Proyecto_Nanopartículas en intercambiador de calor de tubos concéntricos

7/22/2019 Proyecto_Nanopartculas en intercambiador de calor de tubos concntricos

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ESCUELA POLITCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERA MECNICA

EVALUAR EL USO DE NANO-PARTCULAS DE DIXIDO DE

TITANIO PARA EL MEJORAMIENTO DE LA TRANSFERENCIA DE

CALOR EN UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS

CONCNTRICOS CON AGUA COMO FLUIDO DE TRABAJO

MAYRA TATIANA ANDRANGO CORREA

JORGE CARLOS BAQUERO DUQUE

JAIME RENATO CUEVA TOALOMBO

LUIS GABRIEL GUANOLUISA DIAZ

ING. ANGEL PORTILLA

Quito, Noviembre 2013


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NDICENDICE DE TABLAS ............................................................................................... 61. GENERALIDADES ........................................................................................... 7

1.1. TTULO ...................................................................................................... 71.2. OBJETIVOS ............................................................................................... 7

1.2.1. OBJETIVO GENERAL ......................................................................... 7 1.2.2. OBJETIVOS ESPECFICOS ............................................................... 7

1.3. ALCANCE .................................................................................................. 81.4. JUSTIFICACIN ........................................................................................ 8

2. ESTUDIO PREVIO, NANOPARTCULAS E INTERCAMBIADORES DECALOR [1]................................................................................................................ 9

2.1. NANO-PARTCULAS Y NANO-FLUIDOS .................................................. 92.1.1. INTRODUCCIN ................................................................................. 92.1.2. APLICACIONES EN TRANSFERENCIA DE CALOR ........................ 112.1.3. APLICACIONES AUTOMOTRICES .................................................. 122.1.4.

APLICACIONES ELECTRNICAS ................................................... 14

2.1.5. APLICACIONES BIOMDICAS ......................................................... 162.1.6. OTRAS APLICACIONES ................................................................... 18

2.2. EFECTO DE LA CONCENTRACIN VOLUMTRICA DE UN NANO-FLUIDO EN LA TRANSFERENCIA DE CALOR DENTRO DE UNA TUBERA

HORIZONTAL [3]................................................................................................ 192.3. INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS CONCNTRICOS [A]........ 23

2.3.1. ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DEL EQUIPO ................................ 232.3.2. PROCEDIMIENTO DE MONTAJE .................................................... 24

2.4. OBTENCIN DE LAS NANO-PARTCULAS ........................................... 272.4.1. DIXIDO DE TITANIO ...................................................................... 27


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2.4.2. MOLINO DE ATRICIN [4] ............................................................... 282.4.3. MOLIENDA DE DIXIDO DE TITANIO [4] ........................................ 302.4.4. OTROS EQUIPOS UTILIZADOS ....................................................... 312.4.5. BOLAS MOLEDORAS ....................................................................... 322.4.6. PROCESO DE OBTENCIN............................................................. 34

3. ENSAYO EN EL EQUIPO DEL LABORATORIO ........................................... 403.1. PUESTA EN MARCHA ............................................................................ 403.2. IMPLEMENETACIN DE NANOPARTCULAS EN EL EQUIPO ............. 413.3. DATOS OBTENIDOS ............................................................................... 43

4. ANLISIS EN MATLAB .................................................................................. 444.1. DATOS DEL EQUIPO Y NANO-PARTCULAS [5].................................... 444.2. SELECCIN DE MODELOS MATEMTICOS ........................................ 454.3. PROCEDIMIENTO DE ANLISIS ............................................................ 484.4. PROGRAMACIN ................................................................................... 494.5. RESULTADOS ......................................................................................... 57

5. ANLISIS DE RESULTADOS ........................................................................ 626. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................. 637. BIBLIOGRAFA .............................................................................................. 65

7.1. REFERENCIAS ELECTRNICAS ........................................................... 658. ANEXOS ........................................................................................................ 66

8.1. ANEXO 1: Resultados obtenidos del anlisis del tamao de lasnanopartculas de dixido de titanio realizadas ................................................. 668.2. ANEXO 2: Resumen de resultados obtenidos de tamao denanopartculas de dixido de titanio .................................................................. 69


