Estabilidad y Convección Natural de Nanofluido TiO₂-Agua en Recintos Rotados: Hallazgos Experimentales

Resumen

Este estudio examina la estabilidad y el rendimiento de transferencia de calor por convección natural de nanofluido TiO₂-agua en recintos cuadrados rotados a –45°, 0°, 45° y 90°. La estabilidad se optimizó añadiendo un 6 % en peso de dispersante a pH 8, lo que produjo la transmitancia más baja y la mejor dispersión. Los experimentos variaron la carga de nanopartículas (0,1–0,5 % en peso) y la potencia de calentamiento (1–20 W). La orientación de 0° produjo los números de Nusselt más altos, seguida por 45° y 90°, mientras que –45° arrojó los valores más bajos. La transferencia de calor aumentó con la carga de partículas y la potencia, aunque la mejora relativa disminuyó a mayor potencia debido a efectos de viscosidad.

Antecedentes

Los nanofluidos ofrecen una conductividad térmica superior, lo que los hace atractivos para aplicaciones de transferencia de calor, especialmente convección natural. Numerosos estudios numéricos han explorado sistemas Al₂O₃-agua, CuO-agua y TiO₂-agua, pero los datos experimentales sobre recintos rotados siguen siendo escasos. Este trabajo cubre esa brecha al proporcionar evidencia empírica sobre cómo la rotación influye en la convección en nanofluidos TiO₂-agua.

Metodología

Preparación y Evaluación de Estabilidad

Las nanopartículas de TiO₂ (≈10 nm, morfología plana) se dispersaron en agua desionizada mediante un proceso en dos etapas: agitación mecánica (30 min) seguida de 40 min de sonicación. La dosificación de dispersante (6 % en peso) y el ajuste de pH a 8 produjeron la suspensión más estable, confirmada por una sedimentación mínima tras 72 h y un mínimo de transmitancia de τ ≈ 0,2. La distribución de tamaño de partícula se verificó mediante SEM, TEM y XRD, con un tamaño de cristalito derivado por Scherrer de 6–9 nm.

Equipamiento Experimental

Se construyeron tres recintos rectangulares (A × H: 10×20 cm, 5×20 cm, 20×20 cm) de cobre, con una pared izquierda calefactada (lámina de silicona) y una pared derecha refrigerada (baño de agua). Seis termopares midieron las temperaturas de las paredes, y la pérdida de calor se cuantificó mediante un medidor de flujo. El montaje permitió rotar el recinto respecto a la gravedad para evaluar cuatro ángulos: –45°, 0°, 45°, 90°.

Procesamiento de Datos

Ecuaciones clave:

• Potencia de entrada: Q = UI
• Potencia neta: Qₙₑₜ = Q – Qₗₒₛₛ
• Temperatura promedio lado caliente: Tₕ* = (T₁+…+T₆)/6
• Temperatura efectiva lado caliente: Tₕ = Tₕ* – Qₙₑₜ·δ/(A·λ_w)
• Coeficiente de convección: h = Qₙₑₜ/[A(Tₕ–T₍C₎)]
• Número de Nusselt: Nu = h·W/λ_f

El análisis de incertidumbre arrojó 5,65 % para h y 6,34 % para Nu, confirmando la fiabilidad experimental.

Resultados y Discusión

Validación

Los números de Nusselt medidos para agua pura coincidieron con la literatura dentro de un error <9 % en relaciones de aspecto A = 1:2, 1:4, 1:1, confirmando la precisión del sistema.

Relación de Aspecto A = 1:2

Nu aumentó con el ángulo de rotación hasta 0°, luego disminuyó a 45° y 90°. El caso –45° mostró el Nu más bajo debido al flujo boyante restringido. La carga de partículas de 0,1 a 0,5 % en peso elevó Nu hasta un 29 % a 1 W, pero la ganancia relativa disminuyó a 20 W por el aumento de viscosidad. Incrementar la potencia de calentamiento de 1 a 20 W amplificó Nu hasta un 581 % (0,5 % en peso, 0°).

Relación de Aspecto A = 1:4

Tendencias similares a A = 1:2, pero valores absolutos de Nu más bajos. Las razones de mejora para 0,5 % en peso a 0° oscilaron entre 6,5 % (1 W) y 20,7 % (5 W). Las ganancias de transferencia de calor de 1 a 20 W alcanzaron 242–702 %.

Comparación de Relaciones de Aspecto

Nu aumentó con la relación de aspecto: A = 1:1 > A = 1:2 > A = 1:4. El nanofluido al 0,5 % en peso logró hasta un 701 % más de Nu que el agua en la mejor configuración (A = 1:1, 0°, 20 W). La mejora de 0,1 a 0,3 % en peso fue más pronunciada que de 0,3 a 0,5 %, reflejando el equilibrio entre conductividad y viscosidad.

Conclusiones

1. La estabilidad se maximiza con 6 % en peso de dispersante a pH 8.
2. El ángulo de rotación 0° proporciona el Nu más alto; –45° el más bajo.
3. Las relaciones de aspecto mayores mejoran notablemente la transferencia de calor (hasta 224 % de mejora).
4. Nu aumenta con la carga de partículas pero el beneficio relativo disminuye a alta potencia.
5. En general, Nu puede incrementarse hasta un 701 % respecto al agua pura.