Investigación de Rendimiento del radiador de automóvil operado con nanofluid basado AlO
Resumen: En este estudio, efecto de la adición de nanopartículas de Al2O3 a la base de líquidos (mezcla de EG + Agua) en el radiador del automóvil se investiga experimentalmente. Los radiadores son intercambiadores de calor compactos optimizados y evaluados teniendo en cuenta diferentes condiciones de trabajo. El sistema de refrigeración de un automóvil juega un papel importante en su rendimiento, se compone de dos partes principales, conocidos como radiador y el ventilador. Mejora de la eficiencia térmica del motor lleva a aumentar el rendimiento del motor, disminuyendo el consumo de combustible y reducir las emisiones contaminantes. Para este propósito, un montaje experimental fue diseñado. Efectos de la temperatura de entrada del fluido, la fracción de volumen de caudal y de partículas nano en la transferencia de calor se consideran. Los resultados muestran que número de Nusselt, la transferencia total de calor, la eficacia y generales coeficiente de transferencia térmica aumenta con el aumento, fracción de volumen de partículas nano, aire número de Reynolds y la tasa de flujo másico de refrigerante que fluye a través del radiador. Palabras clave: nanofluidos, Automóvil Radiador, Aumento de Transferencia de Calor nomenclatura Afr = Frontal Área del tubo Dha = Hidráulica diámetro del tubo Velocity G = masa en kg / m2s T = temperatura en grados C H = Longitud total de flujo de agua en m µ= Viscosidad dinámica N / sm2 H = coeficiente de transferencia de calor W / m2K f = factor de fricción de Fanning J = Colburn factorizar subíndices adimensionales K = conductividad térmica W / mK bf = Fluid Base Qt = transferencia de calor total W / m2K nf = nanofluid m = caudal másico Kg / s ai = temperatura de entrada de aire Δp= Pérdida de carga N / m2 nfo = salida nanofluid y
nfi = entrada nanofluid P = potencia de bombeo Watt, Re = número de Reynolds €= Eficacia.
I. Introducción
En un automóvil, combustible y aire producir energía dentro del motor a través de la combustión. Sólo una parte de la potencia total generada realmente suministrado al automóvil con el poder, el resto se pierde en forma de gases de escape y el calor. Si no se elimina el exceso de calor, la temperatura del motor es demasiado alta que da lugar a un sobrecalentamiento y la viscosidad desglose del lubricante debilitamiento de aceite, metal de las piezas del motor recalentado, y el estrés entre las piezas del motor que resulta en el desgaste más rápido, entre los puestos móviles relacionados. Un sistema de refrigeración se utiliza para eliminar este calor excesivo. La mayoría de los sistemas de refrigeración de automóviles constan de los siguientes componentes: radiador, bomba de agua, ventilador de refrigeración eléctrico, tapa de presión del radiador y termostato. De estos componentes, el radiador es la parte más prominente del sistema, ya que transfiere calor. Como refrigerante viaja a través del bloque de cilindros del motor, se acumula calor. Una vez que la temperatura del refrigerante aumenta por encima de un cierto valor umbral, el termostato del vehículo, se activa una válvula que fuerza al refrigerante a fluir a través del radiador. A medida que el refrigerante fluye a través de los tubos del radiador, el calor se transfiere a través de las aletas y paredes de tubo para el aire por conducción y convección El radiador es un accesorio importante del motor del vehículo. Normalmente, se utiliza como un sistema de refrigeración del motor y por lo general el agua es el medio de transferencia de calor .Para este sistema refrigerado por líquido, el calor residual se elimina a través de la circulación de refrigerante que rodea a los dispositivos o entrar en los canales de refrigeración en los dispositivos. El refrigerante es impulsado por las bombas y el calor es arrastrado principalmente por intercambiadores de calor. Desarrollo tecnológico continuo en la industria automotriz ha aumentado la demanda de motores de alta eficiencia. Un motor de alta eficiencia no sólo se basa en su rendimiento, sino también para una mejor economía de combustible y menos emisiones. La reducción de peso del vehículo por el diseño y el tamaño de un radiador de optimización es una necesidad para hacer que el mundo verde. La adición de aletas es uno de los enfoques para aumentar la velocidad de enfriamiento del radiador. Se proporciona una mayor área de transferencia de calor y aumenta el coeficiente de