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NDICE DE FIGURAS

Figura 2.1. Efecto del nano-fluido sobre la capacidad de transferencia de calor en

un OHP (nano-fluido de la pipa de calor oscilante) ............................................... 15Figura 2.2. Variacin de la conductividad trmica en funcin del volumen de

concentracin ........................................................................................................ 21Figura 2.3. Variacin del nmero de Nusselt en funcin del nmero de Reynolds

para TiO2en diferente concentracin .................................................................... 21Figura 2.4. Bomba de agua marca PAOLO de hp ............................................. 23Figura 2.5. Codos, acoples y vlvulas de compuerta ............................................ 23Figura 2.6. Mangueras de dimetro 20 [mm], 12[mm] y 10 [mm] .......................... 23Figura 2.7. (a) Resistencia elctrica, (b) condensador de tubos concntricos ...... 24Figura 2.8. Tanque para el fluido caliente con los acoples para la tubera. ........... 24Figura 2.9. (a) Retiro de los pedazos de manguera que se encontraba en el

condensador, (b) y (c) unin de la tubera al condensador. .................................. 25Figura 2.10. a) Bomba de agua conectada a la tubera, b) tanque conectado a la

tubera ................................................................................................................... 25Figura 2.11. (a) Tanque unido a la tubera y al condensador, (b) bomba unida a la

tubera y al condensador. ...................................................................................... 26Figura 2.12. Montaje finalizado, equipo listo para la realizacin de ensayos y tomade datos................................................................................................................. 27Figura 2.13. Muestra de dixido de titanio ............................................................ 28Figura 2.14. Elementos bsicos del molino de atriccin ........................................ 28Figura 2.15. (a) Balanza digital, (b) Microscopio, (c) Caracterizador de tamao de

partculas por haz lser ......................................................................................... 32Figura 2.16. Dixido de titanio base (100 X) ......................................................... 32Figura 2.17. Elementos moledores de xido de circonio (a) 2.5[mm], (b) 1[mm] .. 33Figura 2.18. Mezcla de bolas moledoras ............................................................... 33Figura 2.19. Tamices ASTM utilizados para la separacin de las bolas del material

molido .................................................................................................................... 34Figura 2.20. 100[g] de dixido de titanio ............................................................... 34Figura 2.21. 200[g] de elementos moledores ........................................................ 35


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Figura 2.22. Relacin de materialbolas moledoras. .......................................... 35Figura 2.23. 50[ml] de alcohol ............................................................................... 36Figura 2.24. Mezcla dentro del tanque .................................................................. 36Figura 2.25. (a) Ajuste de pernos, (b) posicionamiento del mandril ...................... 37Figura 2.26, (a) Mezcla molida, (b) Mezcla en el tamiz ......................................... 37Figura 2.27. Tamizado de la mezcla ..................................................................... 38Figura 2.28. Evaporacin del lquido en la mezcla ................................................ 38Figura 2.29. Dixido de titanio molido diez minutos con alcohol (1000x) .............. 39Figura 3.1. Termocuplas marca FLUKE y nano-partculas de dixido de titanio ... 40Figura 3.2. Tanque con fluido caliente, que se calienta mediante resistencia

elctrica ................................................................................................................. 40Figura 3.3. Colocacin y dispersin de las nano partculas de dixido de titanio enel tanque con fluido caliente. ................................................................................. 41Figura 3.4.Circulacin del nanofluido en el equipo por la tubera caliente (interior)

.............................................................................................................................. 42Figura 3.5. Salida del fluido caliente con nano partculas al tanque. ..................... 42Figura 4.1. Esquema de transferencia de calor en tubo concntrico exterior ........ 47Figura 8.1. Resumen de resultados de tamao de nanopartculas de dixido de

titanio ..................................................................................................................... 69


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NDICE DE TABLAS

Tabla 2.1. Nmero de artculos cientficos sobre nano-fluidos, nano-fluidos y

transferencia de calor, y nano-fluidos y propiedades de base de datos SCOPUS

.............................................................................................................................. 10

Tabla 2.2. Documentos relevantes sobre mejoramiento de la conductividad trmica

.............................................................................................................................. 10Tabla 2.3. Constantes para la ecuacin del nmero de Nusselt ........................... 22Tabla 2.4. Propiedades relevantes para la molienda del dixido de titanio ........... 30Tabla 2.5. Parmetros de molienda seca aplicados en el dixido de Titanio. ....... 30Tabla 2.6. Parmetros de molienda hmeda aplicados en el dixido de Titanio. .. 31Tabla 3.1. Valores obtenidos de prueba experimental sin utilizar nanopartculas . 43Tabla 3.2. Valores obtenidos de prueba experimental al utilizar nanopartculas ... 43


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1.GENERALIDADES

1.1. TTULO

Evaluar el uso de nano-partculas de dixido de titanio para el mejoramiento de la

transferencia de calor en un intercambiador de calor de tubos concntricos con

agua como fluido de trabajo.

