Development of new heat transfer media for improving efficiency in energy systemsconventional fluids and nanofluids

Resum

This PhD Thesis aims to characterize different conventional thermal fluids and propose new nanofluids based on their thermophysical, rheological, (solid-liquid) phase equilibria and their capability to heat transfer or heat storage. The selected conventional fluids are commonly used in the majority of heat transfer systems such as ethylene glycol (EG), propylene glycol (PG), a (ethylene glycol + water) mixture at 50 vol.% (EG+W), or the (diphenyl ether + biphenyl) mixtures. The nanofluids were designed through the two-step method by dispersing metallic oxide nanoparticles (A-TiO2, A+R-TiO2, MgO, ZnO and ZrO2) at mass concentrations up to 25% in the mentioned base fluids. Thus, nine different nanofluids sets (viz. A-TiO2/EG, A-TiO2/PG, A+R-TiO2/EG, A+R-TiO2/PG, MgO/EG, ZnO/EG, ZnO/(EG+W), ZrO2/EG and ZrO2/(EG+W)) were designed. Throughout preparation of nanofluids, a special attention was focused on the morphological, size, purity and crystalline characterization of the nanopowders by means of transmission electron microscopy, scanning electron microscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy and X-ray diffraction, as well as the analysis of nanofluid stability through UV-Visible spectroscopy and dynamic light scattering. The thermophysical properties most influential in thermal applications i.e. density, viscosity, thermal conductivity and isobaric heat capacity have centred our efforts. Density was studied in the temperature range from (278.15 to 373.15) K and pressures up to 45 MPa through the vibrating tube technique, by using two atmospheric densimeters, a DMA 4500 and a SVM 3000 Stabinger, as well as a 512 P high pressure external cell (Anton Paar, Austria). The Tammann-Tait correlation and the equation proposed by Mikhailov et al. and modified by Guignon et al. were used to correlate the density data of conventional fluids and new nanofluids. Isobaric thermal expansivities, isothermal compressibilities, internal pressure coefficients and/or molar excess volumes were obtained from the experimental density data or correlations. Experimental nanofluid densities were also used to assess the goodness of Pak and Cho predictive equation. Atmospheric viscosities were measured in the range from (283.15 to 373.15) K by using an AMV 200 rolling ball viscometer and a SVM 3000 Stabinger viscometer based on a modified Couette principle, both from Anton Paar, Austria. Vogel-Fulcher-Tammann, Avramov-Milchev and MYEGA equations were utilized to correlate the viscosities of conventional fluids. The thermal conductivity behaviour was analysed from (283.15 to 343.15) K by means of a KD2-Pro (Decagon, USA), a TPS 2500 S Hot Disk Thermal Constant Analyzer (Hot Disk, Sweden) and a Direct Thermal Conductivity-meter DTC-25 (TA Instruments, USA), based on the transient hot-wire, transient plane source and parallel plates with guard plate methods, respectively. Different predictive equations such as Turian, Jeffrey, the parallel model and fitting equations as Hamilton-Crosser, Murshed and/or Yu-Choi were used to modelling the nanofluid thermal conductivity data. Isobaric heat capacities were studied at atmospheric pressure from (243.15 to 473.15) K with a DSC Q2000 (TA Instruments, USA) by using a quasi-isothermal temperature-modulated differential scanning technique, while a high-pressure flow calorimeter (TERMOCAL, Universidad de Valladolid, Spain) was employed to determine these values from (293.15 to 353.15) K for pressures up to 25 MPa. Different correlation models such as Tanaka and Higashi or Lugo et al. were utilized to provide isobaric heat capacities adjustments at high-pressure while different models based on mixing theory for ideal gas mixtures and classical-statistical mechanism were used with nanofluid data. In addition, a new equation was proposed in this PhD Thesis to correlate heat capacities of nanofluids. Rheological rotational and oscillatory tests were performed at temperatures ranging from (283.15 to 343.15) K by using an AR-G2 (TA Instruments, USA) and a Physica MR-101 rotational rheometer (Anton Paar, Austria). For Newtonian nanofluids Einstein, Krieger-Dougherty and Chow models were utilized together with the viscosity equations before-mentioned for conventional fluids. The Ostwald-de Waele model was utilized to describe the experimental shear dynamic viscosity data for non-Newtonian nanofluids in the shear thinning region. Furthermore, solid-liquid phase equilibrium from (243.15 to 373.15) K for the diphenyl ether + biphenyl binary system through the DSC Q2000 were experimentally measured. Wilson and NRTL equations as well as the predictive UNIFAC model were also employed to theoretically model liquidus temperatures. The heat transfer capability was assessed through different figures of merit such as Mouromtseff coefficient and/or ratios such as Prandtl, reference Grashof and Rayleigh numbers. Finally, convection heat transfer coefficients were also evaluated for a base fluid and a nanofluid by using an experimental setup (Istituto per le Tecnologie della Costruzione, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Italy) based on a Uniform