Heat transfer analysis of nanofluids and phase change materials
- Autores: Michelle Macdevette
- Directores de la Tesis: Timothy Myers (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2014
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Tomás Alarcón Cor (presid.) , Sarah L. Mitchell (secret.) , Juan de la Cruz de Solà-Morales i Rubio (voc.)
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- Resumen
La nanotecnología va conquistando el mundo día a día, de dentro hacia fuera, tal y como Richard Feynman proclamó en su charla titulada There is plenty of room at the bottom (Hay mucho espacio vacío allí abajo) en la década de los 50.
Actualmente, la nanotecnología tiene impacto sobre multitud de áreas incluyendo medicina, producción y almacenamiento de energía, etc. La investigación nanotecnológica es primordial en campos como la química, la física, la biotecnología y la ingeniería. Hasta el momento, la modelización matemática ha tenido un rol minoritario en este campo. Uno de los objetivos principales de esta tesis es compensar este desequilibrio. La parte final de la tesis trata sobre tres problemas relacionados con la modelización de fenómenos en la nanoescala. Los diferentes capítulos de la tesis tienen un denominador común: el uso del Heat Balance Integral Method (HBIM), un método para encontrar soluciones aproximadas que ha permitido progresar en el estudio analítico de los diferentes modelos.
El capítulo 2 contiene una descripción y validación completa de la versión estándar del HBIM en coordenadas cartesianas.
En el capítulo 3 el HBIM y sus variantes se aplican al problema de Stefan en geometría esférica y cilíndrica. Se observa como una transformación sobre el dominio del problema mejora notablemente la eficacia de este método. Los resultados obtenidos se utilizan en los siguientes capítulos.
En el capítulo 4 se desarrolla un modelo que describe el cambio de fase de un cubo al ser calentado en su superficie, proceso que se utiliza en sistemas de almacenamiento de frío. Los resultados muestran como evoluciona el cambio de fase. Al comparar las soluciones del modelo con datos experimentales los resultados son excelentes.
En el capítulo 5 se introduce el concepto de nanofluido. Se investiga la estabilidad de las nanopartículas suspendidas en un fluido, se presenta un debate sobre la validez del continuo en la nanoescala y se describen las propiedades físicas de un nanofluido. También se detalla como se modelizan las propiedades de estos fluidos. En el capítulo 6 se deriva una expresión analítica simple para la conductividad térmica y la difusividad de un nanofluido. El modelo describe con precisión una amplia gama de datos experimentales y predice valores significativamente mayores que el modelo clásico de Maxwell, el cual no se ajusta a los datos.
El capítulo 7 contiene un análisis del flujo en la capa límite del nanofluido. Se demuestra como el movimiento browniano y la termofóresis son irrelevantes como mecanismos de transmisión del calor y como el coeficiente de transmisión del calor decrece con la concentración de nanopartículas, contrariamente a los resultados obtenidos en estudios. En consecuencia, en la sección final del capítulo se debaten los errores de algunos de los artículos más citados en este campo.
En el capítulo 8 se considera un nanofluido como el material de cambio de fase (phase change material, PCM) en un proceso de fusión por contacto (contact melting). Se modifica el modelo del capítulo 4 para que tenga en cuenta las propiedades termo-físicas variantes del nanofluido. Se analiza el tiempo total de cambio de fase y la velocidad del proceso.
Se observa que las ventajas del uso de nanofluidos como PCM en este tipo de procesos depende del tamaño del sistema, lo cual cuestiona los aclamados beneficios de los nanofluidos como innovadores PCMs.
En el capítulo 8 se considera un nanofluido como el material de cambio de fase en un proceso de fusión por contacto. Se modifica el modelo del capítulo 4 para que tenga en cuenta las propiedades termo-físicas variantes del nanofluido. Se analiza el tiempo total de cambio de fase y la velocidad del proceso. Se observa que las ventajas del uso de nanofluidos como material de cambio de fase en este tipo de procesos depende del tamaño del sistema, lo cual cuestiona los aclamados beneficios de los nanofluidos como innovadores materiales de cambio de fase.