1.2. OBJETIVOS

1.2.1. OBJETIVO GENERAL

Evaluar el uso de nano-partculas de dixido de titanio para mejorar transferencia

de calor en un intercambiador de calor de tubos concntricos con agua como

fluido de trabajo, realizando el anlisis del comportamiento en MATLAB yefectuando la comparacin con datos experimentales

1.2.2. OBJETIVOS ESPECFICOS

Estudiar los fenmenos de transferencia de calor que se producen al alterar

el agua con el uso de nano-partculas de dixido de titanio.

Determinar el funcionamiento de las nano-partculas en un intercambiador

de calor que transfiera la energa por medio del agua.

Realizar el anlisis en MATLAB de un intercambiador de calor que utilice

agua con nano-partculas de dixido de titanio como fluido de trabajo y

evaluar las diferencias de los resultados con respecto al modelo real del

laboratorio.

Comparar el coeficiente global de transferencia de calor que tiene el

intercambiador de calor de tubos concntricos al trabajar con agua comn y

agua con nano-partculas de dixido de titanio.

Conocer las ventajas y desventajas econmicas y tecnolgicas respecto aluso de lquidos modificados por nano-partculas en un intercambiador de

calor.

Identificar las aplicaciones de la nano-tecnologa en la vida cotidiana.


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1.3. ALCANCE

Se estudiar el principio de uso de nano-partculas para el mejoramiento de

la transferencia de calor en fluidos y sus aplicaciones ms comunes.

Se analizar en MATLAB el comportamiento del agua con nano-partculas

de dixido de titanio que mejoren la transferencia de calor en un

intercambiador de calor de tubos concntricos.

Se analizar los diferentes rendimientos que se obtienen al utilizar nano-

partculas de dixido de titanio para modificar las propiedades del agua.

1.4. JUSTIFICACIN

El proyecto surge de la necesidad de implementar nuevas tecnologas para el

mejoramiento del ambiente productivo en la transferencia de calor deintercambiadores, es decir se busca mejorar la transferencia de calor con el uso

de nano-partculas de dixido de titanio.

Se conoce que el agua tiene una conductividad trmica menor que los dispositivos

metlicos que la contienen; en este caso un intercambiador de calor, es por ello

que se ve la necesidad de implementar el uso de nano-partculas para aumentar la

transferencia de calor entre los lquidos de trabajo, creando nano-fluidos con

mayor coeficiente de transferencia de calor (h) que incrementen el rendimiento delequipo.


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2.ESTUDIO PREVIO, NANOPARTCULAS E

INTERCAMBIADORES DE CALOR [1]

2.1. NANO-PARTCULAS Y NANO-FLUIDOS

Los nano-fluidos son suspensiones de nano-partculas que muestran una mejora

en las propiedades del fluido en pequeas concentraciones, son utilizadas en

diferentes aplicaciones como la transferencia de calor, transporte, electrnica,

biomedicina, entre otras. El nano-fluido es un fluido inteligente donde podemos

controlar la transferencia de calor segn nuestras necesidades.

2.1.1. INTRODUCCIN

Los nano-fluidos son suspensiones diluidas en un lquido, con tamaos de almenos 100 [nm], que tienen propiedades termo fsicas mejoradas como

conductividad trmica, coeficiente convectivo de transferencia de calor, difusividad

trmica y viscosidad, propiedades que pueden ser comparadas con las

propiedades termo fsicas de lquidos comunes como agua, aceite, etc.

En su anlisis se tomar en cuenta factores como la forma y tamao de la

partcula, concentracin, temperatura del fluido sobre la conductividad trmica. Se

realizarn modelos que expliquen el comportamiento en el fluido, dependiendo devariables como el nmero de Reynolds y Nusselt, tipo de conveccin natural o

forzada. Debido a las propiedades que poseen los nano-fluidos son muy utilizados

en la ingeniera desde la automatizacin industrial as como tambin como en

sistemas de ordenadores.

