación es de 40 min. En la tabla 1 se muestra la información de algunos materiales y equipos en la preparación de nanofluidos. La Figura 3 muestra el TiO ₂ -Nanofluido de agua antes de la puesta y después de 72 h. Se puede observar que hay poca deposición de nanopartículas en el tubo de ensayo y el nanofluido preparado en este trabajo muestra una buena estabilidad.

Preparación de nanofluidos. Procedimiento de preparación de TiO ₂ -nanofluidos de agua por un método de dos pasos

Observación de estabilidad de TiO ₂ -Nanofluido de agua. TiO ₂ -Nanofluido de agua en diferentes momentos. un Antes de la colocación. b Después de 72 h

Además del estudio sobre si hay deposición de nanopartículas en el tubo de ensayo, los efectos de la transmitancia ( τ ) del nanofluido sobre su estabilidad también se discuten. La figura 4 muestra la transmitancia ( τ ) cambios de TiO ₂ -Nanofluido de agua (% en peso =0,5%) con diferentes valores de pH y dosis ( m ) de agente dispersante. La transmitancia se mide con un espectrofotómetro visible ultravioleta (UV-1800 (PC)). Como sabemos, si las nanopartículas se distribuyen uniformemente en el agua, las nanopartículas reflejarán la mayor cantidad de luz y tendrán una alta reflectancia (una baja transmitancia). Por tanto, la estabilidad del nanofluido es inversamente proporcional a la transmitancia y el nanofluido estable tiene una transmitancia baja. Se puede encontrar en la Fig.4 que el nanofluido con m =6% en peso y pH =8 tiene la transmitancia más baja y tiene la mejor estabilidad. Los nanofluidos con diferentes fracciones de masa de nanopartículas en este experimento se preparan a m =6% en peso y pH =8, lo que puede garantizar la estabilidad de los nanofluidos.

Transmitancia de TiO ₂ -Nanofluido de agua. Transmitancia ( τ ) cambios de TiO ₂ -Nanofluido de agua (% en peso =0,5%) bajo diferentes valores de pH con tiempos ( h ) en diferentes dosis ( m ) de agente dispersante. un m =5% en peso. b m =6% en peso. c m =7% en peso. d m =8% en peso

Sistema experimental

La Figura 5 muestra los diagramas esquemáticos de los tres conjuntos experimentales. Los tamaños de los tres recintos rectangulares son 10 cm (ancho) × 20 cm (alto), 5 cm (ancho) × 20 cm (alto) y 20 cm (ancho) × 20 cm (alto). El ancho y el alto se definen como W y H , respectivamente, y la relación de aspecto ( A ) del recinto se define como A =W / H . La pared izquierda (placa de cobre) del gabinete se calienta mediante una lámina calefactora de silicona conectada a una fuente de alimentación de CC. La pared derecha (placa de cobre) del recinto se enfría mediante el agua de refrigeración en una pequeña cavidad (el material también es de cobre) conectada a un baño de agua a temperatura constante. Las temperaturas de dos lados del gabinete se obtienen mediante seis termopares conectados a un instrumento de adquisición de datos (Agilent 34972A). La capa de aislamiento exterior se utiliza para evitar la pérdida de calor.

Diagramas esquemáticos de conjuntos experimentales. Diagramas esquemáticos de tres conjuntos experimentales de relación de aspecto diferentes. un A =1:2. b A =1:4. c A =1:1

Las características de transferencia de calor por convección natural de los dos gabinetes con diferentes ángulos de rotación ( α =−45 °, α =0 °, α =45 ° y α =90 °) lleno de TiO ₂ -Nanofluidos de agua se investigan en este artículo. Para el recinto con α =−90 °, la pared superior es la pared caliente y la pared inferior es la pared fría, y la transferencia de calor en el gabinete es principalmente por conducción de calor. Sin embargo, el manuscrito investiga principalmente la transferencia de calor por convección natural de nanofluidos en el recinto, por lo tanto, el recinto con α =−90 ° no se considera en este manuscrito. La Figura 6 muestra el diagrama esquemático de envolventes con diferentes ángulos de rotación.

