Nanofluidos

a) Origen.

La transferencia de calor tiene una gran importancia en muchos campos de la tecnología actual como puede ser generación de energía, aire acondicionado, transporte, energías renovables, microelectrónica…etc. Sin embargo, los fluidos convencionales empleados como “heat transfer” poseen bajas conductividades térmicas, así como, una transferencia de calor débil. Por ello, surge la necesidad de estudio y mejora de estos fluidos

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caloportadores con distintas técnicas que pretenden mejorar la actuación como “heat transfer” y una mejora de la conductividad térmica.

Una de las técnicas que se emplean es la adición de las partículas alfluido. En 1873, Maxwell propuso la adición de partículas sólidas en una base fluida paraincrementar la conductividad térmica del fluido. Es sabido que la conductividad térmica de las partículas sólidas es mucho más alta que la de los fluidos, por lo que al adicionar partículas sólidas al fluido se esperaba un aumento de la conductividad térmica de la suspensión y una mejor actuación en la transferencia de calor. Pese a su aparente idealidad, las aplicacionesprácticas de esta adición de micropartículas presentaba una serie de limitaciones considerables como lo son: la sedimentación de las partículas, posibles atascos en los canales de flujo o tuberías, erosión de tuberías y caída de presión.

(Pedraza P. , 2016, pág. 36)

Con el fin de mejorar el rendimiento general del sistema, se han introducido una serie de conceptos destacados. El uso de superficies extendidas y el empleo de aditivos sólidos en líquidos son métodos comunes para el aumento de la transferencia de calor.

Independientemente de todas estas prácticas, los experimentos previos para potenciar la transferencia de calor con líquidos tradicionales tales como agua, aceite y etilenglicol nunca se materializan debido a la baja conductividad térmica. Con los esfuerzos de investigación revigorizados para resolver el problema, Choi demostró la funcionalidad de los nanofluidos como tales, para ello, profundizo en la cantidad de calor que era posible transportar por medio de la adición de partículas de tamaño nanométricas de cobre y aluminio que quedaban suspendidas en agua u otros líquidos. Las nanopartículas podían ser de cobre, aluminio, plata y óxidos, entre otros; por otro lado, los fluidos anfitriones podían ser agua, aceite o etilenglicol. Las propiedades térmicas del nanofluido caloportador dependen del tamaño de las partículas suspendidas, forma y concentración. Su aplicación mejoraría la eficiencia energética pudiendo trabajar con equipos más pequeños, ligeros y más baratos. Hasta el momento, se utilizaban micropartículas para mejorar la transferencia de calor, pero debido al tamaño micro de las partículas se producía la sedimentación de estas en el fluido, de modo que se producía el depósito de las partículas al fondo de la tubería o del tanque. Adicionalmente, estas partículas que fluían por el interior de los tubos podían dañar la superficie interior de las tuberías. Cuando se añadían nanopartículas este problema quedaba solventado ya que

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estas nanopartículas se mueven realizando un tipo de movimiento, denominado movimiento Browniano y permanecen en equilibrio el peso y la agitación térmica.

Hasta ahora los nanofluidos han demostrado ventajas de gestión térmica sin límites con sus características únicas y distintivas. Las propiedades pertinentes esenciales para el flujo de fluido y la transferencia de calor incluyen la densidad, el calor específico, la tensión superficial, la conductividad térmica, la expansión térmica y la viscosidad. Sin embargo, la evaluación de estas propiedades depende de los estados subyacentes de temperatura, fracción volumétrica, fluido base, pH, material particulado, forma y tamaño de las partículas. Por otra parte, los investigadores han tratado de establecer la relación de propiedad teórica y empírica en términos de estos parámetros distintos (…). (Akilu, K.V., & Rizalman, 2016, pág. 654)

b) Materiales.

Las nanopartículas usadas en los nanofluidos se hacen de varios materiales, como óxidos (Al2O3, CuO), nitruros (AlN, SiN), carburos (SiC, TiC), metales (Cu, Ag, Au), semiconductores (TiO2, SiC), nanotubos de carbón y materiales compuestos como aleaciones de partículas Al70Cu30. Existen otros materiales y estructuras completamente nuevos, como son los materiales que están “dopados” con moléculas en su interface sólido-líquido. Para preparar los nanofluidos se ha usado agua, etilenglicol y aceite como fluidos base. (Guerra, 2012, pág. 11)

c) Propiedades.

