Stabilität und natürliche Konvektion von TiO₂-Wasser-Nanofluid in gedrehten Behältern: Experimentelle Ergebnisse

Zusammenfassung

Diese Studie untersucht die Stabilität und die Wärmeübertragungsleistung bei natürlicher Konvektion von TiO₂-Wasser-Nanofluid in quadratischen Behältern, die um –45°, 0°, 45° und 90° gedreht wurden. Die Stabilität wurde durch Zugabe von 6 Gew.-% Dispergator bei pH 8 optimiert, was die geringste Transmittanz und beste Dispersion ergab. Die Experimente variierten die Partikelbeladung (0,1–0,5 Gew.-%) und die Heizleistung (1–20 W). Die 0°-Orientierung lieferte die höchsten Nusselt-Zahlen, gefolgt von 45° und 90°, während –45° die niedrigsten Werte zeigte. Der Wärmetransport nahm mit steigender Partikelbeladung und Leistung zu, wobei die relative Verbesserung bei höherer Leistung aufgrund von Viskositätseffekten abnahm.

Hintergrund

Nanofluide bieten eine überlegene thermische Leitfähigkeit und sind daher für Wärmeübertragungsanwendungen, insbesondere natürliche Konvektion, attraktiv. Zahlreiche numerische Studien haben Al₂O₃-Wasser-, CuO-Wasser- und TiO₂-Wasser-Systeme untersucht, doch experimentelle Daten zu gedrehten Behältern sind rar. Diese Arbeit schließt diese Lücke, indem sie empirische Beweise dafür liefert, wie Rotation die Konvektion in TiO₂-Wasser-Nanofluids beeinflusst.

Methodik

Herstellung und Stabilitätsbewertung

TiO₂-Nanopartikel (≈10 nm, plättchenförmige Morphologie) wurden in einem zweistufigen Prozess in deionisiertem Wasser dispergiert: mechanisches Rühren (30 Min.) gefolgt von 40 Min. Ultraschallbehandlung. Die Dosierung von 6 Gew.-% Dispergator und die pH-Einstellung auf 8 ergaben die stabilste Suspension, bestätigt durch minimale Sedimentation nach 72 h und ein Transmittanz-Minimum von τ ≈ 0,2. Die Partikelgrößenverteilung wurde durch REM, TEM und XRD verifiziert, wobei die nach Scherrer bestimmte Kristallitengröße 6–9 nm betrug.

Experimenteller Aufbau

Drei rechteckige Behälter (B × H: 10×20 cm, 5×20 cm, 20×20 cm) wurden aus Kupfer gefertigt, mit einer beheizten linken Wand (Silikonheizfolie) und einer gekühlten rechten Wand (Wasserbad). Sechs Thermoelemente maßen die Wandtemperaturen, und der Wärmeverlust wurde durch einen Durchflussmesser quantifiziert. Der Aufbau ermöglichte die Rotation des Behälters relativ zur Schwerkraft, um vier Winkel zu untersuchen: –45°, 0°, 45°, 90°.

Datenverarbeitung

Wesentliche Gleichungen:

• Wärmeeintrag: Q = U·I
• Nettoperformance: Qₙₑₜ = Q – Qₗₒₛₛ
• Mittlere Heißwandtemperatur: Tₕ* = (T₁+…+T₆)/6
• Effektive Heißwandtemperatur: Tₕ = Tₕ* – Qₙₑₜ·δ/(A·λ_w)
• Konvektionskoeffizient: h = Qₙₑₜ/[A(Tₕ–T₍C₎)]
• Nusselt-Zahl: Nu = h·W/λ_f

Die Unsicherheitsanalyse ergab 5,65 % für h und 6,34 % für Nu, was die experimentelle Zuverlässigkeit bestätigt.

Ergebnisse und Diskussion

Validierung

Die gemessenen Nusselt-Zahlen für reines Wasser stimmen mit Literaturwerten innerhalb von <9 % Fehler über Aspektverhältnisse A = 1:2, 1:4, 1:1 überein, was die Systemgenauigkeit bestätigt.

Aspektverhältnis A = 1:2

Nu stieg mit dem Rotationswinkel bis 0° an, fiel dann bei 45° und 90° ab. Der Fall –45° zeigte die niedrigsten Nu-Werte aufgrund eingeschränkter auftriebsgetriebener Strömung. Eine Erhöhung der Partikelbeladung von 0,1 auf 0,5 Gew.-% steigerte Nu um bis zu 29 % bei 1 W, doch der relative Gewinn nahm bei 20 W aufgrund steigender Viskosität ab. Die Erhöhung der Heizleistung von 1 auf 20 W verstärkte Nu um bis zu 581 % (0,5 Gew.-%, 0°).

Aspektverhältnis A = 1:4

Ähnliche Trends wie bei A = 1:2, aber absolute Nu-Werte waren niedriger. Verbesserungsfaktoren für 0,5 Gew.-% bei 0° reichten von 6,5 % (1 W) bis 20,7 % (5 W). Wärmetransportgewinne von 1 auf 20 W erreichten 242–702 %.

Vergleich der Aspektverhältnisse

Nu stieg mit zunehmendem Aspektverhältnis: A = 1:1 > A = 1:2 > A = 1:4. Das 0,5 Gew.-%-Nanofluid erreichte bis zu 701 % höhere Nu als Wasser in der besten Konfiguration (A = 1:1, 0°, 20 W). Die Verbesserung von 0,1 auf 0,3 Gew.-% war stärker ausgeprägt als von 0,3 auf 0,5 Gew.-%, was das Gleichgewicht zwischen Leitfähigkeit und Viskosität widerspiegelt.

Schlussfolgerungen

1. Die Stabilität wird durch 6 Gew.-% Dispergator bei pH 8 maximiert.
2. Der Rotationswinkel 0° liefert die höchsten Nu-Werte; –45° die niedrigsten.
3. Höhere Aspektverhältnisse verbessern den Wärmetransport deutlich (bis zu 224 % Steigerung).
4. Nu nimmt mit der Partikelbeladung zu, aber der relative Nutzen nimmt bei hoher Leistung ab.
5. Insgesamt kann Nu um bis zu 701 % im Vergleich zu reinem Wasser gesteigert werden.