Experimental characterization of nanofluids as heat transfer media

Nanofluids are formed by solid particles with nano-sized dimension (1-200 nm) dispersed into common fluids. From the beginning, they have been proposed as heat transfer media, considering the high thermal conductivity of solid nanoparticles compared to the inherently poor thermal properties of conventional heat transfer fluids. In the last years, an exponential increase of publications on nanofluids is occurred. However, nanofluids are complex fluids, literature experimental works are often controversial and theoretical investigations must to be deepened. A big issue concerns the production of stable and reliable fluids, since different nanoparticles can be prepared with different methods and, also, different nanofluids derive from different preparation techniques. In this work, nine nanofluids were analysed. The stability of the suspension was evaluated considering the mean size distribution of nanoparticles in suspension using the DLS technique. In addition, the ζ potential and the pH of the nanofluids were measured for the stability analysis. For stable nanofluids, the study of the thermophysical properties is necessary to understand their energy behaviour. Therefore, thermal conductivity and dynamic viscosity were determined experimentally. The final objective of this work is to investigate the convective heat transfer capabilities of nanofluids. For this purpose, an experimental apparatus was built in order to measure the convective, single phase heat transfer coefficient of nanofluids, at constant wall heat flux. After an intense work of experimental measurement on several nanofluids, a nanofluid with extraordinary thermophysical properties was not found, in spite of some results published in the literature. Amongst all the studied suspensions, it seems metal nanoparticles are the most promising. More concentrated nanofluids, with the proper surfactants, are under study.

I nanofluidi sono costituiti da particelle solide di dimensione nanometrica (1-200 nm) disperse all’interno di fluidi comuni. Considerata l’elevata conduttività termica delle nanoparticelle solide rispetto alle proprietà termiche intrinsecamente scarse dei fluidi convenzionalmente usati per lo scambio termico, i nanofluidi sono stati inizialmente proposti come fluidi termovettori caratterizzati da interessanti proprietà termiche. Negli ultimi anni, il numero di pubblicazioni sui nanofluidi ha avuto una crescita esponenziale. Tuttavia, i nanofluidi sono fluidi complessi e i lavori sperimentali che si trovano in letteratura presentano spesso risultati tra loro discordanti e imprecisi, non supportati da valutazioni teoriche che devono essere approfondite. Uno dei principali problemi riguarda la produzione di sospensioni stabili, affidabili e riproducibili. In questo lavoro, sono stati presi in considerazione nove diversi nanofluidi, in acqua o glicole e con nanoparticelle di ossidi, metalli o carbonio, per valutare le possibili differenze tra i fluidi risultanti. Ogni fluido è stato attentamente caratterizzato. Per ogni nanofluido, la stabilità della sospensione è stata valutata considerando la distribuzione della dimensione media delle nanoparticelle in sospensione, utilizzando la tecnica DLS (Dynamic Light Scattering). Inoltre, per l'analisi di stabilità, sono stati misurati anche il potenziale ζ ed il pH dei nanofluidi. Per i nanofluidi che sono risultati stabili, si è proceduti con lo studio delle proprietà termofisiche, necessario per comprendere il loro potenziale impiego energeticamente favorevole in applicazioni specifiche. Per questo motivo, sono state misurate la conduttività termica e la viscosità dinamica. L'obiettivo finale di questo lavoro è stato quello di indagare le capacità di scambio termico convettivo dei nanofluidi. A questo scopo, è stato progettato e costruito un apparato sperimentale per misurare il coefficiente di scambio termico monofase convettivo, in condizione di flusso termico di parete costante. Dopo un intenso lavoro di misura sperimentale su più nanofluidi, non è stato trovato alcun nanofluido con straordinarie proprietà termofisiche, nonostante alcuni risultati pubblicati in letteratura che avevano posto le basi iniziali per questa tesi. Tra tutte le sospensioni studiate, quelle con nanoparticelle metalliche sembrano le più promettenti. Per questo motivo, nanofluidi più concentrati, con surfattanti adatti, sono in fase di studio.