Diagrama esquemático de ángulos de rotación. Diagrama esquemático de los envolventes con cuatro ángulos de rotación diferentes. un α =-45 °. b α =0 °. c α =45 °. d α =90 °

Procesamiento de datos

El poder Q proporcionada por la lámina calefactora de silicona es la siguiente:

$$ Q =\ mathrm {U} \ mathrm {I} $$ (2)

donde U y yo son el voltaje y la electricidad de la alimentación de CC respectivamente.

El poder efectivo Q _net es el siguiente:

$$ {Q} _ {\ mathrm {net}} =Q- {Q} _ {\ mathrm {pérdida}} $$ (3)

donde Q _pérdida es la pérdida de calor medida por un medidor de flujo de calor.

La temperatura del lado de la placa de cobre junto a la hoja calefactora de silicona \ ({T} _ {\ mathrm {H}} ^ {*} \) es la siguiente:

$$ {T} _ {\ mathrm {H}} ^ {*} =\ frac {\ left ({T} _1 + {T} _2 + \ cdot \ cdot \ cdot + {T} _6 \ right)} {6} $$ (4)

donde T ₁ , T ₂ ,…, T ₆ son las temperaturas de los termopares.

La temperatura del lado de la placa de cobre (lado izquierdo del gabinete) junto al nanofluido T _H es el siguiente:

$$ {T} _ {\ mathrm {H}} ={T _ {\ mathrm {H}}} ^ {*} - \ frac {Q _ {\ mathrm {net}} \ delta} {A {\ lambda} _ {\ mathrm {w}}} $$ (5)

donde δ =0,005 m es el grosor de la placa de cobre, A es el área de la placa de cobre, λ _w es la conductividad térmica de la placa de cobre.

La temperatura del lado de la placa de cobre (lado derecho del gabinete) junto a la capa de aislamiento T _C ^∗ es el siguiente:

$$ {T} _ {\ mathrm {C}} ^ {*} =\ frac {\ left ({T} _7 + {T} _8 + \ cdot \ cdot \ cdot + {T} _ {12} \ right)} {6} $$ (6)

donde T ₇ , T ₈ ,…, T ₁₂ son las temperaturas de los termopares en el lado derecho del gabinete.

Cuando se alcanza el estado de equilibrio térmico, la temperatura del agua de enfriamiento es la misma que la temperatura del lado de la placa de cobre al lado del agua de enfriamiento. La temperatura del lado de la placa de cobre (lado derecho del gabinete) junto al nanofluido T _C se puede calcular de la siguiente manera:

$$ {T} _ {\ mathrm {C}} ={T _ {\ mathrm {C}}} ^ {\ ast} - \ frac {2 {Q} _ {\ mathrm {net}} \ delta} {A {\ lambda} _w} $$ (7)

La temperatura cualitativa T _m se define de la siguiente manera:

$$ {T} _ {\ mathrm {m}} =\ frac {T _ {\ mathrm {H}} + {T} _ {\ mathrm {C}}} {2} $$ (8)

El coeficiente de transferencia de calor por convección h es el siguiente:

$$ h =\ frac {Q _ {\ mathrm {net}}} {A \ left ({T} _ {\ mathrm {H}} \ hbox {-} {T} _ {\ mathrm {C}} \ right )} $$ (9)

El número de Nusselt se define de la siguiente manera:

$$ \ mathrm {Nu} =\ frac {h \ cdot W} {\ lambda _ {\ mathrm {f}}} $$ (10)

donde λ _f es la conductividad térmica del fluido en el recinto.

