NUMERICAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF THE FREEZING OF CNT-WATER NANOFLUIDS IN A RECTANGULAR CAVITY. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF MS_Thesis_by_Alshehri_Ali_M.pdf Download (7MB) | Preview

Arabic Abstract

نستطيع تعريف السوائل النانوية بأنها سوائل متعارف عليها مدعمة بجسيمات معدنية متناهية الصغر قطرها يحسب بالنانومتر. كما هو معلوم فإن المعادن تمتلك موصلية عالية للحرارة بينما السوائل تعتبر موصليتها ضعيفة جدًا مقارنة بالمعادن، لذلك فإن السوائل النانوية تمتلك خواص موصلية المعادن وسيلان الموائع في آن واحد. هذه الخواص جعلت من هذا النوع من السوائل محل دراسة كثير من الباحثين في الوقت الراهن. تتعد استخدامات السوائل النانوية في الصناعة ومن الأمثلة عليها صناعة المبردات وتبريد الأجهزة الالكترونية وكذلك في تخزين الطاقة الحرارية. لقد تمت دراسة عملية ورياضية في هذا العمل لنوع واحد من السوائل النانوية ألا وهو ماء مدعم بأنابيب الكربون النانوية (CNT). الهدف من هذه الدراسة هو معرفة تأثير هذا السائل على عملية التجمد الحاصلة في الماء ما له أهمية كبيرة في تخزين الطاقة الباردة. لقد صُممت تجربة لدراسة الوقت المستغرق في عملية التجمد في عينات من هذا السائل تختلف في تركيز الجسيمات النانوية. هذه العينات تم تكوينها في المعمل قبل البدء بالتجربة وكانت عبارة عن عينتين إحداهما بتركيز 0.3% والأخرى بتركيز 1%. قورنت هذه العينات مع بعضها ومع الماء الذي يعتبر هو السائل المستضيف في هذه الحالة. أبدت النتائج انخفاضًا ملحوظًا في الوقت المستغرق للتجمد في حالة واحدة من حالات التجربة ألا وهي حالة انعدام الحمل الحراري الطبيعي. عندما قورن الوقت المستغرق لهذه العينات للتجمد مقارنة بالماء وجدنا انخفاضًا بنسبة 11% عند إضافة 0.3% وبنسبة 14.4% عند إضافة 1%. لهذه النتيجة أهمية كبيرة للمهتمين بصناعة بطاريات الثلج حيث أن انخفاض الوقت المستغرق للتجمد يقلل الوقت المستغرق لشحن أو تفريغ البطارية حسب الحاجة. وفي محاولة لتفسير الانخفاض في الوقت المستغرق للتجمد قيست الموصلية الحرارية لهذه السوائل ما أظهر ارتفاعًا في قيمها اطرادًا مع تركيز الجسيمات النانوية. الحالة الأخرى من التجارب هي بوجود الحمل الحراري الطبيعي. لقد أبدت التجارب المقامة على الماء بأن الوقت انخفض بشكل ملحوظ عن الحالة الأولى. مع ذلك فإن الانخفاض لم يكن ظاهرًا على السوائل الأخرى بل العكس تمامًا هو ما حصل. إن دراسة الموضوع تجريبيا أبدى بعض الظواهر المشوقة لدراسة أعمق حيث أن قراءات درجة الحرارة انخفضت بشكل مفاجئ في وقت معين من التجربة بشكل متكرر. لأجل دراسة أعمق لقد قمنا بتطوير أنموذج رياضي يحاكي عملية التجمد المستخدمة في التجربة المعملية. النتائج أظهرت أن حركة السوائل داخل الصندوق تمتاز بتواجد دوامتين تعملان على الحمل الحراري الطبيعي متعاكستين في الاتجاه. السبب في وجود هاتين الدوامتين هو أن الماء يمتاز بخاصية و هي أن كثافته تصل لقمتها عند درجة حرارة 4 ℃. تم كتابة برنامج خاص لتفعيل هذه الخاصية للماء في البرنامج الرياضي المستخدم وهو برنامج عالمي موثوق اسمه FLUENT. وبالقيام بالمحاكاة الرياضية تبين أن إضافة الجسيمات النانوية إلى الماء تؤدي إلى انخفاض الوقت المستغرق لعملية التجمد بغض النظر عن حالة العملية أي ما إذا كانت بوجود أو انعدام الحمل الحراري الطبيعي. بل على العكس من التجربة المعملية حيث أبدت النتائج الرياضية أن وجود الحمل الحراري الطبيعي يخفض وقت التجمد بشكل أكبر من انعدامه. بمقارنة النتائج الرياضية والتجريبية يتبين التوافق بينهما في حالة انعدام الحمل الحراري الطبيعي أما في حالة وجوده فهما لا يتفقان البتة. تم العمل على بناء تجربة أخرى لمعرفة السبب وراء هذا التناقض وفهم ما يحصل للسوائل النانوية عند تجميدها وقد أظهرت الدراسة أن السوائل تبدأ بالترسب والتجمع مع بعضها عند درجات حرارة منخفضة. والسبب في ذلك هو المادة المعلِقة المستخدمة هنا وهي اللبان العربي. في الدراسة الرياضية تم اختبار تركيز أعلى من الجسيمات النانوية وأظهرت النتائج أن إضافة جسيمات نانوية بتركيز 2% يخفض الوقت المستغرق للتجمد بنسبة 27.2% مقارنة بالماء.

