Efectos de la incertidumbre en la estimación de las propiedades termofísicas de los nanofluidos sobre la transferencia de calor y generación de entropía. Effects of uncertainty in the estimation of the thermophysical properties of nanofluids on heat transfer and entropy generation

Abstract

En este trabajo se analizan dos casos de estudio relacionados con el flujo de nanofluidos MHD sobre microcanales con medios porosos. El objetivo principal fue encontrar condiciones óptimas de operación con mínimas pérdidas de energía útil y transferencia de calor mejorada para estos flujos. En el primer caso de estudio, se modela un flujo de nanofluidos unitarios considerando los efectos de diferentes formas de nanopartículas y los efectos de la incertidumbre en las propiedades termofísicas sobre las condiciones óptimas de operación. Se analizan nanofluidos de oxido de aluminio, cobre y oxido de titanio, base agua. Las ecuaciones de momento y energía se resuelven analíticamente. Los resultados revelaron que se lograron valores óptimos de número de Biot y deslizamiento hidrodinámico con mínima entropía global y máximo transporte de calor para condiciones de deslizamiento simétrico y transferencia de calor asimétrica. La forma de plaqueta de las nanopartículas fue la más efectiva para lograr las condiciones óptimas con el valor mínimo más bajo de entropía global, mientras que la forma de aspa fue la más efectiva para alcanzar las condiciones óptimas con el valor máximo más alto de transporte de calor. Los resultados también indicaron que las mayores variaciones de las condiciones óptimas de operación ocurrieron cuando se utilizaron las correlaciones experimentales de viscosidad y conductividad térmica en comparación con las correlaciones teóricas. Esto se debe a que los valores estimados de viscosidad y conductividad utilizando las diferentes correlaciones teóricas difieren muy poco entre sí. En el segundo caso de estudio, se analiza un flujo Darcy-Forchheimer MHD no lineal de nanofluidos híbridos en un microcanal inclinado considerando diferentes proporciones de mezcla de nanopartículas, fuente de calor interna, radiación no lineal y varias formas de nanopartículas. Para este propósito, las ecuaciones acopladas de momento y energía se resolvieron utilizando el método Runge-Kutta-Fehlberg (RKF-45) con técnica de disparo. Se examinaron las combinaciones de nanopartículas híbridas de oxido de aluminio, cobre y oxido de titanio en base agua. Se lograron nuevas proporciones de mezcla de nanopartículas para nanofluidos híbridos de oxido de aluminio+cobre con entropía global mínima aún no reportada en trabajos previos. La transferencia de calor máxima en la placa caliente se encontró en el número de Grashof Gr=0.6 con un aumento máximo de Nusselt del 8.2 % cuando el parámetro de radiación Rd se incrementó de 1 a 1.1. Para oxido de titanio+cobre, se logró una entropía global mínima seleccionando adecuadamente la relación de mezcla de nanopartículas de ϕTiO2/ϕCu=(0,07/0,03). Además, el nanofluido híbrido oxido de aluminio+oxido de titanio proporcionó los valores de transferencia de calor más altos en la placa inferior caliente con un Nusselt máximo superior en un 0.5 % en comparación con los otros dos nanofluidos explorados y el coeficiente de fricción más pequeño se encontró para el oxido de titanio+cobre utilizando forma esférica. In this work, two case studies related to the flow of MHD nanofluids over microchannels with porous media are analyzed. The main objective was to find optimal operating conditions with minimum useful energy losses and enhanced heat transfer for these flows. In the first case study, a unitary nanofluid flow is modeled considering effects of different nanoparticle shapes and the effects of uncertainty in thermophysical properties on the optimal operating conditions. Al2O3+H2O, Cu+H2O and TiO2+H2O nanofluids are analyzed. Momentum and energy equations are solved analytically. The results revealed that optimum values of Biot number and hydrodynamic slip with minimum global entropy and maximum heat transport were achieved for symmetric slip conditions and asymmetric heat transfer. The platelet shape of nanoparticles was the most effective to achieve the optimum conditions with the lowest minimum value of global entropy, while the blade shape was the most effective to reach the optimum conditions with the highest maximum value of heat transport. The results also indicated that the greatest variations of optimum operating conditions occurred when the experimental correlations of viscosity and thermal conductivity were used compared to theoretical correlations. This is because the estimated values of viscosity and conductivity using the different theoretical correlations differ very little from each other. In the second case study, a nonlinear MHD Darcy-Forchheimer flow of hybrid nanofluids in an inclined microchannel is analyzed considering different nanoparticle mixing ratios, internal heat source, nonlinear radiation and various nanoparticle shapes. For this purpose, the coupled momentum and energy equations were solved using the Runge-Kutta-Fehlberg (RKF-45) method with shooting technique. Al2O3+Cu+H2O, TiO2+Cu+H2O and Al2O3+TiO2+H2O hybrid nanofluids were examined. New nanoparticle mixing ratios for Al2O3+Cu+H2O hybrid nanofluids with minimum global entropy not yet reported in previous works were achieved. The maximum heat transfer on the hot plate was found at Grashof number Gr=0.6 with a maximum Nusselt increase of 8.2% when the radiation parameter Rd was increased from 1 to 1.1. For TiO2+Cu+H2O, a minimum global entropy was achieved by appropriately selecting the nanoparticle mixing ratio of ϕ_TiO2/ϕ_Cu=(0.07/0.03). Furthermore, the Al2O3+TiO2+H2O hybrid nanofluid provided the highest heat transfer values on the hot bottom plate with a maximum Nusselt higher by 0.5% compared to the other two nanofluids explored and the smallest friction coefficient was found for TiO2+Cu+H2O using spherical shape.