Análisis de incertidumbre

La fórmula de transferencia de error del coeficiente de transferencia de calor por convección es la siguiente [19]:

$$ \ begin {matriz} {l} \ frac {\ varDelta h} {h} =\ izquierda | \ frac {\ parcial \ ln h} {\ parcial {Q} _ {net}} \ derecha | \ varDelta { Q} _ {{} _ {net}} + \ izquierda | \ frac {\ parcial \ ln h} {\ parcial A} \ derecha | \ varDelta A + \ izquierda | \ frac {\ parcial \ ln h} {\ parcial \ left ({T} _ {\ mathrm {H}} - {T} _ {\ mathrm {C}} \ right)} \ right | \ varDelta \ left ({T} _ {\ mathrm {H}} - {T} _ {\ mathrm {C}} \ right) =\\ {} \ frac {\ varDelta {Q} _ {net}} {Q_ {net}} + \ frac {\ varDelta A} {A} + \ frac {\ varDelta \ left ({T} _ {\ mathrm {H}} - {T} _ {\ mathrm {C}} \ right)} {\ left ({T} _ {\ mathrm {H}} - {T} _ {\ mathrm {C}} \ right)} \ end {array} $$ (11)

La fórmula de transferencia de errores del número de Nusselt es la siguiente [19]:

$$ \ begin {matriz} {l} \ frac {\ varDelta \ mathrm {Nu}} {\ mathrm {Nu}} =\ izquierda | \ frac {\ parcial \ mathrm {lnNu}} {\ parcial h} \ derecha | \ varDelta h + \ izquierda | \ frac {\ parcial \ mathrm {lnNu}} {\ parcial W} \ derecha | \ varDelta W + \ izquierda | \ frac {\ parcial \ mathrm {lnNu}} {\ parcial {\ lambda} _ {\ mathrm {f}}} \ right | \ varDelta {\ lambda} _ {\ mathrm {f}} =\\ {} \ frac {\ varDelta h} {h} + \ frac {\ varDelta W} { W} + \ frac {\ varDelta {\ lambda} _ {\ mathrm {f}}} {\ lambda _ {\ mathrm {f}}} \ end {matriz} $$ (12)

Basado en las Ecs. (10) y (11), los errores del coeficiente de transferencia de calor por convección y el número de Nusselt son 5.65 y 6.34%, respectivamente, en este experimento. Se puede encontrar que los errores de los conjuntos experimentales son pequeños, lo que puede garantizar la confiabilidad y precisión de los resultados experimentales.

Resultados y discusiones

Validación del experimento

Antes del estudio sobre nanofluidos, es necesaria la validación del experimento. La Figura 7 muestra la comparación de los números de Nusselt entre los resultados experimentales del agua y los resultados de la literatura publicada para recintos con A =1:2, A =1:4 y A =1:1. Los errores máximos para gabinetes con A =1:2, A =1:4 y A =1:1 son 8.4, 9.5 y 8.1%, respectivamente. Se puede encontrar que los resultados experimentales concuerdan bien con los resultados de la literatura publicada [20, 29], que verifica la precisión y confiabilidad del sistema experimental.

Validación del conjunto de experimentos. Comparación de los números de Nusselt entre los resultados experimentales y la literatura publicada en recintos con dos relaciones de aspecto diferentes. un A =1:2. b A =1:4. c A =1:1