transferencia de calor por convección de aire. Sin embargo, enfoque tradicional de aumentar la velocidad de enfriamiento mediante el uso de aletas y micro-canal ya ha llegado a su límite. [1] Características de masas óptimas para un conjunto radiador tubo de calor para aplicaciones espaciales fueron investigados por Vlassov et al. [2]. Sus resultados mostraron que bajo ciertas combinaciones de parámetros de entrada, el conjunto con acetona HP puede ser más eficaz que el peso una con amoniaco, a pesar del criterio de factor de transporte de líquido indica una tendencia opuesta. Además, los fluidos de transferencia de calor en el aire y el lado del fluido como el agua, etilenglicol y mezcla de etileno glicol + agua (50:50) combinación de exposiciones muy baja conductividad térmica. Como resultado, existe una necesidad de nuevos e innovadores fluidos de transferencia de calor para mejorar la tasa de transferencia de calor en un radiador de automóvil. Nanofluidos parecen ser potencial sustitución de refrigerantes convencionales en el sistema de refrigeración del motor. Recientemente ha habido hallazgos de la investigación considerables destacando las actuaciones de transferencia de calor superiores de nanofluidos. Yu et al., [3] informaron de que alrededor del 15-40% de la mejora de la transferencia de calor se puede lograr mediante el uso de varios tipos de nanofluidos. Con estas características superiores, el tamaño y el peso de un radiador del coche del automóvil pueden reducirse sin
afectar a su rendimiento de transferencia de calor. Esto se traduce en una mejor función aerodinámica para el diseño de un área frontal del coche del automóvil. Coeficiente de fricción puede ser minimizado y la eficiencia del consumo de combustible se puede mejorar. Nanofluidos han atraído la atención como una nueva generación de fluidos de transferencia de calor en la construcción en aplicaciones de refrigeración de automóviles, debido a su excelente rendimiento térmico. Recientemente, se han producido hallazgos de la investigación considerables destacando las actuaciones de transferencia de calor superiores de nanofluidos. [9] Por lo tanto, este estudio trata de investigar las características de transferencia de calor de un radiador de automóvil utilizando mezcla de etilenglicol + agua (50:50) de combinación nanofluidos Al2O3 base como refrigerantes. El rendimiento térmico de un radiador de automóvil operado con nanofluidos se compara con un radiador utilizando refrigerantes convencionales. El efecto de la fracción de volumen de la Al2O3 nanopartículas con fluidos de base en También se llevaron a cabo el rendimiento térmico y la reducción de tamaño potencial de un radiador. Nanopartículas de Al2O3 fueron elegidos en este estudio. II. Nanofluid en la mejora de la conductividad térmica y Nanofluid en la mejora de obligado
La transferencia de calor por convección Eastman et al. [4] informó de que la conductividad térmica de nanofluidos de glicol de etileno que contienen fracción de volumen de 0,3% de partículas de cobre se puede mejorar hasta un 40% en comparación con la de basefluid etilenglicol. Hwang et al. [5] encontró que la conductividad térmica de los nanofluidos depende de la fracción de volumen de partículas y conductividad térmica de basefluid y partículas. Lee et al. [6] medido la conductividad térmica de baja concentración de alúmina acuosa volumen (Al2O3) nanofluidos producidos por el método de dos pasos. Autores inferirse que la conductividad térmica de los aumentos acuosas nanofluidos linealmente con la adición de partículas de alúmina. La conductividad térmica de glicol de etileno dióxido de zinc (ZnO + EG) nanofluidos basados fue investigado por Yu et al. [7]. Se obtuvieron alrededor de 26,5% de mejora de la conductividad térmica mediante la adición de fracción de volumen de 5% de nanopartículas de dióxido de zinc en etilenglicol. El presente estudio concluyó que el tamaño de las nanopartículas y viscosidad de los nanofluidos jugó un papel vital en la relación de mejora de la conductividad térmica de ellos. Mintsa et al. [8] investigó el efecto de la temperatura, tamaño de partícula y la fracción de volumen de la conductividad térmica de nanofluidos a base de agua de óxido de cobre y alúmina. Autores sugirieron que las características térmicas se pueden mejorar con el aumento de la fracción de volumen de partículas ', temperatura y tamaño de partícula. Autores encontraron que cuanto menor sea el tamaño de partícula, mayor es la