La eficacia global de un proceso de transferencia de calor depende de los coeficientes convectivos de transferencia de calor. Las propiedades termofísicas de los nanofluidos como la densidad, el calor específico, la conductividad térmica y la viscosidad son esenciales y deben conocerse con antelación. Se han desarrollado varios modelos para la evaluación de propiedades de los nanofluidos. Sin embargo, el desarrollo de ecuaciones generalizadas aplicables a una amplia gama de parámetros puede ser una tarea difícil. (Akilu, K.V., & Rizalman, 2016, pág. 655)

Densidad.

La adición de una pequeña fracción de nanopartículas sólidas a un líquido base mejoraría sistemáticamente la densidad de la mezcla, esto se debe a que la densidad de sólidos es mayor que los líquidos. La densidad en los nanofluidos requiere la estimación de las densidades de material y concentraciones volumétricas del componente. Se han realizado estudios para determinar la densidad de nanofluidos para diferentes tamaños

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de partícula (1-100 nm), temperaturas (5-60 °C) y concentraciones volumétricas (0- 5,0%). Por ejemplo, en una investigación anterior se observó un aumento de aproximadamente 10% en la densidad de Al2O3 (33 nm) / nanofluido agua a 4,0% vol.

Cuando la densidad del nanofluido disminuyó en un 5% y la temperatura aumentó de 25 a 40 ° C. En otro caso se informó que la densidad de Al2O3 (40 nm) / nanofluido agua aumentaba en un máximo de 3% para una concentración de 2,0% vol. Sin embargo, se observó una disminución máxima del 3,8% en densidad a una temperatura de 60ºC.

La densidad de los nanofluidos se calculará usando los modelos descritos en Zhang et al. (2007), para esto se presentan las ecuaciones: (Guerra, 2012, pág. 14)





f v p

ef fρ  ρ 1 ρ

p w f w p

f w

v ρ ρ ρ

ρ









 







p.f w p.p

p.ef f C C

C    1 Donde:

v = Fracción en volumen de las nanopartículas

w = Fracción en peso de las partículas

ρf = Densidad del fluido (g/cm³) ρp = Densidad de las partículas (g/cm³)

Cp.p = Calor específico de las partículas (J/kg.ºC) Cp.f = Calor específico del fluido (J/kg.ºC) Calor específico.

El calor específico de un nanofluido puede expresarse como una mezcla de capacidades térmicas de fases sólida y líquida cuando las fases están en equilibrio térmico. Zhou y Ni han observado una reducción de hasta 45% en el calor específico de Al2O3 (40 nm) / agua, con el aumento de la concentración de partículas de alúmina del 0% al 21,7% vol.

a 33 ° C.

(…) Por otro lado, ciertos informes contradictorios revelaron que el calor específico del nanofluido no es afectado por el cambio de temperatura, pero disminuiría con el aumento de la concentración. (Akilu, K.V., & Rizalman, 2016, pág. 657)

Conductividad térmica.

La conductividad térmica mejorada del nanofluido es uno de los factores importantes que afecta a la transferencia de calor convectivo del nanofluido. Por lo tanto, es

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imprescindible estudiar la conductividad térmica del nanofluido para diseñar un buen líquido de intercambio de calor.

 Efecto de la concentración volumétrica.

Aunque las mediciones de la conductividad térmica de los nanofluidos iniciados con nanopartículas de óxido no atrajeron el interés de los investigadores hasta que se mostraron una mejora drástica de la conductividad térmica por la adición de nanopartículas de cobre. Así, las investigaciones sobre los nanofluidos metálicos han abierto una nueva perspectiva con una conductividad térmica altamente aumentada con fracciones de bajo volumen de partículas.

Sin embargo, hay un comportamiento no lineal entre la conductividad térmica y la concentración de volumen de partículas, se observó con el nanofluido Fe-etilenglicol que el valor medido fue superior, también se observó la relación no lineal de los nanofluidos a base de agua que contienen nanopartículas de TiO2 esféricas y en forma de barra.

(…)El aumento de la conductividad térmica del nanofluido ZnO demostró una relación no lineal con respecto a la fracción volumétrica y el tamaño del cristalito. Sin embargo, los incrementos en la fracción volumétrica y el tamaño del cristalito influyen en la mejora. Masuda midió la conductividad térmica de los nanofluidos de Al2O3-agua experimentalmente y observó no sólo un 32,4% de mejora para una carga de 4,3% de nanopartículas sino también una relación lineal con la fracción de volumen de partículas.