La demanda de mayor eficiencia en la transferencia de calor en fluidos y

aplicaciones ha provocado el estudio de nano-fluidos, donde se sabe que la

conductividad trmica de estos es mucho mayor que un lquido comn.

Muchos estudios se han realizado sobre nano-partculas y nano-fluidos, a

continuacin se cita una tabla con informacin al respecto: [2]


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Tabla 2.1. Nmero de artculos cientficos sobre nano-fluidos, nano-fluidos y transferencia decalor, y nano-fluidos y propiedades de base de datos SCOPUS

Los documentos relevantes acerca de la conductividad trmica de nano-fluidos se

citan a continuacin: [3]

Tabla 2.2. Documentos relevantes sobre mejoramiento de la conductividad trmica


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2.1.2. APLICACIONES EN TRANSFERENCIA DE CALOR

2.1.2.1. Refrigeracin industrial

En el 2008 se realiz un proyecto que emplea nano-fluidos para la refrigeracin

industrial que producira grandes ahorros de energa, costos y reduciendo lasemisiones de gases. Las emisiones en EEUU son elevadas van de 10*1012 a

30*1012 BTU por ao. La productividad de numerosos procesos industriales se

ven limitados por la falta de enfriamiento, como es el caso de la goma utilizada en

los neumticos donde al incorporar nano- fluidos en los enfriadores industriales ha

demostrado que hay un 10% de aumento en el eficiencia-costo de la planta de

produccin. Para el mejoramiento de los equipos se ha utilizado materiales con

cambio de fase donde mejora simultneamente la conductividad trmica efectiva y

calor especfico del fluido. Las aplicaciones de refrigeracin industrial demuestran

que los mecanismos que utilizan los nano-fluidos para transferir calor no dependen

de la compresin que se realice al fluido base.

2.1.2.2. Fluidos inteligentes

Surgen frente la necesidad de nuevas fuentes de energas limpias frente a nuestro

consumismo global, donde los nano-fluidos han contribuido para el manejo de esta

situacin.

Un ejemplo publicado en Physical Review Letters, Donzelli mostr que los nano-

fluidos se puede utilizar como un material inteligente de trabajo como una vlvula

de calor para controlar el flujo de calor, puede ser fcilmente configurado ya sea

en un estado "bajo", donde se conduce el calor mal, o en un estado "alto", donde

la dispersin es ms eficiente.

2.1.2.3. Reactores nucleares

En el Instituto de tecnologa de Massachusetts se ha realizado estudios para la

utilizacin de nano-fluidos como refrigerante para reactores nucleares, al usar un

nano-fluido se tomara en cuenta la cantidad de nano-partculas que son

arrastradas por el vapor hirviendo, en vez de ser eliminadas, que pueden


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erosionar y acumular suciedad en la turbina y el condensador. Por ende la

concentracin debe ser mnima en un reactor nuclear.

Se observa que una considerable mejora en el flujo de calor crtico (CHF) se

puede lograr mediante la creacin de una superficie estructurada de la deposicinde nano-fluidos. Donde las caractersticas de la pelcula de deposicin tales como

la estructura y espesor pueden ser controlados, es posible aumentar la CHF con

poca disminucin en la transferencia de calor. Muchos de los sistemas nucleares

enfriados por agua son de CHF limitado, pero la aplicacin de nano-fluido puede

mejorar el CHF del refrigerante, elevando el nivel de seguridad de alimentacin del

sistema de la planta. Y mejora de las capacidades de retener energa nuclear

hasta en un 40%.

2.1.2.4. Extraccin de energa geotrmica y otras fuentes de energa

Segn estudios del MIT (2007) la poblacin mundial ha consumido ms de 13000

ZJ de energa geotrmica total mundial ms de lo previsto, es por ello que con la

ayuda de nuevas tecnologas se busca extraer ms energa. Es ah donde los

nano-fluidos actan, para la extraccin de energa a partir de la corteza terrestre

que vara en longitud entre 5 y 10 km y temperatura entre 500 C y 1000 C, los

nano-fluidos se pueden emplear para enfriar las tuberas, maquinaria y equipos

expuestos a alta friccin y tan altas temperaturas. Debido a la capacidad que

poseen de trabajar bajo altas temperaturas y enfriar, esto abre un nuevo camino

en el rea de perforacin siendo ms econmico y eficiente. Creando nuevos

diseos donde la transferencia de calor pueda ser controlable, y permitindonos

ganancias en la conversin de energa eficaz en potencia. Esta investigacin es

aplicable a alta presin y altas temperaturas.

