Henrique Massard Da Fonseca

Henrique Massard Da Fonseca

(Parte 1 de 6)

CARACTERIZAÇÃO TERMOFÍSICA DE NANOFLUIDOS Henrique Massard da Fonseca

Aprovada por:

Prof. Helcio Rangel Barreto Orlande, Ph.D.
Prof. Renato Machado Cotta, Ph.D.
Prof. Nisio de Carvalho Lobo Brum, D.Sc.
Prof. Zaqueu Ernesto da Silva, Dr.

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL MARÇO DE 2007

FONSECA, HENRIQUE MASSARD
Caracterização Termofísica de Nanofluidos

[Rio de Janeiro] 2007

XII, 109 p. 29,7 cm (COPPE / UFRJ, M.Sc.,

Engenharia Mecânica, 2007)

Dissertação – Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE 1. Propriedades Termofísicas 2. Nanofluidos 3. Método Flash 4. Sonda Linear I. COPPE / UFRJ I. Título (série)

Agradecimentos

Agradeço a Deus pela vida. Ao Professor Helcio Rangel Barreto Orlande, pela sua dedicação na orientação deste projeto, pela amizade e boa vontade sempre demonstradas ao longo desses 4 anos de convivência, e que tem me passado uma das grandes virtudes do ser humano: o conhecimento.

pela grande amizade

Ao Professor Renato Machado Cotta, pelo seu espírito que sempre alegra a todos e

A meus pais e irmã, Adivaldo, Marília e Elize, que sempre me apoiaram, incentivaram e que são peças fundamentais nessa etapa.

A minha namorada, Juliane, pelo amor, apoio e dedicação. Aos meus avós materno (in memorian), paterno, tios e primos pela presença e estímulo constantes.

Aos grandes amigos, Marcos Eli, Peterson, Jônathas, Diniz, Camila e Ju pela amizade incondicional.

Aos colegas de laboratório, Cláudio Sérgio, Paulo Couto, Carlos Alberto Mota,

Daniel Sias e Carolina Naveira pela ajuda sempre disponível.

A todos os professores do Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica pelos ensinamentos.

À UFRJ pela formação humana, cidadã e técnica. Ao CNPq e CAPES pela concessão de bolsa durante o período de Graduação e Mestrado.

Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)

Henrique Massard da Fonseca Março/2007

Orientador: Helcio Rangel Barreto Orlande Programa: Engenharia Mecânica

Esta dissertação trata da medição de propriedades termofísicas de nanofluidos. As propriedades termofísicas medidas foram a difusividade térmica e a condutividade térmica com o uso do método Flash e da Sonda-linear. Além disso foi realizada a medição da viscosidade e da massa específica com um reômetro de disco e um densímetro hidrostático respectivamente. Os testes foram previamente conduzidos com materiais com as propriedades conhecidas, para fins de validação. Os resultados experimentais da condutividade térmica dos nanofluidos foram comparados com resultados disponíveis na literatura, tanto experimentais quanto teóricos, através de modelos clássicos para suspensões sólido/líquido e de modelos que foram desenvolvidos recentemente, que levam em conta parâmetros como o tamanho da partícula, a temperatura e a viscosidade do fluido, assim como o movimento Browniano.

Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)

Henrique Massard da Fonseca March/2007

Advisor: Helcio Rangel Barreto Orlande Department: Mechanical Engineering

This dissertation deals with the determination of thermophysical properties of nanofluids. The thermophysical properties measured in this work were the thermal conductivity with the Flash and linear-probe methods. In addition, viscosity and density were measured with a disk-rheometer and a hydrostatic densimeter, respectively. For the sake of validation of the experimental procedure, the properties were measured initially for fluids well-documented in the literature. The experimental results for the thermal conductivity of nanofluids were compared to experimental data available in the literature, as well as to theoretical predictions, obtained with classical models for solid/liquid suspensions and recently developed models, which takes into account the particle size, temperature and viscosity of the fluid, and Brownian motion.

1. Introdução1
1.1 Motivação1
1.2 Objetivos3
1.3 Organização do Texto3
2. Revisão Bibliográfica5
2.1 Nanofluidos5
2.2 Os Modelos Matemáticos para a Condutividade Térmica dos Nanofluidos17
2.3 O Método Flash2
2.3.1 Modelos Matemáticos25
2.3.1.1 O Modelo de Parker et al. (1961)25
2.3.1.2 O Modelo de Cowan (1961 e 1963)27
2.3.1.3 O Modelo de Cape e Lehman (1963)29
2.3.1.4 O Modelo de Clark e Taylor (1975)30
2.3.1.5 O Modelo de Andre e Degiovanni (1995)31
2.3.1.6 O Modelo de Mehling et al. (1998)34
2.3.1.7 O Modelo de Lazard et al. (2004)35
2.4 A Sonda Linear36
3. Materiais e Métodos39
3.1 Nanofluidos39
3.2 Nanoflash LFA 447/141
3.3 Sonda Hukseflux TP-0248
3.4 Reômetro LVDV-IIIU50
3.5 Densímetro57
3.5.1 Determinando a massa específica de sólidos60
3.5.1.1 Preparação60
3.5.1.2 Determinando a massa da amostra no ar60
3.5.1.3 Determinando G = W(a)-W(fl)60
3.5.1.4 Calculando a Massa Específica60
3.5.2 Determinando a massa específica de líquidos61
3.5.2.1 Preparação61
3.5.2.2 Procedimento de medida61
3.5.2.3 Determinando G = W(a) – W(fl)61
3.5.2.4 Calculando a massa específica61
4. Resultados e Discussões62
4.1 Massa Específica62

