بررسی خواص ترموفیزیکی و عملکرد حرارتی و افت فشار نانوسیال محتوی گرافن عامل‌دار شده با پلی وینیل الکل

فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

مقاله 2، دوره 12، شماره 46، بهمن 1400، صفحه 19-32   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/jnm.2022.30395.1959

نویسنده

مهدی عزیزی^*

گروه آموزشی مهندسی شیمی دانشگاه آزاد اسلامی واحد مرودشت،ایران

تاریخ دریافت: 15 اردیبهشت 1401،  تاریخ بازنگری: 09 تیر 1401،  تاریخ پذیرش: 22 تیر 1401 

چکیده

عدم پراکندگی مناسب و ناپایدار بودن سوسپانسیون‌های نانو صفحات گرافنی در محیط‌های آلی و آبی و همچنین عدم برهمکنش بین آنها و مواد دیگر از مشکلات اصلی استفاده از این مواد می‌باشد. از این ‌رو در پژوهش حاضر، جهت پراکندگی مناسب نانو صفحات گرافنی در محیط‌های آبی، به منظور عامل‌دار کردن نانو صفحات گرافنی به صورت کووالانسی، ابتدا گروه‌های اکسیدی بر روی نانو صفحات گرافنی به وجود آمده است. سپس، با ایجاد پیوند آبدوست پلی وینیل الکل با طول بلندتر به گروه‌های اکسیدی، مشکل پایداری حل شده است. بنابراین، بعد از اتصال پلی وینیل الکل را به گروه‌های اکسیدی موجود بر روی نانو صفحات گرافنی، ساختار و مورفولوژی نانو صفحات گرافنی عامل‌دار شده به صورت کووالانسی به ترتیب توسط دستگاه‌های رامان (Raman) و میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) مورد تأیید قرار گرفته است. پس از آن، نانوسیال آب/ نانو صفحات گرافنی-پلی وینیل الکل در غلظت‌های‌ وزنی 025/0، 05/0 و 1/0 درصد تهیه شده است. پایداری و خواص ترموفیزیکی از قبیل هدایت حرارتی،ویسکوزیته و دانسیته نانو سیالات فوق الذکر مورد مطالعه قرار گرفته است. سپس، ضریب انتقال حرارت جابه‌جایی، افت فشار، ضریب عملکرد و توان پمپاژ نانوسیالات تهیه شده در غلظت های وزنی مختلف در دستگاه آزمایشگاهی تحت شدت‌جریان درهم (03/0 تا 12/0 لیتر بر ثانیه) مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان داده است که با افزایش غلظت وزنی و شدت‌جریان ضریب انتقال حرارت جابه‌جایی بهبود یافته است. اما این بهبود برای نانوسیال آب/ نانو صفحات گرافنی-پلی وینیل الکل در همه غلظت‌ها نسبت به آب خالص بیشتر بوده است.

کلیدواژه‌ها

" نانوسیال"؛ " نانو صفحات گرافنی"؛ " عامل‌دار کردن"؛ " انتقال حرارت"؛ " خواص ترموفیزیکی"

عنوان مقاله [English]

Investigation of Thermophysical Properties and Thermal Performance and Pressure Drop of of Nanofluid including Functionalized Graphene with Polyvinyl Alcohol

نویسندگان [English]

Mehdi Azizi

Department of chemical engineering, Islamic Azad University, Marvdasht branch, Marvdasht, Iran.

چکیده [English]

The lack of an appropriate dispersibility of Graphene Nanoplatelets (GNP) in different hydrophilic and hydrophobic media and their poor interaction to form bundles is one of the most important problems of this material. Therefore, in the present study, in order to perform covalent functionalization of GNP as well as increase the dispersibility in aqueous media, firstly it is created carboxylated with oxidation method on the GNP (Gr). Then, polyvinyl alchol (PVA) with the long chain can be a good candidate to functionalize on the surface of Gr for decorating divalent cations as a linkage and/or bridge and to solve the problem of lack of dispersibility. Also, it can provide good colloidal stability in aqueous media. So, after performing a reaction between PVA and Gr structure, structure and morphology of functionalized PVA-Gr to covalently were investigated by Raman spectroscopy and transmission electron microscopy (TEM), respectively. after covalently-functionalized nanofluids (PVA-Gr/water), with different weight concentrations of 0.025%, 0.05% and 0.1% were prepared. The stability and thermophysical properties such as thermal conductivity, viscosity and density of the above nanofluids have been studied. Then, the convective heat transfer coefficient, pressure drop, performance index and pumping power of the prepared nanofluids for different weight concentrations under turbulent flow regime (0.03-0.12 lit/s) were studied. The results show that as the flow rate and weight concentration of PVA-Gr in nanofluids increase, the convective heat transfer coefficient enhances, which PVA-Gr/water nanofluids illustrate the maximum enhancement in the heat transfer coefficient for all weight concentrations in comparison with pure water.

کلیدواژه‌ها [English]

"Nanofluid", " Graphene Nanoplatelets", " Functionalization", " Heat transfer", " Thermophysical Properties"

مراجع

[1]          D. P. Kulkarni, P. K. Namburu, H. Ed Bargar, D. K. Das, Convective heat transfer and fluid dynamic characteristics of SiO2 ethylene glycol/water nanofluid, Heat Transfer Engineering, Vol. 29, No. 12, pp. 1027-1035, 2008.