conductividad térmica efectiva de los nanofluidos al mismo fracción de volumen. Contacto área de superficie de las partículas con movimiento browniano de fluido y se puede aumentar cuando se utilizan partículas más pequeñas en la misma fracción de volumen. Esto por lo tanto el aumento de la conductividad térmica de nanofluidos. Namburu et al. [10] numéricamente analizado flujo turbulento y la transferencia de calor a tres tipos de nanofluidos a saber, óxido de cobre (CuO), alúmina (Al2O3) y dióxido de silicio (SiO2) en etilenglicol y agua, que fluye a través de un tubo circular bajo flujo de calor constante. Los resultados revelaron que nanofluidos contienen menor diámetro de las nanopartículas producen mayor viscosidad y el número de Nusselt. Números de Nusselt también se
incrementan en la fracción de volumen más alto de partículas. Se observa que en un flujo de calor constante (50 W / cm2) con un número constante Reynolds (20000), coeficiente de transferencia de calor del 6% CuO nanofluid ha aumentado 1,35 veces que la del fluido de base. Al mismo fracción de volumen de partículas, CuO nanofluid produce mayor coeficiente de transferencia de calor en comparación con la de otros tipos de nanofluidos. Ding et al. [11] encontró que el coeficiente de transferencia de calor por convección de nanofluidos tiene la mayor magnitud en la longitud de un tubo de entrada. Se comienza a disminuir con la distancia axial y, finalmente, cumplir en un valor constante en la región completamente desarrollado. A una concentración de flujo y partícula dada, las nanopartículas de carbono acuosas ofrecen mayor mejora. Zeinali et al. [12] experimental investigó la transferencia de calor por convección al agua de alúmina (Al2O3 / agua) nanofluidos en flujo laminar dentro de un tubo circular con una temperatura de pared constante bajo diferentes concentraciones de nanopartículas. Obtuvieron el aumento del coeficiente de transferencia de calor del nanofluid con el aumento de la concentración de nanopartículas. También obtuvieron mayor coeficiente de transferencia de calor del nanofluid en comparación con la de fluido de base agua destilada a un número de Peclet constante. Los autores han informado de que los resultados de aumento de transferencia de calor son mucho mayores en la observación experimental que la de resultados predichos. Yu et al. [13] llevaron a cabo experimentos de transferencia de calor de nanofluidos contienen 170 nm partículas de carburo de silicio a concentración en volumen del 3,7%. Los resultados mostraron que los coeficientes de transferencia de calor de nanofluidos son 50-60% mayor que las de fluidos base a un número constante de Reynolds. Kim et al. [14] investigó el efecto de nanofluidos en las actuaciones de transferencia de calor por convección coeficiente de un tubo recto circular con flujo laminar y turbulento, con el flujo de calor constante. Los autores han encontrado que el coeficiente de transferencia de calor por convección de nanofluidos de alúmina mejorado en comparación con fluido de base por 15% y 20% en flujo laminar y turbulento, respectivamente. Esto demostró que la capa límite térmica desempeñado un papel dominante en el flujo laminar, mientras que la conductividad térmica desempeñó un papel dominante en el flujo turbulento. Sin embargo, ninguna mejora en el coeficiente de transferencia de calor por convección se notó por nanofluidos partículas amorfas. III. Banco de pruebas experimentales y procedimiento 3.1) banco de pruebas experimental
La siguiente figura 1 muestra el diagrama esquemático del montaje experimental que consiste en circuito cerrado circuito. El banco de pruebas experimental incluye depósito y el elemento calefactor, bomba de accionamiento magnético, Rotámetro, ventilador del radiador (motor de corriente continua de control de velocidad) y el radiador del automóvil. Bomba de accionamiento magnético da los flujos 16-18 LPM; la velocidad de flujo de la sección de prueba está regulada por dos válvula de globo que es apropiado ajustable a la línea de recirculación como se muestra en la figura 1. El fluido de trabajo llena 30% del tanque de almacenamiento, cuyo volumen total es 35 lit. El volumen total del líquido circulante es constante en todos los experimentos. El circuito incluye 0.30m de diámetro tubería que está hecha de la tubería de acero. Un rotámetro se utiliza para medir el flujo a través de la sección de prueba. La especificación del rotámetro es 1-1000 LPH y la medición de 1/2 "BSP (M).