Recinto con A =1:2

Los efectos de los ángulos de rotación en las características de transferencia de calor por convección natural del TiO ₂ Los nanofluidos de agua se analizan en este documento. La Figura 8 presenta los cambios de los números de Nusselt promedio con los ángulos de rotación del recinto con A =1:2. Puede verse en la Fig. 8 que los números de Nusselt primero aumentan y luego disminuyen con los ángulos de rotación. El recinto con ángulo de rotación α =0 ° tiene el número de Nusselt más alto seguido del recinto con ángulos de rotación α =45 ° y α =90 °, el recinto con ángulo de rotación α =−45 ° tiene el número de Nusselt más bajo. La conducción de calor juega un papel cada vez más importante cuando el ángulo de rotación disminuye ( α ≤ −90 °), y la transferencia de calor es casi conducción de calor cuando el ángulo de rotación disminuye a α =−90 °. Cuando la pared caliente se ubica en la parte superior y la pared fría se ubica en la parte inferior del gabinete ( α =−90 °), la dirección de flotabilidad es hacia arriba, pero la pared superior evita que el fluido se mueva hacia arriba. El movimiento del nanofluido en el recinto es pequeño y la principal transferencia de calor es la conducción de calor, lo que provoca un pequeño número de Nusselt. El recinto con α =−45 ° está más cerca del recinto con α =−90 ° y muestra el número de Nusselt más pequeño en comparación con otros ángulos de rotación. Para los envolventes con ángulos de rotación α =45 ° y α =90 °, el fluido cerca de la pared caliente inferior se calienta y se mueve hacia arriba y el fluido cerca de la pared fría superior se enfría y se mueve hacia abajo. Las direcciones del fluido caliente y del fluido frío son opuestas e impiden la transferencia de calor por convección natural, lo que provoca un número de Nusselt más bajo en comparación con el recinto con α =0 ° pero un número de Nusselt más alto en comparación con el recinto con α =−45 °. También se puede ver que las diferencias entre varios ángulos de rotación aumentan con la potencia de calentamiento. Esto se debe a que los efectos de los ángulos de rotación juegan el papel principal en la transferencia de calor a baja potencia de calentamiento, y los efectos de la convección en la transferencia de calor son pequeños. Sin embargo, la intensidad de transferencia de calor por convección aumenta con la potencia de calentamiento y juega el papel principal en la transferencia de calor a una potencia de calentamiento alta, lo que provoca las diferencias más grandes entre los distintos ángulos de rotación a una potencia de calentamiento alta en comparación con la de una potencia de calentamiento baja.

Cambios de números de Nusselt con ángulos de rotación ( A =1:2). Los números de Nusselt promedio cambian de nanofluido con los ángulos de rotación del recinto ( A =1:2) a diferentes potencias de calefacción. un Q =1 W. b Q =5 W. c Q =10 W. d Q =15 W. e Q =20 W

Además de los ángulos de rotación, también se discuten los efectos de la fracción de masa de nanopartículas en la transferencia de calor por convección natural. La Figura 9 muestra los cambios de los números de Nusselt promedio con fracciones de masa de nanopartículas. Se puede encontrar que los números de Nusselt aumentan con las fracciones de masa de nanopartículas. Para potencia de calefacción Q =1 W y α =0 °, TiO ₂ El nanofluido de agua con% en peso =0,1%,% en peso =0,3% y% en peso =0,5% puede mejorar la transferencia de calor en un 9,3, 21,8 y 28,7% en comparación con el agua, respectivamente. La relación de mejora disminuye con la potencia de calentamiento. Para potencia de calefacción Q =20 W y α =0 °, TiO ₂ El nanofluido de agua con% en peso =0,1%,% en peso =0,3% y% en peso =0,5% puede mejorar la transferencia de calor en un 1,4, 4,6 y 6,6% en comparación con el agua, respectivamente. La intensidad de la turbulencia juega un papel importante en el poder de calentamiento alto, y los efectos de la fracción de masa de nanopartículas en la transferencia de calor se vuelven pequeños.

Cambios de números de Nusselt con fracciones de masa de nanopartículas ( A =1:2). Nusselt promedio cambios en los números de nanofluidos en el recinto ( A =1:2) con fracciones de masa de nanopartículas a diferentes potencias de calentamiento. un Q =1 W. b Q =5 W. c Q =10 W. d Q =15 W. e Q =20 W

En este artículo se estudian los efectos de las potencias térmicas sobre la transferencia de calor por convección natural. La Figura 10 muestra los cambios de los números promedio de Nusselt con la potencia de calefacción. Para α =0 °, TiO ₂ -nanofluido de agua en Q =5 W, Q =10 W, Q =15 W y Q =20 W puede mejorar la transferencia de calor en un 280,2, 428,4, 544,1 y 581,5% en comparación con Q =1 W. Un alto poder de calentamiento aumenta la intensidad de la turbulencia y mejora la transferencia de calor.