Sumário 4.2 Viscosidade ............................................................................................................... 65

4.3 Propriedades Termofísicas72
4.3.1 Comparação dos resultados experimentais com a literatura82
5. Conclusões e Sugestões86
6. Referências Bibliográficas8
7. Anexo I – Resultado do Teste no LFA 447/193
8. Anexo I – Gráficos dos testes na Sonda TP - 0297
9. Anexo I – Resultados dos teste com a Sonda-Linear103
10. Anexo IV - Notebook do Mathematica para o cálculo da Incerteza expandida105

vii

1. Anexo V – Notebook com os modelos para o cálculo da condutivdade térmica de nanofluidos.................................................................................................................... ........... 106 viii

Fig. 2-1 Método Flash23
Fig. 2-2 Medida da difusividade térmica, de acordo com Parker et al. [2]27
28

Índice de Figuras Fig. 2-3 Efeito da perda de calor na face traseira, de acordo com Cowan (1961 e 1963)

espessura ótica3

Fig. 2-4 Termograma experimental da face oposta para uma amostra com grande

espessura ótica3
Fig. 2-6 Degrau devido a transferência de calor radiativa entre as faces35
Fig. 2-7 Curva do aumento de tamperatura da face traseira36
Fig. 3-1 Netzsch Nanoflash LFA 447/142
Fig. 3-2 Netzsch Nanoflash LFA 447/1 operando no UNIMET42
Fig. 3-3 Suporte das amostras43
Fig. 3-4 Cápsula para a determinação das propriedades termofísicas de líquidos4
Fig. 3-5 Tela de Controle do Nanoflash45
Fig. 3-6 Definindo as amostras45
Fig. 3-7 Nitrogênio sendo colocado no sensor de IR46
Fig. 3-8 Tela do software Proteus46
uma camada47

Fig. 2-5 Termograma experimental da face oposta de uma amostra com grande Fig. 3-9 Tela para a escolha do modelo usado no cálculo de α para uma amostra com

três camadas47
Fig. 3-1 Sonda Linear Hukseflux TP02 do LTTC49
Fig. 3-12 Conexões da Sonda TP0249
a Sonda TP02 (Hukseflux)50
Fig. 3-14 Diagrama esquemático do reômetro51
Fig. 3-15 Spindle em disco51
Fig. 3-16 Spindle cilíndrico51
Fig. 3-17 Geometria cone-laca52
Fig. 3-18 Spindle barra T52
Fig. 3-19 Spindle em forma de pá52
Fig. 3-20 Spindle cônico preso ao reômetro53
Fig. 3-21 Copo do reômetro54
Fig. 3-2 A geometria cone-placa montada no reômetro54
Fig. 3-23 Spindles CPE-40 e CPE-415
Fig. 3-24 Vista lateral do spindle5
Fig. 3-25 Reômetro LVDV-IIIU operando no LTTC56
Fig. 3-26 Cálculo da viscosidade56
Fig. 3-27 Configuração do esquema cone-placa56
Fig. 3-28 Balança AM220 da Marte58
Fig. 3-29 Densímetro operando no LTTC58
Fig. 3-30 Componentes do densímetro59
Fig. 4-1 Massa específica da água62
Fig. 4-2 Massa específica da glicerina63
Fig. 4-3 Massa específica do Etileno Glicol63

Fig. 3-10 Tela para a escolha do modelo usado no cálculo de α para uma amostra com Fig. 3-13 Montagem Experimental do Método da Sonda Linear no UNIMET/LTTC com Fig. 4-4 Massa específica do nanofluido........................................................................64