English Abstract

Nanofluids are defined as conventional liquids seeded with small nano-sized metallic particles. The fact that metals possess higher thermal conductivities than liquids gives Nanofluids an advantage of having high thermal conductivities as well as liquid-like behavior. Recently, Nanofluids have been developed and introduced into different engineering applications, such as cooling industrial processes, electronic cooling, and thermal energy storage, to name a few. In this work, numerical and experimental investigations were performed in order to obtain a good insight on the freezing process of CNT-water Nanofluids and their potential use in cold energy storage. An experimental setup was designed and built to test the total freezing time of different Nanofluids. Different stable CNT-water Nanofluids were prepared prior to making the experiment corresponding to CNT weight concentrations of 0.3% and 1%. Thermal behavior and total freezing times were tested for the aforementioned Nanofluids and compared to that of water, as it is the base liquid. It was found that Nanofluids were able to reduce the total freezing time only in the absence of natural convection. A reduction in total freezing time of 11% and 14.4% was noticed upon adding 0.3% and 1% of CNT particles to water, respectively. This result benefits many industries making use of cold energy storage in reducing the charging/discharging times of ice batteries. The existence of natural convection in water was found to reduce the total freezing time tremendously; however, upon adding CNT particles viscosity increases as well suppressing natural circulations. To understand the experimental results, thermal conductivities of the studied Nanofluids were measured and enhancement of 4.2% was found upon adding 1% of CNT particles. In addition, the reason of the failure of CNT to reduce freezing time in cases where natural convection existed was found to be due to a probable failure of Gum Arabic to withstand low temperatures. Temperature readings from the experiment showed interesting behavior of the tested liquids. Therefore, a two-dimensional CFD model was developed to study the flow and thermal fields. Results showed that the flow field is characterized by two circulation zones caused by the fact that water has a density-inversion point at a temperature of 4 oC. This zone was first noticed in the experiment and then a new code was written and implemented into FLUENT software to simulate the flow field. In the numerical work, it was found that adding CNT particles to water reduces total freezing time for all studied cases. Numerical results matched the case of diffusion-dominant freezing experiments (Stratified); however, cases with natural convection (Non-stratified) failed to match due to the lack of agglomeration information in the CFD model. The CFD model was extended to simulate higher CNT concentration. A reduction of 27.2% in total freezing time was observer upon adding 2% of CNT particles in non-stratified simulations.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Ben-Mansour, Rached
Committee Members:	Antar, Mohammad and Abdul Hakim, Saidur
Depositing User:	ALI AL-SHEHRI (g200919230)
Date Deposited:	28 May 2017 09:33
Last Modified:	30 Dec 2020 13:32
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140315