Cambios de números de Nusselt con potencia de calefacción ( A =1:2). Nusselt promedio cambios en los números de nanofluidos en el recinto ( A =1:2) con potencia calorífica en diferentes ángulos de rotación. un α =-45 °. b α =0 °. c α =45 °. d α =90 °

Recinto con A =1:4

Para investigar los efectos de las relaciones de aspecto de los gabinetes en la transferencia de calor, las características de transferencia de calor por convección natural del gabinete con A =1:4 llenos de TiO ₂ -Se estudian nanofluidos de agua. La Figura 11 muestra los cambios de los números de Nusselt promedio con los ángulos de rotación del recinto. Se puede obtener que una conclusión similar como A =1:2 que los números de Nusselt primero aumentan y luego disminuyen con los ángulos de rotación. Para el nanofluido con% en peso =0.5% ejemplo, las diferencias entre A =1:4 y A =1:2 son que las proporciones de mejora (del 6,5 al 20,7%) del número de Nusselt en el recinto ( A =1:4, α =0 °) en comparación con el del recinto ( A =1:4, α =−45 °) son más altas que las proporciones de mejora (de 2,85 a 9,3%) del número de Nusselt en el recinto ( A =1:2, α =0 °) en comparación con el del recinto ( A =1:2, α =−45 °).

Cambios de números de Nusselt con ángulos de rotación ( A =1:4). Los números de Nusselt promedio cambian de nanofluido con los ángulos de rotación del recinto ( A =1:4) a diferentes potencias de calefacción. un Q =1 W. b Q =5 W. c Q =10 W. d Q =15 W. e Q =20 W

La Figura 12 presenta los cambios de los números de Nusselt promedio con fracciones de masa de nanopartículas. Para potencia de calefacción Q =1 W y α =0 °, TiO ₂ El nanofluido de agua con% en peso =0,1%,% en peso =0,3% y% en peso =0,5% puede mejorar la transferencia de calor en un 7,1, 20,2 y 29,5% en comparación con el agua, respectivamente. La relación de mejora disminuye con la potencia de calentamiento. Para potencia de calefacción Q =20 W y α =0 °, TiO ₂ -Nanofluido de agua con% en peso =0.1%,% en peso =0.3% y% en peso =0.5% puede mejorar la transferencia de calor en 2.9, 11.8 y 15.1% en comparación con el agua, respectivamente.

Cambios de números de Nusselt con fracciones de masa de nanopartículas ( A =1:4). Nusselt promedio cambios en los números de nanofluidos en el recinto ( A =1:4) con fracciones de masa de nanopartículas a diferentes potencias de calentamiento. un Q =1 W. b Q =5 W. c Q =10 W. d Q =15 W. e Q =20 W

La Figura 13 muestra los cambios de los números de Nusselt promedio con la potencia de calefacción. El número medio de nanofluidos de Nusselt se puede mejorar en un 242,4% ~ 701,5% en comparación con el agua con una potencia de calentamiento Q =1 W. Para α =0 °, TiO ₂ -Nanofluido de agua con% en peso =0,5% a Q =5 W, Q =10 W, Q =15 W y Q =20 W pueden mejorar la transferencia de calor en un 253,0, 419,9, 540,3 y 635,6% en comparación con Q =1 W, respectivamente.