2.1.3. APLICACIONES AUTOMOTRICESRefrigerantes, lubricantes, motores, calefaccin, ventilacin son algunos

componentes que poseen mala transferencia de calor que puede ser mejorada

con el uso de nano-fluidos al beneficiarse con una alta conductividad trmica.


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2.1.3.1. Nano-fluidos como refrigerantes

El uso de nano-fluidos como refrigerantes permitira un tamao menor y mejor

posicionamiento del radiador en un motor, por la mayor eficiencia, las bombas de

refrigerante y motores de camiones podra ser operado a temperaturas ms altas

que permitan ms caballos de fuerza sin dejar de cumplir las normas de emisin

estrictas.

El uso de nano-fluidos conductores de altas conductividades trmicas en

radiadores pueden conducir a una reduccin en el rea frontal del radiador hasta

en un 10 %, que puede dar lugar a un ahorro de combustible de hasta el 5% y la

reduccin de la friccin y desgaste, reduciendo las prdidas parsitas en el

funcionamiento de los componentes tales como bombas y compresores.

Nano-fluidos demostraron los beneficios de la reduccin de las fuerzas de

rectificado, la mejora de la rugosidad superficial, y la prevencin de la quema de la

pieza de trabajo. En el futuro los nano-fluidos intervendrn en propiedades de

enfriamiento, capacidad de correr ms ptimo permitiendo una mayor potencia de

salida. Con el uso de nano-fluidos en el motor, sus componentes seran ms

pequeos y pesar menos lo que permite mejor rendimiento de combustible,

ahorrando dinero y dando lugar a un menor nmero de emisiones para un

ambiente ms limpio.

2.1.3.2. Nano-fluidos en el combustible

En estudios se demostr que la combustin del combustible diesel se mezcla con

una solucin acuosa de nano-fluido de aluminio aument el calor de combustin

total mientras que la disminucin de la concentracin de humo y xido nitroso en

la emisin de escape del motor diesel.

En el proceso de combustin la almina acta como un catalizador de nano-

partculas de aluminio que sirven para descomponer el agua para producir ms

hidrgeno.


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2.1.3.3. Freno y otros nano-fluidos vehiculares

Mejorar la aerodinmica del vehculo y reducir las fuerzas de arrastre exige una

mayor demanda de sistemas de frenado con mecanismos de disipacin de calor

ms altos y eficientes. Los nano-fluidos se caracterizan por maximizar el

rendimiento en la transferencia de calor, as como eliminar las prdidas de calor

por el proceso de vaporizacin del lquido de frenos al momento del frenado.

El nano-fluido de freno a base de xido de cobre (CBN) y al nano-fluido de freno a

base de xido de aluminio (AOBN) presenta una conductividad trmica 1,6 veces

ms alta que de que el lquido de frenos designado DOT 3, mientras que AOBN la

conductividad trmica es slo 1,5 veces superior a la DOT 3. Demostrando que

una mayor conductividad trmica optimiza la transmisin de calor y la lubricacin.

Estos nano-fluidos tienen propiedades mejoradas, tales como un punto de

ebullicin ms alto, una viscosidad ms alta y una mayor conductividad que el de

lquido de frenos tradicional (DOT 3), reducen la presencia de vapor de cerradura

y ofrecen una mayor seguridad durante la conduccin.

Los resultados indicaron que nano-fluidos de CuO trabajan a temperaturas altas

de transmisin en velocidades de rotacin altas y bajas. Por lo tanto, el uso de

nano-fluidos en la transmisin tiene una clara ventaja desde el punto de vista de

rendimiento trmico. Sin embargo, debern tenerse en cuenta factores como la

sedimentacin de partculas, la aglomeracin y erosin de la superficie.

En aplicaciones de lubricacin automotriz, la superficie de nano-partculas

modificadas dispersadas de forma estable en aceites minerales es eficaz en la

reduccin de desgaste y mejorar la capacidad de transporte de carga, y la

reduccin de friccin entre componentes mecnicos mviles.