Fig. 4-5 Massa específica da água x nanofluido65
literatura (Ozisik, 1990)6

ix Fig. 4-6 Comparação da viscosidade da água medida no reômetro LVDV-IIIU com a

com a literatura (Ozisik, 1990 e Incropera, 2001)67

Fig. 4-7 Comparação da viscosidade do etileno glicol medido no reômetro LVDV-IIIU

com a literatura (Ozisik, 1990 e Incropera, 2001)68

Fig. 4-8 Comparação da viscosidade do etileno glicol medido no reômetro LVDV-IIIU

a literatura (Ozisik, 1990 e Incropera, 2001)69

Fig. 4-9 Comparação da viscosidade da glicerina medido no reômetro LVDV-IIIU com

a literatura (Ozisik, 1990 e Incropera, 2001)70
Fig. 4-1 Comparação da viscosidade do nanofluido com a água71
Fig. 4-12 Aumento da viscosidade do nanofluido72
Fig. 4-13 Aumento da viscosidade do nanofluido pela fórmula de Einstein72
Fig. 4-14 Ajuste de ∆T x ln(t)73
Fig. 4-15 Condutividade Térmica da Glicerina - Sonda-linear74
Fig. 4-16 Condutividade Térmica do Etileno Glicol - Sonda-linear74
Fig. 4-17 Condutividade Térmica para Gel Agar75
Fig. 4-18 Condutividade Térmica da Água76
Fig. 4-19 Condutividade Térmica para nanofluido de Al2O3 em água76

Fig. 4-10 Comparação da viscosidade da glicerina medido no reômetro LVDV-IIIU com Fig. 4-20 Comparação entre as condutividades térmicas da água e do nanofluido

Alumina-água medidas com a sonda-linear7
alumina-água medidas com o método Flash78

Fig. 4-21 Comparação entre as difusividades térmicas da água e do nanofluido de

alumina-água medidas com o método Flash79
Fig. 4-23 Aumento da difusividade térmica em função da temperatura79
Fig. 4-24 Aumento da condutividade térmica em função da temperatura80
Fig. 4-25 Teste de difusividade feito a 45oC no Flash81
Fig. 4-26 Teste de condutividade feito a 45oC no Flash81
a literatura em função da porcentagem em volume de nanopartículas83

Fig. 4-2 Comparação entre as condutividades térmicas da água e do nanofluido de Fig. 4-27 Comparação do aumento da condutividade térmica medida neste trabalho com

a literatura em função da temperatura83

Fig. 4-28 Comparação do aumento da condutividade térmica medida neste trabalho com

84

Fig. 4-29 Comparação da condutividade térmica do nanofluido determinada neste trabalho com resultados teóricos disponíveis na literatura para a fração em volume

Fig. 7-1 Resultado da água a 25oC no LFA447/193
Fig. 7-2 Resultado da água a 35oC no LFA447/194
Fig. 7-3 Resultado da água a 45oC no LFA447/194
Fig. 7-4 Resultado do nanofluido a 25oC no LFA447/195
Fig. 7-5 Resultado do nanofluido a 35oC no LFA447/196
Fig. 7-6 Resultado do nanofluido a 45oC no LFA447/196
Fig. 8-1 Gráficos dos testes realizado na água97
Fig. 8-2 Gráficos dos testes realizado na água98
Fig. 8-3 Gráficos dos testes realizado no etileno glicol98
Fig. 8-4 Gráficos dos testes realizado no etileno glicol9

Fig. 4-30 Comparação condutividade térmica do nanofluido determinada neste trabalho com resultados teóricos disponíveis na literatura para a variação de temperatura.85 Fig. 8-5 Gráficos dos testes realizado na glicerina.......................................................100

Fig. 8-6 Gráficos dos testes realizado na glicerina101
Fig. 8-7 Gráficos dos testes realizado no nanofluido101
Fig. 8-8 Gráficos dos testes realizado no nanofluido102
105

x Fig. 10-1 Notebook desenvolvido para o cálculo da incerteza expandida das medições

de nanofluidos106

Fig. 1-1 Notebook desenvolvido para o cálculo do aumento da condutividade térmica

de nanofluidos107

Fig. 1-2 Notebook desenvolvido para o cálculo do aumento da condutividade térmica

de nanofluidos108

Fig. 1-3 Notebook desenvolvido para o cálculo do aumento da condutividade térmica

Fig. 1-4 Notebook desenvolvido para o cálculo do aumento da condutividade térmica de nanofluidos. ..................................................................................................... 109

Tabela 1.1 Condutividade Térmica de vários materiais sólidos e líquidos1
Tabela 3.1 : Nanofluidos reportados da literatura40
84
Tabela 9.1 Resultados dos testes realizados com o Etileno Glicol103
Tabela 9.2 Resultados dos testes realizados com a Glicerina103
Tabela 9.3 Resultados dos testes realizados com a água104

Índice de Tabelas Tabela 4.1 Comparação da condutividade térmica do nanofluido determinada neste trabalho com resultados teóricos disponíveis na literatura para a fração em volume Tabela 9.4 Resultados dos testes realizados com o nanofluido....................................104 xii

afator de perda de calor adimensional
cpcalor específico à pressão constante [J/kg K]
Lcomprimento [m]
Kcondutividade térmica [W/m K]
Ttemperatura [K]
ttempo [s]
QFluxo de calor [W/m2]
WFluxo de calor perdido [W/m2]

Nomenclatura Letras Gregas α difusividade térmica [m2/s] ε emissividade adimensional Θ temperatura adimensional ρ massa específica [kg/m3] τ tempo adimensional

σconstante de Stefan Boltzman

Subscritos

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