Para calentar el fluido de trabajo un calentador eléctrico de la capac idad de 2000 vatios y el controlador se utilizaron para mantener la temperatura de 50-80oC. Dos termopares tipo K se llevaron a cabo en la línea de flujo para registrar la entrada del radiador y la temperatura de salida. Dos termopares K tipos se instala en el radiador para medir la temperatura de la pared del radiador.
3.2) Supuestos para las condiciones de ensayo Los resultados obtenidos se basan en los siguientes supuestos: A) La velocidad y la temperatura a la entrada del núcleo del radiador en ambos lados de ai re y refrigerante son uniformes. B) No hay cambios de fase (condensación o punto de ebullición) en todas las corrientes de fluido. C) Tasa de flujo de fluido se distribuye uniformemente a través del núcleo en cada pasada en cada lado del fluido. Sin estratificación, fluya sin pasar, o fugas de flujo se producen en cualquier corriente. D) La condición de flujo se caracteriza por la velocidad mayor en cualquier sección transversal. E) La temperatura de cada líquido es uniforme sobre toda la sección transversal de flujo, de modo que una sola temperatura de la masa se aplica a cada flujo en una sección transversal dada. Área de transferencia de calor se distribuye uniformemente en cada lado Tanto la dimensión interior y la dimensión exterior del tubo se suponen constantes. F) La conductividad térmica del material del tubo es constante en la dirección axial. No existe ninguna fuente interna para la generación de energía térmica. G) No ninguna pérdida o ganancia de calor externo al radiador y no la conducción de calor axial en el radiador. H) La temperatura ambiente es 25deg C 3.3 Procedimiento de prueba El análisis de la especificación del radiador y la condición de los fluidos que se muestran en la Tabla 1 y 2 .How nunca nano fracción de volumen de partículas de aire número de Reynolds y la tasa de flujo másico del refrigerante que fluye a pesar de que el radiador se variaron con el fin de determinar el rendimiento térmico de la radiador utilizando nanofluidos. El procedimiento de cada análisis se explican a continuación. a) Influencia de la fracción de volumen de Al2O3 nanopartículas sobre el rendimiento térmico de un radiador de automóvil. En el estudio se mantuvieron aire Reynolds tasa número y la masa de flujo del refrigerante fijado en 84391 y 0,05 kg / s. Sin embargo, la concentración de
nanopartículas de Al2O3 se aumentó de 0 a 1%. La transferencia de calor total, coeficiente global de transferencia de calor y la eficacia del radiador se determinaron. b) Influencia de la velocidad de flujo másico del refrigerante en el rendimiento térmico de radiador de automóvil. Tasa de flujo másico del refrigerante se variaron de 0,03 a 0,08 kg / s, mientras que el número de Reynolds del aire se mantuvo fijo 84391. El análisis también incluyó una comparación del rendimiento térmico del radiador de automóvil con nanofluid con nanofluidos en diferente concentración en volumen. Esta parte del análisis se centró en la transferencia total de calor, coeficiente global de transferencia de calor y la eficacia o un radiador de automóvil.
