Los nanofluidos utilizados se adquirieron de la empresa US Research Nanomaterials, Inc., se utiliza 𝐴𝑙2𝑂3 disperso en agua a una concentración del 20 %𝑊𝑡 en peso, con un diámetro de nanopartícula de 10 nm proporcionado por el fabricante. El tipo de nanopartícula utilizada por el fabricante es gama. Se dispersan las nanopartículas en agua destilada por medio de agitación ultrasónica con el método de dos pasos (Two-Step).
4.1.1. Medición de propiedades termofísicas del fluido de
trabajo.
Se miden las propiedades termofísicas del fluido base y nanofluido a temperatura constante, las propiedades del fluido base se usan para calcular las propiedades del nanofluido con correlaciones, y comparar el incremento que tuvo el fluido base con el uso de nanopartículas. Las mediciones se realizan con el procedimiento que se detalla a continuación.
Densidad
Se determina mediante el peso específico. Se pesa el fluido en un picnómetro. El peso que nos muestra la balanza corresponde al del fluido que está en el picnómetro. Con esto calculamos el peso específico.
𝛾 =𝑊 𝑉 =
𝑚𝑔
𝑉 (4.1) De la ecuación anterior ya conocemos la masa, la gravedad y el volumen. Después usamos la siguiente ecuación para obtener la densidad.
𝜌 =𝛾
𝑔 (4.2)
Viscosidad.
Se determina con el viscosímetro de Ostwald, se vierte el nanofluido en el viscosímetro haciéndolo subir hasta cierto punto, después se mide el tiempo que tarda en bajar de un punto a otro, estas marcas están definidas en el viscosímetro. El tiempo que se obtuvo se multiplica por la constante del viscosímetro (𝐶), proporcionada por el fabricante. De esta manera se obtiene la viscosidad cinemática (𝜈). Para obtener la viscosidad dinámica se usa la siguiente fórmula.
𝜇 = 𝜈𝜌 (4.3) Se deben realizar diversas pruebas para comprobar que se obtiene el valor de la viscosidad deseado.
Conductividad Térmica.
La conductividad térmica se obtiene con un medidor de propiedades térmicas (Thermal Properties Analyzer) KD2-Pro. Éste instrumento de medición consiste en un controlador y un sensor en forma de aguja, el cual se inserta en recipiente que contiene el fluido que se desea analizar. El sensor que se utiliza para medir propiedades de líquidos es el KS-1, dicho sensor es una aguja de 60 mm, tiene un rango de temperatura de
−50 𝑎 150 ℃ y un rango medición para la conductividad térmica de 0.02 a 2.00 W m°K⁄ , con una exactitud de ± 5% o 0.01 W m°K⁄ .
Una vez que se estabiliza la temperatura del sensor y del fluido se procede a tomar la medición. El mecanismo con el que trabaja el dispositivo consta de aplicar un flujo de calor a través de la aguja que está en el líquido para prevenir la convección natural poder calcular de manera interna, la capacidad de conducir calor del fluido y su resistividad térmica. Después de obtener el resultado se espera a que se estabilice la temperatura del fluido y el sensor nuevamente para poder tomar la siguiente medición. Se deben realizar varias pruebas para asegurarse de que la conductividad se midió correctamente.
4.1.2. Preparación de Nanofluidos.
Para obtener la cantidad de nanofluidos requerida por el sistema es indispensable asegurarse de que el método utilizado para dispersar las nanopartículas, cambiando así la concentración volumétrica del nanofluido original, es aceptable y proporciona los resultados esperados en cuanto a las propiedades termofísicas y calidad del nanofluido. A continuación, se presenta la metodología utilizada para dispersar los nanofluidos.
