Mejora transferencia calor y flujo nanofluidos TiO₂-agua en tubos acanalados espiral vs lisos

Resumen

Este estudio investiga experimentalmente rendimiento flujo y transferencia calor nanofluidos TiO₂-agua con fracciones másicas nanopartículas variables en tubos acero inoxidable acanalados espiral y lisos sobre amplio rango número Reynolds. Estabilidad evaluada usando método transmitancia novedoso con espectrofotómetro ultravioleta, revelando dispersión óptima 6 % peso dispersante y pH 8. Resultados muestran tubos acanalados espiral entregan impulso transferencia calor superior (hasta 257,9 % sobre tubos lisos) incurriendo solo pérdidas friccionales modestas. Flujo turbulento tubo acanalado produce mayor ratio mejora térmica-fricción. Índice rendimiento integral ξ pico Re ≈ 2300 tubo acanalado, mientras sube continuamente Re tubo liso. Hallazgos proveen guía clara seleccionar geometría tubo y condiciones operación intercambiadores calor basados nanofluidos.

Introducción

Nanofluidos —suspensiones nanopartículas fluido base— ofrecen capacidades transferencia calor notables, permitiendo avances sistemas térmicos solares, desalinización, enfriamiento electrónico. Mientras muchos estudios examinaron tubos lisos o corrugados, comparaciones integrales entre geometrías acanaladas espiral y lisas siguen escasas. Este trabajo cubre brecha combinando medidas experimentales con nueva técnica evaluación estabilidad y métrica rendimiento holística.

Métodos

Preparación nanofluido y evaluación estabilidad

Nanopartículas TiO₂ (20-100 nm) dispersadas agua desionizada vía método dos pasos: 30 min agitación mecánica seguido 40 min sonicación. 6 % peso dispersante (PAA) y pH 8 usados todas muestras. Estabilidad evaluada tanto prueba precipitación convencional como método transmitancia cuantitativo; este demostró muestras 0,1, 0,3, 0,5 % peso TiO₂ mantienen excelente estabilidad 72 h.

Configuración experimental

Equipo prueba comprendió tubo acero inoxidable 1,2 m largo (diámetro equivalente 0,01 m) con sección medición central 1 m. Fuente CC calentó tubo; 10 termopares tipo T midieron temperatura pared, mientras sondas tipo K capturaron temperaturas entrada/salida fluido. Caída presión registrada transductor presión diferencial. Caudales controlados bomba precisión.

Ecuaciones clave

• Entrada calor: Q₀ = U I
• Carga calor fluido: Q_f = c_p ṁ (T_out – T_in)
• Calor específico efectivo y densidad calculados reglas mezcla (ecuaciones 3 y 10).
• Número Reynolds: Re = ρ u d_e / μ_f
• Coeficiente convección: h_f = Q_f / (π d_e l (T_iw – T_f))
• Número Nusselt: Nu = h_f d_e / λ_f
• Factor fricción: f = 2 d_e / (ρ u²) (Δp/Δl)
• Índice rendimiento integral: ξ = (Nu/Nu_bf) / (f/f_bf)^(1/3)

Resultados y discusión

Validación sistema

Comparaciones literatura agua confirman números Nusselt y factores fricción coinciden datos publicados ±3,5 % regímenes laminar y turbulento, validando equipamiento experimental.

Rendimiento tubo liso

Aumentar carga TiO₂ eleva número Nusselt 11,2 % (0,5 % peso) a 16,1 % (0,5 % peso) flujo turbulento. Factores fricción suben modestamente (≤8 % laminar, ≤3 % turbulento). Conductividad térmica aumenta 0,17-1,6 % mientras viscosidad sube 2,5-13,6 %, primero dominando transferencia calor flujo laminar y segundo volviéndose más significativo mayores números Reynolds.

Rendimiento tubo acanalado espiral

Geometría acanalada amplifica beneficio TiO₂: números Nusselt mejoran hasta 42,8 % (0,5 % peso) flujo turbulento, superando tubo liso 240-260 %. Factores fricción aumentan notablemente (≈20 % laminar, ≈10 % turbulento) por estructura tornillo, yet índice rendimiento neto ξ pico Re ≈ 2300, donde ganancias transferencia calor superan penalizaciones fricción.

Evaluación integral

Métrica ξ revela tubo acanalado espiral entrega mayor rendimiento cerca transición laminar-turbulento, mientras tubo liso beneficia números Reynolds progresivamente mayores. Insight informa selección óptima tubo y condiciones operación intercambiadores calor nanofluidos.

Conclusiones

1. Nanofluidos TiO₂-agua estables logrados 6 % peso dispersante pH 8; medidas transmitancia confirman calidad dispersión.
2. En tubos acanalados espiral, flujo turbulento produce mayor mejora transferencia calor con aumentos fricción comparativamente menores.
3. Tubos acanalados proveen impulso transferencia calor >250 % sobre tubos lisos para 0,5 % peso carga TiO₂.
4. Rendimiento integral óptimo tubos acanalados ocurre Re ≈ 2300; tubos lisos, rendimiento mejora continuamente mayores números Reynolds.