[2]          S. Peyghambarzadeh, S. Hashemabadi, M. S. Jamnani, S. Hoseini, Improving the cooling performance of automobile radiator with Al2O3/water nanofluid, Applied Thermal Engineering, Vol. 31, No. 10, pp. 1833-1838, 2011.

[3]          S. Peyghambarzadeh, S. Hashemabadi, S. Hoseini, M. Seifi Jamnani, Experimental study of heat transfer enhancement using water/ethylene glycol based nanofluids as a new coolant for car radiators, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 38, No. 9, pp. 1283-1290, 2011.

[4]          S. Zeinali Heris, S. G. Etemad, M. Nasr Esfahany, Experimental investigation of oxide nanofluids laminar flow convective heat transfer, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 33, No. 4, pp. 529-535, 2006.

 

[5]          Y. Ding, H. Alias, D. Wen, R. A. Williams, Heat transfer of aqueous suspensions of carbon nanotubes (CNT nanofluids), International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 49, No. 1, pp. 240-250, 2006.

[6]          Y. Ding, H. Chen, Y. He, A. Lapkin, M. Yeganeh, L. Siller, Y. V. Butenko, Forced convective heat transfer of nanofluids, Advanced Powder Technology, Vol. 18, No. 6, pp. 813-824, 2007.

[7]          S. J. Aravind, P. Baskar, T. T. Baby, R. K. Sabareesh, S. Das, S. Ramaprabhu, Investigation of structural stability, dispersion, viscosity, and conductive heat transfer properties of functionalized carbon nanotube based nanofluids, The Journal of Physical Chemistry C, Vol. 115, No. 34, pp. 16737-16744, 2011.

[8]          A. Amiri, S. N. Kazi, M. Shanbedi, M. N. Mohd Zubir, H. Yarmand, B. T. Chew, Transformer oil based multi-walled carbon nanotube-hexylamine coolant with optimized electrical, thermal and rheological enhancements, RSC Advances, Vol. 5, No. 130, pp. 107222-107236, 2015.

[9]          A. Amiri, R. Sadri, G. Ahmadi, B. T. Chew, S. N. Kazi, M. Shanbedi, M. Sadat Alehashem, Synthesis of polyethylene glycol-functionalized multi-walled carbon nanotubes with a microwave-assisted approach for improved heat dissipation, RSC Advances, Vol. 5, No. 45, pp. 35425-35434, 2015.

[10]       A. Amiri, M. Shanbedi, G. Ahmadi, S. Rozali, Transformer oils-based graphene quantum dots nanofluid as a new generation of highly conductive and stable coolant, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 83, pp. 40-47, 2017.

[11]       A. Amiri, M. Shanbedi, M. J. AliAkbarzade, The Specific Heat Capacity, Effective Thermal Conductivity, Density, and Viscosity of Coolants Containing Carboxylic Acid Functionalized Multi-Walled Carbon Nanotubes, Journal of Dispersion Science and Technology, Vol. 37, No. 7, pp. 949-955, 2016/07/02, 2016.

[12] لاله قلندری، پریسا تاج بخش ،"خواص مکانیکی و خوردگی نانو کامپوزیت مس- اکسید گرافن حاوی 2% اکسیدگرافن تولید شده به روش فرآیند اتصال نورد تجمیعی"، نشریه مواد نوین دوره 11شماره 39، صفحه 43 -60 ،اردیبهشت 1399. 

[13]       A. S. Kherbeet, H. Mohammed, B. Salman, H. E. Ahmed, O. A. Alawi, M. Rashidi, Experimental study of nanofluid flow and heat transfer over microscale backward-and forward-facing steps, Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 65, pp. 13-21, 2015.

[14]       C. Popiel, J. Wojtkowiak, Simple formulas for thermophysical properties of liquid water for heat transfer calculations (from 0 C to 150 C), Heat transfer engineering, Vol. 19, No. 3, pp. 87-101, 1998.

[15]       B. C. Pak, Y. I. Cho, Hydrodynamic and heat transfer study of dispersed fluids with submicron metallic oxide particles, Experimental Heat Transfer an International Journal, Vol. 11, No. 2, pp. 151-170, 1998.

[16]       G. O. Brown, The history of the Darcy-Weisbach equation for pipe flow resistance, Environmental and Water Resources History, Vol. 38, No. 7, pp. 34-43, 2002.

[17]       R. B. Mansour, N. Galanis, C. T. Nguyen, Effect of uncertainties in physical properties on forced convection heat transfer with nanofluids, Applied Thermal Engineering, Vol. 27, No. 1, pp. 240-249, 2007.

[18]       Y. He, Y. Jin, H. Chen, Y. Ding, D. Cang, H. Lu, Heat transfer and flow behaviour of aqueous suspensions of TiO< sub> 2</sub> nanoparticles (nanofluids) flowing upward through a vertical pipe, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 50, No. 11, pp. 2272-2281, 2007.

[19]       Y. Xuan, Q. Li, Investigation on convective heat transfer and flow features of nanofluids, Journal of Heat transfer, Vol. 125, No. 1, pp. 151-155, 2003.

[20]       C. Nguyen, F. Desgranges, G. Roy, N. Galanis, T. Mare, S. Boucher, H. Angue Mintsa, Temperature and particle-size dependent viscosity data for water-based nanofluids–hysteresis phenomenon, International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 28, No. 6, pp. 1492-1506, 2007.