Concentración Volumétrica (𝜙𝑉𝑜𝑙)
La concentración es la cantidad de soluto (nanopartícula) diluido en un solvente (agua destilada) y ésta puede ser en peso o en volumen; esta investigación utiliza la concentración en peso, la cual se determina con la ecuación 4.4 que representa el porcentaje de la concentración para cierto volumen total (soluto más solvente). El peso de la sustancia base se obtiene multiplicando la densidad del agua obtenida en (g ml⁄ )y después por el volumen de la sustancia que se va a utilizar para hacer la mezcla en (ml). De acuerdo con Chavda et. al. [1], presenta la ecuación 4.4:
𝜙𝑉𝑜𝑙 = 𝑤𝑛𝑝 𝜌𝑛𝑝 𝑤𝑛𝑝 𝜌𝑛𝑝 + 𝑤𝑏𝑓 𝜌𝑏𝑓 ×100 (4.4)
La ecuación 4.4 se comparó con la propuesta por Pak & Cho [2], para comprobar que los resultados obtenidos fueran correctos. Como sugiere el autor, el cálculo se realiza en base a la concentración en peso, por ser más precisa. La ecuación 4.5, que utiliza en dicha investigación, sugiere utilizar concentración volumétrica a partir de la concentración en peso. 𝜙𝑉𝑜𝑙 = 1 100 𝜙𝑚 + 𝑤𝑏𝑓 𝜌𝑏𝑓 ×100 (4.5)
Las ecuaciones 4.4 y 4.5 son utilizadas para determinar la concentración volumétrica de la mezcla en el método de un paso; sin embargo, para fines de este proyecto se realiza el siguiente análisis.
Dispersión del Nanofluido.
Como se explica en la sección 2 existen dos métodos de dispersión. Los experimentos realizados en la presente investigación se basaron en el método de dos pasos (Two-Step Method). Una vez que se tiene la mezcla con la concentración deseada, se lleva a cabo la dispersión, la cual consiste en agitar la mezcla de tal manera que las nanopartículas se dispersen de manera homogénea en todo el fluido base.
Un estudio realizado por Lee et al [3], basado en el potencial 𝑍 que representa la calidad de la dispersión y suspensión de partículas. La superficie de las nanopartículas de 𝐴𝑙2𝑂3 y 𝑇𝑖𝑂2 están cargadas positivamente, la medición de la carga o potencial zeta de las nanopartículas es crítica para la fabricación de nanofluidos estables [3]. En los experimentos de los autores se obtiene un potencial zeta de 34 mV después de una agitación ultrasónica de 5 horas, lo que nos indica que el nanofluido preparado es estable.
En base a lo anterior, se prepara el fluido, el cual se agita 1 hora en un baño ultrasónico con el equipo Bransonic M5800 con una potencia de 160 W y una frecuencia de 40 kHz ± 6%. Posteriormente se dispersa en un sonicador con el equipo Ultrasonic Processor el cual trabaja a 500 W con una amplitud de 34 %. El sonotrodo, es la parte del sonicador que trabaja con ondas oscilantes transmitiendo las vibraciones hasta conseguir la dispersión entre los componentes, trabaja a 560 W y a 20 kHz, en donde se dispersa 10 minutos. Se repite el mismo proceso y se termina con una hora de baño ultrasónico.
4.1.3. Calidad de la muestra (𝑨𝒍
𝟐𝑶
𝟑).
Para comprobar la calidad del proceso de dispersión de la muestra se realizaron mediciones de tamaño de partícula y de potencial zeta. El tamaño de partícula muestra la aglomeración de partículas y en base a esto se puede deducir que tan buen es el método de dispersión. Con el potencial zeta se obtiene la interacción de las partículas, el cual muestra la homogeneidad de las partículas.
Las mediciones se llevaron a cabo con el equipo 90 Plus de Brookhaven, dicho equipo utiliza la técnica de “Dynamic Light Scattering, DLS” para medir el tamaño de partícula y “Electrophoretic & true Phase Analysis Light Scattering”, ELS & PALS para obtener el potencial zeta.
Das et al [4] presenta en su libro que la estabilidad adecuada de una solución coloidal de nanopartícula, en términos de potencial zeta, es ± 30 mV. A mayor valor de potencial zeta, más estable será más estable, es decir las nanopartículas estarán suspendidas de manera uniforme en el medio (agua).
Estás muestras son importantes ya que demuestran que el método y los equipos utilizados para llevar a cabo la dispersión son adecuados y permiten generar el nanofluido deseado.