Liu presentó un estudio sobre la mejora de la conductividad térmica del agua en presencia de cobre mediante un método de reducción química. Sus resultados mostraron que los nanofluidos Cu-agua con baja concentración de nanopartículas tenían conductividades térmicas superiores a las del agua, y la conductividad térmica se mejoró hasta 23,8% para las nanopartículas de Cu de concentración volumétrica del 1%.

Muchos investigadores presenciaron la mejora de la conductividad térmica del nanofluido con el aumento de la fracción de volumen de partículas. También se observa que la conductividad térmica de los nanofluidos Fe2C/agua aumenta con el aumento tanto de la concentración de peso de las nanopartículas como de la temperatura.

 Efecto del material de partículas.

El material de partículas es uno de los factores clave que afectan la conductividad térmica de los nanofluidos. En primera vista, la alta conductividad térmica puede aumentar la conductividad térmica de los nanofluidos, pero la adición de nanopartículas

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CuO causa mejoras en lugar de la adición de nanopartículas de Al2O3. Es importante señalar que la conductividad térmica de Alúmina es superior al óxido de cobre, esto demuestra que la conductividad térmica del material de partícula no puede dictar el movimiento browniano de las nanopartículas, puesto que las nanopartículas de Al2O3

forman aglomerados más grandes que CuO que disminuye el movimiento browniano.

El nanofluido de plata tiene la conductividad térmica más alta comparada con los nanofluidos de cobre. (Raja, Vijayan, Dineshkumar, & Venkatesan, 2016, pág. 166)

 Efecto del tamaño de partícula.

El tamaño de partícula desempeña un papel importante en el aumento de la conductividad térmica de los nanofluidos. Investigaciones anteriores estudiaron nanopartículas de Cu de 10 nm de tamaño, con etilenglicol como fluido base y se observó un aumento de la conductividad térmica de alrededor del 40% a una fracción volumétrica de 0.3% (con ácido tioglicólico). Mientras que la adición de 4% de volumen de concentración de 23,6 nm de tamaño CuO mejora sólo el 20% en el nano fluido con etilenglicol. De los estudios anteriores se concluye que las partículas de pequeño tamaño influyen más, lo que también está en desacuerdo con la predicción del modelo de Hamilton, en la que el tamaño de partícula no es un componente.

El movimiento browniano de las nanopartículas y la formación de capas líquidas alrededor de las nanopartículas son dos mecanismos importantes para el aumento de la conductividad térmica de los nanofluidos. Cuando el tamaño de partícula disminuye, los mencionados mecanismos son muy activos e influyen en la conductividad térmica de los nanofluidos. Sin embargo, los resultados contradictorios también se informan en la literatura que evidencian la disminución de la conductividad térmica con la disminución del tamaño de partícula. Está disponible en el caso de las nanopartículas de Al2O3

principalmente debido a la agrupación de pequeñas nanopartículas. Es importante recordar que la agrupación es más pronunciada en el nanofluido con partículas más pequeñas, el papel de la agrupación es reiterado nuevamente por Hong después de investigar su efecto en el nanofluido Fe (10 nm) / etilenglicol, como resultado de estas observaciones, se concluyó que el tamaño de los conglomerados formados por las nanopartículas tenía una influencia importante sobre la conductividad térmica.

Karthikeyan estudió la síntesis de nanopartículas de CuO con un diámetro medio de 8 nm utilizando una técnica de precipitación simple y observando las propiedades térmicas de las suspensiones. El agua y el etilenglicol se tomaron como fluidos base, y se dispersó

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1% de concentración en volumen de nanopartículas de CuO. Sus resultados revelaron que la conductividad térmica aumenta con un aumento en el tamaño de partícula y dispersión mono de nanopartículas. (Raja, Vijayan, Dineshkumar, & Venkatesan, 2016, pág. 166)

 Efecto de la forma de la partícula

En la literatura, un número limitado de estudios se reportan relacionados con el efecto de la morfología de las partículas o relación de aspecto en la conductividad térmica de un nanofluido. La investigación sobre la conductividad térmica de las nanopartículas de SiC esféricas y cilíndricas en agua y etilenglicol revela la influencia de la forma de las partículas en los nanofluidos. Las partículas esféricas con un diámetro medio de 26 nm y partículas cilíndricas con un diámetro medio de 600 nm producen una mejora del 15,8%, 22,9%, respectivamente. A partir del resultado es evidente que las nanopartículas cilíndricas proporcionan un aumento de la conductividad térmica más alto que las partículas esféricas.

