Experimental and numerical investigation on natural convection heat transfer in nanofluids Translated title: Experimentelle und numerische Untersuchung zum Wärmeaustausch durch natürliche Konvektion in Nanofluiden

Abstract

An experimental study has been undertaken concerning natural convection heat transfer of nanofluids over a cylindrical heater with a constant wall heat flux condition. The cylindrical heater having 7.1 mm O. D. and 0.5 mm thickness with 100 mm heated length was used as heater surface. The heat flux was varied from 0 to 50 000 W/m ² and the corresponding Rayleigh number range is varied from 3 × 10 ⁴ to 1.65 × 10 ⁵. Different Nanofluids were used i. e. Aluminium oxide, Titanium dioxide, Silicon dioxide and Copper oxide with concentration varying from 0.0005 % to 0.05 % by weight. Results show that there was a reduction in natural convection heat transfer coefficient of nanofluids as compared to water. Experimental results were compared with existing models for similar geometry. However, the available correlation was found to be unable to predict experimental data as it does not take into account the effect of particle concentration. A new empirical model was developed based on the experimental data including the effect of nanoparticles concentration which predicts the experimental data satisfactorily.

Kurzfassung

Eine experimentelle Studie zum Wärmeaustausch durch natürliche Konvektion in Nanofluiden wurde mit Hilfe einer zylindrischen Heizvorrichtung bei konstantem Wandwärmestrom durchgeführt. Eine Vorrichtung mit einen äußeren Durchmesser von 7.1 mm, 0.5 mm Dicke und 100 mm Länge wurde als Heizfläche verwendet. Die Wärmestromdichte variierte zwischen 0 und 50 000 W/m ² und der entsprechende Bereich der Rayleigh-Zahl variierte zwischen 3 × 10 ⁴ und 1.65 × 10 ⁵. Verschiedene Nanofluide wurden verwendet: Aluminiumoxid, Titandioxid, Silikondioxid und Kupferoxid mit Konzentrationen zwischen 0.0005 % und 0.05 % Gewichtsprozenten. Die Ergebnisse zeigen eine Reduktion des Wärmeaustauschkoeffizienten der Nanofluide verglichen mit Wasser. Bestehende Modelle können die experimentellen Ergebnisse nicht vorhersagen, da der Effekt der Partikelkonzentration nicht berücksichtigt wurde. Deshalb wurde ein neues numerisches Modell entwickelt auf der Grundlage der experimentellen Daten unter Einbeziehung der Konzentration der Nanopartikel. Dieses Modell sagt die experimentellen Daten zufriedenstellend voraus.