IV. Formulación matemática de mezcla de Al203 a base de agua + etilenglicol Nanofluidos en un radiador de automóvil Correlación matemática se muestra en esta sección se ha tomado de las referencias [15, 16 y 17]. En este trabajo se hace una comparación entre el rendimiento de transferencia de calor del radiador al operar con una mezcla de etilenglicol + agua y refrigerantes nanofluid. Puso de relieve no sólo la influencia de nanofluidos sino también la fracción de volumen de nanopartículas de Al2O3 a la velocidad de transferencia de calor de un radiador. Ecuaciones descritas están siendo incorporados para ayudar a la comparación. Las características de las nanopartículas y fluido de base utilizados en este estudio se resumen en la Tabla 2. Las propiedades físicas térmicas necesarias en este trabajo son la densidad, viscosidad, calor específico y conductividad térmica. En este trabajo, la densidad (ρnf) y
capacidad calorífica especial (Cpnf) de Al2O3 nanofluid / agua se han estimado a partir de uno correlaciones empíricas propuestas por Pak [18] y Xuan [19] de la siguiente manera:
Modelado de transferencia de 4.1 Calor La tasa de calor transferido entre refrigerante nanofluid y flujo de aire en el radiador se puede escribir como sigue:
Donde nf y ai denotan los parámetros relevantes de refrigerante y flujo de aire nanofluid Las velocidades de flujo de masa se calculan en función de la bomba de mezcla de agua y glicol de etileno (concentración en volumen 50%) + nanofluid y la velocidad y área frontal para el aire de la siguiente manera: La eficacia del radiador es la siguiente
La transferencia total de calor en el radiador es la siguiente
En general, el coeficiente de transferencia de calor basado en el lado del aire puede ser expresa a continuación
Coeficiente de transferencia de calor de aire se puede expresar de la siguiente
Modelado gota 4,2 Presión La caída de presión está dada por
V. Resultados y discusión 5.1. Influencia de la fracción de volumen de Al2O3 partículas a rendimiento térmico de un radiador de automóvil En el presente el rendimiento térmico de papel del radiador del automóvil al aire constante número de Reynolds (84.391) y la tasa de flujo de masa constante (0,05 K g / s) se han llevado a cabo. Con el aumento en la fracción de volumen de partículas de Al2O3 viscosidad dinámica de nanofluid se ha incrementado. Viscosidad dinámica en este estudio se calculó utilizando la correlación desarrollada por Tsai [15] y chein [15] como se muestra en la ecuación 4. Esta influencia de masas Caudal parámetro del nanofluid en el radiador del automóvil. La relación se muestra en la fig 2, donde coeficiente global de transferencia de calor basa en el aumento lado del aire en la concentración en volumen de las partículas de Al2O3 en el líquido base. Un coeficiente global de transferencia de calor 482 W / m2K puede lograrse para el 1% de Al2O3 + mezcla de EG / agua (concentración en volumen del 50%) en comparación nanofluid 304 W / m2K para fluido a base.
Figura 2 Efecto de Al2O3 partículas que el coeficiente global de transferencia de calor basado en lado aire en número constante Reynolds aire y caudal másico constante. Demostró que aumentó el coeficiente global de transferencia de calor basado en el lado del aire hasta en un 40% desde arriba cifra en número constante de aire Reynolds (84.391) y la tasa de flujo de masa constante (0,05 kg / s) Este estudio también encontró que la tasa de transferencia de calor se incrementa exponencialmente como la fracción de volumen de partículas de alúmina se incrementan como se muestra en la Fig. 5. Esta mejora se calcula usando la Ec. (11). Se puede deducir que la eficacia del radiador se incrementa con la
aplicación de nanofluidos. Sin embargo, el porcentaje de eficacia no aumenta sustancialmente, a pesar de la mejora de coeficiente global de transferencia de calor es significativa.