La conductividad térmica efectiva de tres nanofluidos a base de agua consistentes en nanotubos de carbono (CNTs) de nanopartículas de gran formato, nanocables de plata, nanocables de cobre, se midieron mediante un método de cableado transitorio. La funcionalidad hace que el nanofluido de los CNT sea más estable y se observa que la longitud de los CNT desempeña un papel vital en el aumento de la conductividad térmica de los nanofluidos. (Akilu, K.V., & Rizalman, A review of thermophysical properties of water based composite nanofluids, 2016, pág. 659)

 Efecto de la temperatura

El cambio de temperatura afecta al movimiento browniano de las nanopartículas y el agrupamiento de nanopartículas, lo que resulta en cambios dramáticos de la conductividad térmica de los nanofluidos con la temperatura. La conductividad térmica de los nanofluidos que contienen Al2O3, SiO2 y TiO2 en el agua ilustra la tendencia decreciente con la temperatura. Considerando que la tendencia creciente de la conductividad térmica con la temperatura se estableció para Al2O3-agua y CuO- agua, también se observa que una relación lineal entre la relación de conductividad térmica y la temperatura se observó para los dos nanofluidos. Un análisis de regresión basado en los datos experimentales mostró que la dependencia de la fracción de volumen de partículas de la conductividad térmica es mucho mayor que la dependencia de la temperatura.

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La conductividad térmica del nanofluido Al2O3, SiO2 y TiO2 basado en metanol muestra un aumento entre 0,5% y 3,9%.Xuan estudió la conductividad térmica del nanofluido basado en cobre con la ayuda de un aparato transitorio de alambre caliente y observaron un gran aumento que el fluido base y también sugirieron un enfoque convencional modificado, conocido como modelo de dispersión en el que la velocidad de deslizamiento entre el sólido- líquido no puede ser cero debido a muchos factores como la gravedad, la fuerza Browniana, la fuerza de fricción entre la mezcla sólido-líquido, la difusión Browniana, la sedimentación y la dispersión que ocurre simultáneamente en el flujo principal. También observaron que los modelos clásicos disponibles no son apropiados para predecir la conductividad térmica.

Mintsa investigó los efectos de la fracción volumétrica de partículas, la temperatura y el tamaño de partícula sobre la conductividad térmica de los fluidos de alúmina-agua y óxido de cobre-agua. Desde el experimento se observa que la conductividad térmica efectiva aumenta con un aumento en la concentración de volumen de partícula y con una disminución en el tamaño de partícula. El aumento relativo de la conductividad térmica fue significativo a altas temperaturas.

Vajjha por su parte menciona que la conductividad térmica de tres diferentes nanofluidos como el óxido de aluminio, óxido de cobre y óxido de zinc suspendidas en etilenglicol y una mezcla de agua, los estudios se realizaron para un máximo de 10% de concentración en volumen entre los rangos de temperatura de 298 K y 363 K. Los resultados mostraron que el aumento de la conductividad térmica se logra con el aumento de la concentración volumétrica de nanopartículas, y hay un incremento sustancial con un aumento en temperatura.

Los portadores térmicos dentro de las partículas y el movimiento browniano de las partículas se identifican como los dos mecanismos vitales que causan el aumento de la conductividad térmica. El movimiento browniano de nanopartículas se establece evaluando la velocidad media en una dirección preferida y la trayectoria libre media de la nanopartícula. Se han evaluado los modelos empíricos y teóricos disponibles para la conductividad térmica de nanofluidos comparando los datos experimentales con los predichos para una gama completa de condiciones de prueba. Se encontró que los modelos existentes proporcionan imprecisiones (sobre / sub-predicciones) en el rango de 2,34-58%. Un nuevo modelo fue propuesto por Mallick empleando los números de Prandtl, Reynolds y Brinkman, que representan los efectos de la micro convección, la

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turbulencia localizada y la relación de transferencia de calor por difusión a la conducción de partículas y fluidos sobre la conductividad térmica de los nanofluidos. La evaluación del nuevo modelo desarrollado mediante la comparación de los resultados previstos con los datos experimentales reveló que el nuevo modelo está dentro del 5% de precisión para una amplia gama de datos. (Raja, Vijayan, Dineshkumar, & Venkatesan, 2016, págs. 166-167)

 Efecto del pH

La variación en la conductividad de los nanofluidos observada por varios investigadores puede ser debido a la presencia de gradiente de temperatura en diferentes valores de pH.

