Estudo da transferência de calor de nanofluidos submetidos à convecção natural em uma cavidade

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Vecchia, Leonardo Casagrande Dalla
Data de Publicação: 2019
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/214320
Resumo: Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2019
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spelling Estudo da transferência de calor de nanofluidos submetidos à convecção natural em uma cavidadeEngenharia mecânicaCalorCalorÓxidos de ferroPetróleoDissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2019As empresas exploradoras de petróleo têm buscado campos petrolíferos em águas cada vez mais profundas, com o objetivo de suprir a demanda energética mundial. No entanto, a exploração de petróleo em águas profundas possui uma série de desafios como, por exemplo, o fornecimento de energia elétrica para suprir os equipamentos de operação. Uma típica rede de distribuição submarina conta com equipamentos como transformadores e inversores de frequência, que dissipam uma grande quantidade de calor devido ao alto consumo de energia. Para que não haja sobreaquecimento e outros danos a estes equipamentos, é necessário um sistema para resfriá-los. Dentre os métodos mais utilizados, destaca-se o resfriamento por convecção natural, devido às baixas temperaturas encontradas no oceano. Neste sistema, um fluido dielétrico é inserido no interior do equipamento e a troca de calor entre o oceano e o equipamento ocorre pela movimentação do fluido decorrente da variação de sua densidade. No entanto, como este fluido deve obrigatoriamente ser isolante elétrico, as propriedades térmicas destes acabam não sendo as ideais. Neste sentido, o presente trabalho teve como objetivo principal avaliar o efeito que a adição de nanopartículas de Nitreto de Boro hexagonal (hBN) e de Óxido de Ferro (Fe3O4) em um óleo dielétrico (MIDEL7131) causam nas propriedades do fluido e no fenomêno de transferência de calor por convecção natural em uma cavidade. A concentração em massa de nanopartículas variou entre 0,01 e 2,00% e as propriedades avaliadas foram a densidade, viscosidade dinâmica e condutividade térmica. Além disso, análises utilizando Dynamic Laser Scattering (DLS) foram conduzidas com o objetivo de avaliar o tamanho das nanopartículas após a preparação do nanofluido e também a estabilidade do mesmo. Análises qualitativas, através de aquisição de imagem, também foram realizadas com o objetivo de avaliar a estabilidade dos nanofluidos. Para a análise do fenômeno de convecção natural em cavidade, adaptou-se a bancada montada por Popinhak et al. (2013) e os resultados foram avaliados em termos do calor trocado com o fluido e do h de convecção do mesmo. A adição de nanopartículas mostrou exercer pouca influência em relação a densidade do fluido, enquanto que na viscosidade dinâmica os aumentos chegaram a 49% e 11,8% para os nanofluidos de Fe3O4 e hBN, respectivamente. Em relação a condutividade térmica, os aumentos foram mais discretos, chegando a 1,6 % para o nanofluido de Fe3O4, e 5,4 % para o nanofluido de hBN. Analisando apenas as propriedades, o nanofluido de hBN apresentou melhores resultados, uma vez que um aumento da viscosidade é prejudicial para o fenômeno analisado, e o aumento na condutividade térmica é benéfico. O melhor desempenho do nanofluido de hBN foi confirmado também nos testes experimentais da bancada. Apesar de apresentar ganhos no valor médio do h de convecção, os resultados do conjunto de testes para o nanofluido de hBN se mostraram dispersos, indicando que este parâmetro possui valores próximos aos do óleo puro.Abstract: Oil explorers have been seeking oil fields in deeper and deeper waters to suply the global energy demand. However, the oil explotation in deep waters has a number of challenges, such as the supply of electricity for the equipment operation. A typical subsea distribution network relies on equipment such as transformers and variable speed drives that dissipate a large amount of heat due to the high energy consumption. In order to avoid overheating and other damage to these equipment, a cooling system is required. Among the most used, natural convection stands out due to the low temperatures found in the ocean. In this system, a dielectric fluid is inserted inside the equipment and the heat transference between the ocean and the equipment occurs by the movement of the fluid due to its density variation. However, as this fluid must be electrical insulator, the thermal properties of the fluid are not ideal. In this sense, the main objective of this work was to evaluate the effect that the addition of nanoparticles of hexagonal boron nitride (hBN) and iron oxide (Fe3O4) in a dielectric oil (MIDEL7131) causes in the properties and in the phenomenon of natural convection heat transfer in a cavity. The mass concentration of the nanoparticles ranged from 0,01 to 2,00%, and the properties evaluated were density, dynamic viscosity and thermal conductivity. In addition, DLS analyzes were conducted with the objective of evaluating the size of the nanoparticles after the preparation and the stability of nanofluid. Qualitative analysis through image acquisition was also performed with the objective of evaluating the stability of nanofluids. For the analysis of the natural convection in a cavity, the experimental apparatus of Popinhak et al. (2013) was adapted and the results were evaluated in terms of the heat exchanged with the fluid and the convective heat transfer. The addition of nanoparticles showed little influence on fluid density, whereas in the dynamic viscosity the increases reached 49 % and 11.8% for the Fe3O4 nanofluid and hBN nanofluid, respectively. Regarding the thermal conductivity, the increases were more discrete, reaching 1,6% for the Fe3O4 nanofluid and 5,4% for the hBN nanofluid. By analyzing only the properties, the hBN nanofluid presented better results, since an increase in viscosity is detrimental to the phenomenon analyzed and the increase in thermal conductivity is beneficial. The best performance of hBN nanofluid was also confirmed in experimental bench tests. The average value of the convective heat transfer presenting some gains, however the results of the test set for hBN nanofluid were dispersed, indicating that this parameter has values close to those of the pure oil.Silva, Alexandre Kupka daBarbosa Junior, Jader RisoUniversidade Federal de Santa CatarinaVecchia, Leonardo Casagrande Dalla2020-10-21T21:03:56Z2020-10-21T21:03:56Z2019info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis146 p.| il., tabs., gráfs.application/pdf363647https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/214320porreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2020-10-21T21:03:56Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/214320Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732020-10-21T21:03:56Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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