SUPERVISOR
Nasrin Etesami,Mohsen Nasresfahany
نسرین اعتصامی (استاد راهنما) محسن نصراصفهانی (استاد راهنما)
STUDENT
Navid Naseri
نوید ناصری بروجنی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Experimental Investigation of Natural Convective Heat Transfer of Magnetic Nanofluid Fe3O4/Ethylene Glycol under Magnetic Field
Experimental Investigation of Natural Convective Heat Transfer of Magnetic In the present study natural convection heat transfer of Fe3O4/Ethylene Glycol nanofluid around a horizontal heated wire in the presence of external magnetic field was studied experimentally. The effects of the external magnetic field strength and its orientation on natural convection heat transfer of the magnetic nanofluid were analyzed at small values of Rayleigh Number. For natural convection heat transfer of pure ethylene glycol, the nusselt numbers result from the experiments were compared with the ones calculated from Morgan formula in order to confirm that the experimental set up was working properly. The uncertainty was also calculated for all experimental data. According to the experimental results and the result calculated from Morgan equation, the largest relative error was about 4.9% and the average uncertainty range is about "± 2.48×" ?"10" ?^"-2" which assures the correct performance of experimental set up. The values of relative nusselt numbers (the ratio of nusselt number of nanofluid to nusselt number of base fluid) for volume concentrations of 0.005% and 0.015% were greater than 1 (1.015 and 1.034 respectively) for almost all Rayleigh numbers in range. The existence of uniform horizontal magnetic field and the vertical magnetic field in both directions causes the reduction in natural convection and this effect was magnified as the power of magnetic field was raised up to 370 gauss for vertical field and 280 gauss for horizontal field and also the increase of nanofluid concentration. It was also seen that the presence of the uniform horizontal magnetic field and the vertical magnetic field in both directions reduce the natural convection heat transfer. It was concluded that by increasing the strength of magnetic field and the nanofluid concentration, at constant Rayleigh number, the heat transfer coefficient is decreased. Comparison between the experimental data indicates that the Nusselt number of the magnetic fluid in the horizontal field is smaller than that in the vertical field for the same Rayleigh number due to the effects of magnetic forces in the opposite direction of magnetic fluid convection. In the presence of a vertical magnetic field with the strength of 370 gauss, the minimum amount of relative natural convection heat transfer coefficient (the ratio of natural convection heat transfer coefficient in the presence of magnetic field to the one in the absence of magnetic field) was 0.8 for the nanofluid concentration of 0.015% at the largest Rayleigh number while the smallest value of relative natural convection heat transfer coefficient in the presence of a 280 gauss and horizontal magnetic field was about 0.65 for the same nanofluid concentration. It can be concluded that the external magnetic field is a vital factor that affects the natural convective heat transfer performances of the magnetic fluids and the control of heat transfer processes of a magnetic fluid can be possible by applying an external magnetic field. Keywords: natural convection heat transfer, magnetic nanofluid, magnetic field, nusselt number, magnetic force
بیشتر مطالعات تجربی و تئوری صورت گرفته در زمینه بررسی اثر میدان های مغناطیسی بر فرآیند انتقال حرارت جابجایی آزاد نانوسیال های مغناطیسی محدود به بررسی جابجایی آزاد در یک محفظه بسته است که فرآیند انتقال حرارت به دلیل اختلاف دما میان دیواره های آن اتفاق می افتد، در صورتی که در بسیاری از تجهیزات، فرآیند انتقال حرارت جابجایی آزاد سیال، اطراف یک منبع گرمایی رخ می دهد. اما این نوع محیط انتقال حرارت به ندرت مورد بررسی قرار گرفته است. به همین دلیل در مطالعه حاضر، انتقال حرارت جابجایی آزاد نانوسیال مغناطیسی اتیلن گلیکول/Fe 3 O 4 اطراف سیم نازک پلاتینی (منبع تولید گرما) در حضور میدان مغناطیسی خارجی، به صورت آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفته است. به این منظور تغییرات عدد ناسلت و ضریب انتقال حرارت جابجایی آزاد به صورت تابعی از غلظت نانوسیال مغناطیسی و تحت تأثیر میدان مغناطیسی اعمال شده با قدرت و جهت های مختلف در ریلی های پایین (کمتر از 100)، مورد مطالعه قرار گرفته است. به منظور بررسی صحت عملکرد سیستم آزمایشی، اعداد ناسلت بدست آمده برای اتیلن گلیکول خالص در انتقال حرارت جابجایی آزاد با رابطه تئوری مورگان مقایسه گردید و نیز بازه عدم قطعیت نتایج آزمایشگاهی تعیین شد. بیشترین خطای نسبی داده های آزمایشگاهی با داده های رابطه مورگان 9/4% است و متوسط بازه عدم قطعیت نتایج آزمایشگاهی مقداری برابر دارد. نتایج به دست آمده حاکی از عملکرد مناسب سیستم آزمایشگاهی می باشند. همچنین نتایج مربوط به آزمایش های نانوسیال مغناطیسی نشان می دهند که در غیاب میدان مغناطیسی، با افزایش غلظت نانوسیال تا 015/0% حجمی، در تمامی محدوده ریلی عدد ناسلت افزایش می یابد. همچنین مقادیر عدد ناسلت نسبی (نسبت عدد ناسلت نانوسیال به عدد ناسلت سیال پایه) برای غلظت های 005/0 و 015/0% حجمی بزرگتر از یک بوده و تقریبا در تمامی محدوده عدد ریلی مقادیر ثابت و به ترتیب برابر با 015/1 و 034/1 هستند. اما اعمال میدان مغناطیسی در راستای موازی با جریان جابجایی (عمودی) و در هر دو جهت بالا و پایین و نیز راستای عمود بر جریان جابجایی آزاد (افقی)، باعث کاهش سرعت جابجایی آزاد سیال شده و این اثر با افزایش قدرت میدان تا 370 گوس برای میدان عمودی و 280 گوس برای میدان افقی و همچنین افزایش غلظت نانوسیال تشدید می شود. مقایسه نتایج دو راستای عمودی و افقی نشان داد که، کاهش انتقال حرارت جابجایی آزاد در حضور میدان افقی بیشتر بوده و دلیل آن وجود نیرو های مغناطیسی اثر کننده در خلاف جهت جابجایی سیال است. در حضور میدان عمودی با قدرت 370 گوس، کمترین ضریب انتقال حرارت جابجایی نسبی (نسبت ضریب انتقال حرارت جابجایی آزاد نانوسیال در حضور میدان به ضریب انتقال حرارت جابجایی آزاد در غیاب میدان) مربوط به بزرگ ترین عدد ریلی و غلظت 015/0% حجمی بوده و مقداری برابر با 8/0 دارد. این در حالی است که کمترین مقدار ضریب انتقال حرارت جابجایی آزاد نسبی در حضور میدان افقی با قدرت 280 گوس، در غلظت مشابه مقداری برابر 65/0 دارد. بنابراین بر طبق نتایج حاصله مشخص است که اعمال میدان مغناطیسی خارجی به عنوان فاکتور مهم تأثیر گذار بر فرآیند انتقال حرارت جابجایی آزاد سیال های مغناطیسی می باشد و می توان از این شرایط جهت کنترل انتقال حرارت استفاده نمود.