Algunos investigadores observaron que el aumento de la conductividad puede lograrse con el ajuste del pH del nanofluido. Los investigadores encontraron un aumento de conductividad de 2,7% con Al2O3 (50 nm) / agua a pH 10,94 comparado con Al2O3 (50 nm) dispersado en solución neutra tamponada de pH 7 para concentración de 1,5% vol.

Wang y Fang observaron un valor máximo de conductividad del Al2O3 (25-60 nm) cuando la carga superficial de una partícula está muy lejos del punto isoeléctrico. Se observó una mejora máxima de conductividad de 9% y 10% a un valor óptimo de pH, equivalente a 8,0 para 0,1% en peso y 0,2% en peso, respectivamente. Se explicó además que las fuerzas repulsivas entre las partículas o el potencial zeta (rather) bastante alto sostienen el fluido en un estado altamente disperso. Las fuerzas repulsivas sobre la superficie de las nanopartículas aumentan con el valor de pH de una suspensión del punto isoeléctrico, lo que da lugar a una mayor movilidad de las partículas en la suspensión. Este fenómeno desencadena la microconvección y da como resultado una eficiencia de transporte.

(…)Los resultados de la investigación apoyan la relación entre pH y estabilidad de los nanofluidos. Gran agregación resulta cuando la fuerza de repulsión de partícula-partícula es débil. A medida que el pH se desplaza hacia la región ácida, la densidad de carga superficial aumenta y, por lo tanto, se inhibe la agregación de partículas. Una vez que se alcanza la estabilidad de la dispersión, pueden obtenerse mayores valores de conductividad térmica. Sin embargo, según Timofeeva un cambio en el pH puede afectar posiblemente a la viscosidad sin consecuencias negativas para el aumento de knf de los nanofluidos. (Akilu, K.V., & Rizalman, 2016, págs. 660-661)

55 Viscosidad.

La viscosidad en general es la fuerza de resistencia interna para el fluido y por lo tanto es un parámetro importante para todas las aplicaciones de transferencia de calor. En flujo laminar, la caída de presión es directamente proporcional a la viscosidad. Además, el coeficiente de transferencia de calor convectivo también está influido por la viscosidad. Por lo tanto, la viscosidad es tan importante como la conductividad térmica en sistemas de ingeniería que impliquen flujo de fluido. Sin embargo, existen trabajos muy limitados sobre la viscosidad de los nanofluidos, aunque la viscosidad parece ser una propiedad significativa y debe tenerse en cuenta para estudios de rendimiento de transferencia térmica.

(Raja, Vijayan, Dineshkumar, & Venkatesan, 2016, pág. 164)

 Efecto del tamaño de partícula

El efecto del tamaño de partícula sobre la viscosidad de los nanofluidos se convirtió en un debate ya que el investigador publicó resultados en contra. La viscosidad del nanofluido de Al2O3-agua con partículas más pequeñas (36 nm) es comparable con el mismo nanofluido con nanopartículas comparativamente más grandes (47 nm) cuando la concentración de volumen es pequeña (<4%). Sin embargo, para una mayor concentración volumétrica (>4%) el efecto del tamaño de partícula es significativo y la viscosidad del nanofluido con una nanopartícula más pequeña se muestra considerablemente menor que los nanofluidos con partículas más grandes. La misma tendencia se encuentra en el nanofluido TiO2-agua; Es decir, mayor tamaño de partícula muestra mayor viscosidad que la de las partículas más bajas.

Por otro lado, pocos investigadores publicaron resultados contrarios, el nanofluido Al2O3-etilenglicol desafía por encima de los hechos y muestran que las partículas más pequeñas aumentan la viscosidad en comparación con las partículas más grandes. La misma tendencia se encuentra para Al2O3-agua, CuO-agua y SiO2-agua. Después de investigar el nanofluido de Al2O3-propilenglicol, se informó que el tamaño de las partículas no dará un efecto significativo sobre la viscosidad del nanofluido.

 Efecto de la concentración volumétrica

Muchas investigaciones revelan que la viscosidad del nanofluido es una función de concentración de volumen y casi todos los investigadores están de acuerdo. La viscosidad del líquido nano de Al2O3-agua es relativa a la carga de partículas y se comporta como un líquido newtoniano para concentraciones de bajo volumen (menos del 4%). La misma afirmación es reiterada una vez más por Prasher ya que la magnitud