Experimental characterization of thermophysical properties and convective heat transfer behavior of hexagonal boron nitride nanofluids

Abstract

Hekzagonal bor nitrür (hBN), yüksek ısıl iletim katsayısı ve üstün kimyasal inertlik gibi çok yönlü özellikleri olan, yüksek seviyede kararlı ve yalıtkan bir seramik malzemedir. Bu çalışmada hBN nanparçacıkları içeren iyondan arındırılmış su, etilen glikol (EG) ve EG-su (%50 hacimsel oran) baz sıvılı nanoakışkanların, hazırlanması, kararlılığı, termofiziksel özellikleri ve taşınım ısı transferi karakteristikleri deneysel olarak incelenmiştir. Bu sebeple, hBN nanoparçacıkları içeren kararlı nanoakışkanlar 2 adımlı üretim yöntemiyle üretilmiştir. Nanoakışkanların kararlılığı, zamana bağlı Zeta Potansiyel ve ısıl iletkenlik ölçümleri ile niceliksel olarak belirlenmiştir. Morfolojik karakterizasyon ise çevresel tarayan elektron mikroskobu (ESEM) ve zamana bağlı, tarayan elektron mikroskobu (TEM) ile tamamlanmıştır. %0.03 ile %3 arasında hacimsel konsantrasyonlu nanoakışkanların ısıl iletkenlik katsayısı artırımları, vizkozite değişimleri ile koordine olarak gözlemlenmiştir. hBN nanoakışkanlarının taşınım ısı transferi özellikleri, ısısal olarak gelişen katmanlı akışlarda, hacimsel oranı %0.1 ile %1 arasında değişen hBN-su nanoakışkanları, 800 ile 1700 Re arasındaki boru içi zorlanan akışlarda incelenmiştir. hBN nanoakışkanlarının, dikkat çekici ölçüde yüksek ısıl iletkenlik katsayısına sahip oldukları gözlemlenmiş olup, ayrıca, hBN-su nanoakışkanları, görece düşük konsantrasyonlarda bile, vizkozite değerlerindeki artışa kıyasla, önemli ölçüde artışı ısıl iletkenlik katsayısında göstermiştir. Taşınım ile ısı transferi özellikleri bakımından hBN-su nanoakışkanları, ısıl iletkenlik artışına parallel bir artış göstermiştir. Bu yüzden Nusselt sayısında normalin dışında bir artış görülmemiş olup, elde edilen bulgular katmanlı akışlar için standart sayılan ısıl yönden gelişen akış korelasyonlarından elde edilen sonuçlar ile uyumludur.

Hexagonal boron nitride (hBN) is a highly stable dielectric ceramic material that exhibits versatile properties such as, exceptionally high thermal conductivity and good chemical inertness. In this study, preparation, stability and thermophysical properties and convective heat transfer characteristics of hBN containing DI water, ethylene glycol (EG) and EG-DI water mixture (by volume 50%) based nanofluids are experimentally investigated. Well dispersed, stable nanofluids, containing hBN nanoparticles are produced with a two-step method. The stability is evaluated by quantitative methods such as, time dependent Zeta Potential, and thermal conductivity measurements. Morphological characterization is completed by qualitative methods such as, ESEM (Environmental Scanning Electron Microscopy) and TEM (Transmission Electron Microscopy). The thermal conductivity enhancement of nanofluids (vol. conc. range: 0.03-3%), is investigated in accordance with increase in viscosity. Thermally developing laminar forced convection of hBN-water nanofluids with a particle volume concentration range of 0.1-1% are considered for a Re range of 800-1700. It is observed that the hBN nanofluids have remarkably higher thermal conductivity values than their corresponding base fluids. Moreover, hBN-water nanofluids with relatively dilute particle suspensions, exhibit significant increase in thermal conductivity with respect to the viscosity increase. For the case of convective heat transfer behavior, the enhancement in the convective heat transfer coefficient of nanofluids is proportional to the observed thermal conductivity enhancement. Therefore, there is no abnormal enhancement in the measured Nusselt number, and measured values are in good agreement with predictions by standard laminar thermally developing flow correlations.