Cambios de números de Nusselt con potencia de calefacción ( A =1:4). Nusselt promedio cambios en los números de nanofluidos en el recinto ( A =1:4) con potencia calorífica en diferentes ángulos de rotación. un α =-45 °. b α =0 °. c α =45 °. d α =90 °

Comparación entre A =1:2, A =1:4 y A =1:1

Debido a la limitación de longitud de este documento, los resultados del adjunto con A =1:1 solo se dan en la Fig. 14, y los efectos de diferentes ángulos de rotación, fracciones de masa de nanopartículas y potencias de calentamiento sobre la transferencia de calor se pueden mostrar en la Fig. 14. Para comparar las características de transferencia de calor de los gabinetes con A =1:2, A =1:4 y A =1:1, la Fig.14 muestra la comparación de los números de Nusselt promedio entre A =1:2, A =1:4 y A =1:1 en diferentes ángulos de rotación. Se encuentra que los números de Nusselt aumentan con la relación de aspecto del recinto. Los números de recinto de Nusselt ( A =1:1 y A =1:2) se puede mejorar en 190,6% ~ 224,4% y 103,6% ~ 172,0% en comparación con los números de recinto de Nusselt ( A =1:4) en las mismas condiciones, respectivamente. Para Q =1 W y α =0 ° ejemplo, nanofluido con wt% =0.5%, wt% =0.3%, wt% =0.1% y wt% =0.0% en el recinto con A =1:2 puede mejorar la transferencia de calor en un 120,4, 124,9, 126,5 y 121,9% en comparación con la del gabinete con A =1:4. La relación de mejora disminuye con la potencia de calentamiento. vPara Q =20 W y α =0 °, nanofluido con wt% =0.5%, wt% =0.3%, wt% =0.1% y wt% =0.0% en el recinto con A =1:2 puede mejorar la transferencia de calor en 104,2, 106,5, 117,6, 120,7% en comparación con la del recinto con A =1:4. También se encuentra que los aumentos del número de Nusselt desde% en peso =0,1% hasta% en peso =0,3% son mayores que desde% en peso =0,3% hasta% en peso =0,5%. Esto se debe a que el aumento de la conductividad térmica juega el papel principal en la transferencia de calor de% en peso =0,1% a% en peso =0,3%, lo que provoca una gran mejora. Pero el aumento de viscosidad comienza a desempeñar el papel principal en la transferencia de calor desde% en peso =0,3% hasta% en peso =0,5%, lo que provoca una pequeña mejora. Dado que la Fig. 14 puede cubrir todos los resultados experimentales, los resultados detallados de la Fig. 14 se muestran en las Tablas 2, 3 y 4.

Nusselt numbers comparison between different aspect ratios. Comparison of average Nusselt numbers of nanofluid in different aspect ratios (A  = 1:1, A  = 1:2, and A = 1:4) and rotation angle enclosures at different heating powers. un Q  = 1 W. b Q  = 5 W. c Q  = 10 W. d Q  = 15 W. e Q  = 20 W

Conclusions

The stability and natural convection heat transfer characteristics of the two enclosures with different rotation angles (α  = −45°, α  = 0°, α  = 45°, and α  = 90°) filled with TiO₂ -water nanofluid are experimentally investigated. Some conclusions are obtained as follows:

1. (1)

   TiO₂ -water nanofluid with m  = 6 wt% and pH = 8 has the lowest transmittance and has the best stability.

2. (2)

   The enclosure with rotation angle α  = 0° has the highest Nusselt number followed by the enclosure with rotation angles α  = 45° and α  = 90°; the enclosure with rotation angle α  = −45° has the lowest Nusselt number.

3. (3)

   There is a higher heat transfer performance in a bigger aspect ratio enclosure. The Nusselt numbers of enclosure (A  = 1:1 and A  = 1:2) can be enhanced by 190.6% ~ 224.4% and 103.6% ~ 172.0% compared with the Nusselt numbers of enclosure (A  = 1:4) at the same conditions.

4. (4)

   Nusselt numbers increase with nanoparticle mass fractions, but the enhancement ratio decreases with the heating power.

5. (5)

   Average Nusselt numbers increase with the heating power. Average Nusselt numbers of nanofluid can be enhanced by 701.5% compared with water at the best.

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