Figura 3 Efecto de las partículas de Al2O3 a la transferencia total de calor al aire constante número de Reynolds y la tasa de flujo de masa constante. Con la concentración de aumento de volumen de las nanopartículas de Al2O3 en el fluido base en el aire constante número de Reynolds y la tasa de flujo de masa constante. Aumentó la Eficacia del radiador. Se aumentó la eficacia del radiador. Se muestra en la figura 4 a continuación.
Figure4 Efecto de Al2O3 partículas de Efectividad en el número de Reynolds constante de aire y la velocidad de flujo de masa constante
5.2 Influencia del caudal másico del fluido base en el rendimiento térmico del radiador del automóvil En esta sección se presenta el efecto de refrigerante número de Reynolds en el rendimiento térmico de un radiador en un número de Reynolds de aire fijo (84 391). Caudal másico de refrigerante juega un papel vital en la determinación del rendimiento térmico del radiador. Motor podría ser enfriado demasiado o recalentado si la tasa de flujo de masa de refrigerante no se controla adecuadamente. La función principal de un radiador es para asegurar que el motor está operando a temperatura óptima, no sólo por el control del número de Reynolds de aire, sino también la tasa de flujo de masa.
Figura 5 efecto de la tasa de flujo de masa a coeficiente global de transferencia de calor basado en el lado del aire. Con el aumento en el caudal másico del refrigerante que fluye a través del radiador del automóvil, aumenta el coeficiente de transferencia de calor del refrigerante del número de Reynolds .overall basado en el lado del aire se incrementa con una tasa de flujo de masa del refrigerante que fluye a través del radiador, como se muestra en la Fig. 5. La magnitud de esta propiedad para nanofluidos es más alta que la de un basefluid. Por lo tanto, la reducción de área de transferencia de calor para el mismo valor de coeficiente global de transferencia de calor se puede lograr mediante el uso de nanofluidos. Mejora de transferencia de calor también se observó con la tasa de flujo másico del refrigerante.
Figura 6 efecto de la tasa de flujo másico, para Calentar velocidad de transferencia de radiador. Por ejemplo, con la adición de 1% de partículas de Al2O3, mejora del 60% de la tasa de transferencia de calor se ha logrado a 84.391 mil y 39.343 número de Reynolds para el aire y el refrigerante, respectivamente. También se observa que el porcentaje de mejora se disminuyó con la disminución del número de Reynolds del líquido refrigerante. Fig. La figura 6 muestra la tasa de transferencia de calor de un radiador usando nanofluid es mayor que el de un radiador usando mezcla de agua + EG (50% concentración en volumen) Si aumentamos la concentración en volumen de las partículas de Al2O3 en los fluidos de base con 1%. Se aumenta la eficacia del radiador .La A continuación figura 7 muestra que, con aumento de la concentración de volumen de partículas de Al2O3 y aire número de Reynolds es la eficacia aumenta gradualmente.
Figura 7 Efecto de la velocidad de flujo de masa a la eficacia
VI. Conclusiones 1) velocidad de transferencia de calor se incrementa con el aumento en la concentración de volumen de nanopartículas (que van desde 0% a 1%). Mejora la transferencia de calor Alrededor del 40% se logró con la adición de 1% de partículas de Al2O3 en 84,391 el número de aire Reynolds y tasa de flujo de masa constante (0,05 Kg / s). 2) transferencia de calor global basado en el lado del aire aumentó hasta 36% con la adición de 1% de partículas de Al2O3 volumen que el fluido de base a aire constante número de Reynolds y la tasa de flujo de masa constante. 3) Eficacia del radiador aumentó hasta un 40% con la adición de 1 volumen y fracción de partículas de Al2O3 que el fluido de base a aire constante número de Reynolds y la tasa de flujo de masa constante.
