ارائه یک مدل تجربی جدید برای پیش‌بینی ضریب هدایت حرارتی نانوسیال اکسید روی-اتیلن گلیکول بر اساس دما، اندازه و غلظت نانوذرات

نوع مقاله : مقاله علمی

نویسندگان
مهرداد صفی خانی 1
اشکان غفوری 2
علی معرف زاده 3
1 کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، واحد ماهشهر، دانشگاه آزاد اسلامی، ماهشهر، ایران
2 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران
3 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، واحد ماهشهر، دانشگاه آزاد اسلامی، ماهشهر، ایران
10.22034/stme.2025.540032.1155
چکیده
سیالات معمولاً ضریب هدایت حرارتی پایینی دارند، اما افزودن نانوذرات جامد این ویژگی را بهبود می‌بخشد. در این پژوهش، نانوذرات کروی اکسید روی (ZnO) با قطرهای 10-30، 35-45 و 80-100 نانومتر به روش دو مرحله‌ای در اتیلن‌گلیکول پایدار شده‌اند. برای جلوگیری از تجمع ذرات، از سورفکتانت CTAB و همزن فراصوت استفاده شد. نانوسیالات با کسرهای حجمی ۰٫۲ تا 1% و در دمای 20 تا °C 60 تهیه شدند. ضریب هدایت حرارتی با روش سیم داغ گذرا به کمک دستگاه KD2-Pro  اندازه‌گیری شد. نتایج نشان می‌دهد که کاهش قطر نانوذرات، افزایش دما و افزایش کسر حجمی، هدایت حرارتی را به‌طور معناداری بهبود می‌دهند؛ به‌طوری‌که بیشترین افزایش (حدود 18%) در بالاترین دما، کمترین اندازه ذرات و بیشترین کسر حجمی مشاهده شد. همچنین، تأثیر کسر حجمی در مقادیر پایین چشمگیرتر بود. افزایش دما با تضعیف پیوندهای مولکولی، انتقال حرارت را تسهیل کرد. مقایسه داده‌های آزمایشگاهی با مدل‌های تحلیلی نشان داد که اختلاف نتایج با افزایش دما و کسر حجمی بیشتر می‌شود. در نهایت، یک مدل تجربی چندمتغیره برای پیش‌بینی ضریب هدایت حرارتی نانوسیال ZnO/EG ارائه و اعتبارسنجی شد. این مدل وابستگی هدایت حرارتی به دما، اندازه و غلظت نانوذرات را با ۰٫۹۴=2R به‌خوبی توصیف می‌کند.
کلیدواژه‌ها
نانوسیال
کسر حجمی
قطر نانوذرات
ضریب هدایت حرارتی
مدل تجربی
موضوعات

عنوان مقاله English

Development of a New Empirical Model for Predicting Thermal Conductivity of ZnO-Ethylene Glycol Nanofluid Based on Temperature, Particle Size, and Concentration

نویسندگان English

Mehrdad Safikhani 1
Ashkan Ghafouri 2
Ali moarrefzadeh 3
1 M.Sc., Department of Mechanical Engineering, Mahs.C., Islamic Azad University, Mahshahr, Iran
2 Associate Professor, Department of Mechanical Engineering, Ahv.C., Islamic Azad University, Ahvaz, Iran
3 Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, Mahs.C., Islamic Azad University, Mahshahr, Iran
چکیده English

Base fluids generally have low thermal conductivity, but adding solid nanoparticles improves this property. In this research, spherical zinc oxide (ZnO) nanoparticles with diameters of 10-30, 35-45 and 80-100 nm were stabilized in ethylene glycol using a two-step method. CTAB surfactant and ultrasonic agitation were used to prevent particle aggregation. Nanofluids were prepared with volume fractions of 0.2 to 1% at temperatures of 20 to 60°C. Thermal conductivity was measured using the transient hot-wire method with a KD2-Pro device. Results showed that decreasing nanoparticle size, increasing temperature and increasing volume fraction significantly improved thermal conductivity, with the maximum increase (about 18%) observed at the highest temperature, smallest particle size and highest volume fraction. The effect of volume fraction was more remarkable at lower concentrations. Temperature increases facilitated heat transfer by weakening molecular bonds. Comparison of experimental data with analytical models showed that the difference between results increases with higher temperatures and volume fractions. Finally, a multivariate empirical model was developed and validated to predict the thermal conductivity of ZnO/EG nanofluid, which effectively describes the dependence of thermal conductivity on temperature, particle size and concentration.

کلیدواژه‌ها English

Nanofluid
Volume Fraction
Nanoparticle Diameter
Thermal Conductivity
Empirical Correlation