Heat Flux Boundary condition. Furthermore, it was also assessed the goodness of different literature equations such as Shah-London, Gnielinski or Sieder-Tait to evaluate the heat transfer performance of these materials.Este Proyecto de Tesis Doctoral se enmarca dentro del proyecto, concedido por la Fundación Iberdrola en la “I Convocatoria de Ayudas a la Investigación en Energía y Medio Ambiente”, titulado “Estudio de nuevos fluidos basados en nanoaditivos para su uso eficiente en energías renovables (NanoEner)” y dentro de la Ayuda a la Investigación concedida por la Universidad de Vigo “Caracterización termofísica de fluidos nanoestructurados”. El objectivo de esta Tesis Doctoral se centra en el desarrollo de nuevos materiales con un impacto ambiental menor para su utilización en sistemas de transferencia de calor, sistemas de calefacción, ventilación, aire acondicionado y en el campo de la energía geotérmica y de la energía solar. Para ello se diseñarán nuevos fluidos térmicos, nanofluídos, formulados como dispersiones de nanopartículas (tipo óxido: ZnO, SnO2, TiO2, Fe2O3, Co3O4 y/o NiO, metálicas de Ag y nanotubos de carbono) en fluidos base convencionales (etilenglicol, agua, agua glicolada, mezclas binarias de difenil éter y bifenilo) y en líquidos iónicos, IoNanofluidos, formados por cationes de tipo imidazolio o pirrolidinio y por los aniones Tf2N y (CF3SO2)2N. Se realizará un estudio minucioso de la morfología y la distribución de tamaños del polvo seco de las nanopartículas y de la estabilidad de las dispersiones. Para ello se utilizará la microscopía electrónica de transmisión, microscopia electrónica de barrido, difracción de rayos X, espectroscopía UV-Vis y un Zetasizer. Además se estudiará el comportamiento reológico, conductimétrico y volumétrico de los nuevos nanofluídos en función del tipo de fluido base, de las características del nanoaditivo (tipo, tamaño y forma) y del pH de las dispersiones. Para ello se utilizará un reómetro Physica MCR 101 con una geometría cono-plato, un conductivímetro KD2 Pro basado en la técnica de hilo caliente transitorio y un densímetro basado en la técnica de tubo vibrante. El diseño a medida de fluidos térmicos, con objeto de mejorar las propiedades de transporte para aplicaciones específicas, es un tema atractivo y de un enorme interés por sus aplicaciones en diversos campos, siendo la utilización de nanopartículas en fluidos térmicos una opción interesante para la mejora de la conductividad térmica. Los nuevos materiales propuestos y las consolidadas técnicas experimentales disponibles en el laboratorio representan una contribución científico-técnica relevante e innovadora en un contexto internacional permitiendo establecer el marco idóneo para el adecuado desarrollo de este proyecto de Tesis Doctoral.Este Proxecto de Tese Doutoral enmárcase dentro do proxecto, concedido pola Fundación Iberdrola na “I Convocatoria de Axudas á Investigación en Enerxía e Medio Ambiente”, titulado “Estudo de novos fluídos baseados en nanoaditivos para o seu uso eficiente en enerxías renovables (NanoEner)” e dentro da Axuda á Investigación concedida pola Universidade de Vigo “Caracterización termofísica de fluídos nanoestructurados”. O obxectivo desta Tese Doutoral céntrase no desenvolvemento de novos materiais cun impacto ambiental menor para a súa utilización en sistemas de transferencia de calor, sistemas de calefacción, ventilación, aire acondicionado e no campo da enerxía xeotérmica e da enerxía solar. Para iso deseñaranse novos fluídos térmicos, nanofluídos, formulados como dispersións de nanopartículas (tipo óxido: ZnO, SnO2, TiO2, Fe2O3, Co3O4 e/ou NiO, metálicas de Ag e nanotubos de carbono) en fluídos base convencionais (etilen glicol, auga, auga glicolada, mesturas binarias de difenil éter e bifenilo) e en líquidos iónicos, IoNanofluidos, formados por catións de tipo imidazolio ou pirrolidinio e polos anións Tf2N e (CF3SO2)2N. Realizarase un estudo minucioso da morfoloxía e a distribución de tamaños do po seco das nanopartículas e da estabilidade das dispersións. Para iso utilizarase a microscopía electrónica de transmisión, microscopía electrónica de varrido, difracción de raios X, espectroscopía UV-Vis e un Zetasizer. Ademais estudarase o comportamento reolóxico, conductimétrico e volumétrico dos novos nanofluídos en función do tipo de fluído base, das características do nanoaditivo (tipo, tamaño e forma) e do pH das dispersións. Para iso utilizarase un reómetro Physica MCR 101 cunha xeometría cono-prato, un conductivímetro KD2 Pro baseado na técnica de fío quente transitorio e un densímetro baseado na técnica de tubo vibrante. O deseño a medida de fluídos térmicos, con obxecto de mellorar as propiedades de transporte para aplicacións específicas, é un tema atractivo e dun enorme interese polas súas aplicacións en diversos campos, sendo a utilización de nanopartículas en fluídos térmicos unha opción interesante para a mellora da condutividade térmica. Os novos materiais propostos e as consolidadas técnicas experimentais dispoñibles no laboratorio representan unha contribución científico-técnica relevante e innovadora nun contexto internacional permitindo establecer o marco idóneo para o adecuado desenvolvemento deste proxecto de Tese Doutoral.