اصل مقاله

[1] S.U.S. Choi and J.A. Eastman, "Enhancing Thermal Conductivity of Fluids with Nanoparticles," in ASME International Mechanical Engineering Congress & Exposition, San Francisco, CA, Nov. 12–17, 1995.
[2] S. Lee, S.U.S. Choi, S. Li, and J.A. Eastman, "Measuring thermal conductivity of fluids containing oxide nanoparticles," J. Heat Transfer, vol. 121, pp. 280–288, 1999, doi: 10.1115/1.2825978
[3] H. Masuda, A. Ebata, K. Teramae, and N. Hishinuma, "Altration of thermal conductivity and viscosity of liquid by dispersing ultra-fine particles," Netsu Bussei, vol. 4, 1993.
[4] Y. Xuan and Q. Li, "Heat transfer enhancement of nanofluids," Int. J. Heat Fluid Flow, vol. 21, pp. 58–64, 2000, doi: 10.1016/S0142-727X(99)00067-3
[5] P. Keblinski, S.R. Phillpot, S.U.S. Choi, and J.A. Eastman, "Mechanics of heat flow in suspensions of nano-sized particles (nanofluid)," Int. J. Heat Mass Transfer, vol. 45, pp. 855–863, 2002, doi: 10.1016/S0017-9310(01)00175-2
[6] X. Wang, X. Xu, and S.U.S. Choi, "Thermal Conductivity of Nanoparticle–Fluid Mixture," J. Thermophys. Heat Transfer, vol. 13, no. 4, pp. 474–480, Oct. 1999, doi: 10.2514/2.6486
[7] S.U.S. Choi, Z.G. Zhang, W. Yu, F.E. Lockwood, and E.A. Grulke, "Anomalous thermal conductivity enhancement in nanotube suspention," Appl. Phys. Lett., vol. 79, pp. 2252–2254, 2001, doi: 10.1063/1.1408272
[8] X.F. Li, D.S. Zhu, X.J. Wang, N. Wang, J.W. Gao, and H. Li, "Thermal conductivity enhancement dependent PH and chemical surfactant for Cu-H2O nanofluids," Thermochimica Acta, vol. 469, pp. 98–103, 2008, doi: 10.1016/j.tca.2008.01.008
[9] S.K. Das, N. Putra, P. Thiesen, and W. Roetzel, "Temperature dependence of thermal conductivity enhancement for nanofluids," J. Heat Transfer, vol. 125, pp. 567–574, 2003, doi: 10.1115/1.1571080
[10] M.H. Esfe, H. Hajmohammad, S.M. Motallebi, and D. Toghraie, "Cost and efficiency optimizations of ZnO/EG nanofluids using non-dominated sorting genetic algorithm coupled with a statistical method," Korean Journal of Chemical Engineering, vol. 41, no. 1, pp. 175–186, 2024, doi: 10.1007/s11814-023-00003-2
[11] K.M. Yashawantha and A. Venu-Vinod, "ANFIS modelling of effective thermal conductivity of ethylene glycol and water nanofluids for low temperature heat transfer application," Thermal Science and Engineering Progress, vol. 24, art. 100936, 2021, doi: 10.1016/j.tsep.2021.100936
[12] R. Surakasi, J. Sagari, K.B. Vinjamuri, B. Sanduru, and S. Vadapalli, "Stability and Thermo-Physical Properties of Ethylene Glycol Based Nanofluids for Solar Thermal Applications," International Journal of Heat & Technology, vol. 39, no. 1, pp. 137–144, 2021, doi: 10.18280/ijht.390114
[13] B. Rahmati-Nejad and F. Azimpour-Shishvan, "Enhancement of nanofluid stability and its estimation methods," Science and Technology in Mechanical Engineering, vol. 1, no. 1, pp. 7–19, 2023, doi: 10.22034/stme.2023.162633 (in Persian)
[14] M.M. Rashidi, M. Alhuyi Nazari, I. Mahariq, and N. Ali, "Modeling and sensitivity analysis of thermal conductivity of ethylene glycol-water based nanofluids with alumina nanoparticles," Experimental Techniques, vol. 47, no. 1, pp. 83–90, 2023, doi: 10.1007/s40799-022-00567-4
[15] M. Salari, M.R. Assari, A. Ghafouri, and N. Pourmahmoud, "Empirical correlations for thermal conductivity and dynamic viscosity of MgO-EG," Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, vol. 43, art. 111, 2021, doi: 10.1007/s40430-020-02773-w
[16] A. Ghafouri, M. Salari, and A. Falavand Jozaei, "Effect of variable thermal conductivity models on the combined convection heat transfer in a square enclosure filled with a water–alumina nanofluid," Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, vol. 58, no. 1, pp. 103–115, 2017, doi: 10.1134/S0021894417010126
[17] N. Pourmahmoud, A. Ghafouri, and I. Mirzaee, "Thermal performance analysis of nanofluid thermal conductivity models in a cooling chamber," Journal of Thermophysics and Heat Transfer, vol. 31, no. 1, pp. 28–38, 2017, doi: 10.2514/1.T4658
[18] A. Yaghoubi and H. Pourmirzaagha, "Experimental study of heat transfer enhancement in Peugeot 206 automobile radiator using oxide nanofluids," Science and Technology in Mechanical Engineering, vol. 4, no. 1, pp. 1–17, 2025. (in Persian)
[19] M.H. Esfe and S. Saedodin, "Experimental investigation and proposed correlations for temperature-dependent thermal conductivity enhancement of ethylene glycol based nanofluid containing ZnO nanoparticles," Journal of Heat and Mass Transfer Research, vol. 1, no. 1, pp. 47–54, 2014, doi: 10.22075/JHMTR.2014.153
[20] J. Topping, Errors of Observation and Their Treatment, Springer, Dordrecht, 2012, doi: 10.1007/978-94-011-6928-8
 
 

  • تاریخ دریافت 17 مرداد 1404
  • تاریخ بازنگری 04 مهر 1404
  • تاریخ پذیرش 29 مهر 1404
  • تاریخ اولین انتشار 29 مهر 1404
  • تاریخ انتشار 01 بهمن 1404