2.1.4. APLICACIONES ELECTRNICAS

2.1.4.1. Enfriamiento de microchips

El diseo de microchips ms pequeo es limitado por la disipacin de calor

rpida. Sin embargo, nano-fluidos se pueden utilizar para la refrigeracin de

lquido para procesadores de ordenador, debido a su alta conductividad trmica.


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Al introducir nano-partculas de diamante en cromatografa lquida de alta

resolucin de agua. El movimiento mantiene las nano-partculas a partir de la

solucin y mejora as la eficiencia del dispositivo de refrigeracin. En una potencia

de entrada de 80W, el nano-fluido de diamante redujo la diferencia de temperatura

entre el evaporador y el condensador de 40,9 [C] a 24,3 [C]. Sin embargo, a

medida que aumenta la entrada de calor, el oscilante movimiento aumenta y la

diferencia de temperatura resultante entre el evaporador y el condensador no

contina aumentando despus de una entrada de potencia determinada. Este

fenmeno no inhibe la conductividad trmica efectiva del nano-fluido de aumentar

continuamente.

Figura 2.1. Efecto del nano-fluido sobre la capacidad de transferencia de calor en un OHP (nano-fluido de la pipa de calor oscilante)

2.1.4.2. Fluidos a microescala

La manipulacin de pequeos volmenes de lquido es necesaria en la pantalla

digital, dispositivos pticos, y sistemas micro electromecnicos (MEMS), tales

como los sistemas de anlisis de laboratorio en un chip. Esto puede ser hecho por

electro humectacin, o reducir el ngulo de contacto por un voltaje aplicado, los

pequeos volmenes de lquido, Humectacin Electro-dielctrica (EWOD) de

accionamiento es un mtodo muy til de manipulacin de lquido micro escala.


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La utilizacin de nano-fluidos es eficaz en la humectabilidad de la superficie y,

tensin superficial.

2.1.5. APLICACIONES BIOMDICAS

2.1.5.1. Nano-droga

Los ejemplos de nano-drogas incluyen un control electrnico de la administracin

de frmacos activado por microchips, un control de sistema de administracin a

travs de la integracin de silicio y electro activos, tecnologas de polmeros;

secuenciador de ADN analizados por las matrices de un plano, huecos, micro -

agujas de suministro drmico, as como aplicaciones de la nano-medicina, nano-

geles o nano-partculas recubiertas de oro.

El objetivo del uso de una ND (nano-drogas) es el inters en el fcil seguimiento y

el control de respuestas de las clulas a los productos farmacuticos, estmulos,

para entender las actividades de clulas biolgicas, o para permitir procesos de

desarrollo de frmacos.

En general, la uniformidad de la concentracin de ND se ve afectada por el canal,

longitud, dimetro de partcula y el nmero de Reynolds de y principales micro

canales, desde los mecanismos de transporte que dependen de la conveccin,

canales de difusin ms largos, dimetros de partcula ms pequeos, as como

nmeros de Reynolds ms bajos son deseables para un suministro de frmaco

uniforme.

2.1.5.2. Terapia para el cncer

Hay una nueva iniciativa que aprovecha de varias propiedades de ciertos nano-

fluidos para su uso en formacin de imgenes del cncer y la administracin de

frmacos. Esta iniciativa implica el uso de nano-partculas a base de hierro como

vehculos para frmacos o radiacin en pacientes con cncer.

Las nano-partculas magnticas son ms adhesivas a las clulas tumorales que a

clulas no malignas y que absorben mucho ms poder de micro-partculas en


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campos magnticos alternos actuales tolerable en los seres humanos, sino que

son excelentes candidatos para la terapia del cncer.

Se utilizan por su caracterstica para el manejo y la manipulacin de un nano-fluido

por fuerza magntica. Existen numerosas aplicaciones biomdicas que involucrannano-fluidos tales como la separacin celular magntica, la administracin de

frmacos, hipertermia, y la mejora de contraste en resonancia magntica para la

formacin de imgenes.

Las nano-partculas contienen molculas de direccionamiento llamados optmeros

que reconocen las molculas de la superficie sobre el cncer, clulas de la

prevencin de las nano-partculas de atacar a otras clulas.

2.1.5.3. Crioconservacin

La crio-conservacin convencional es de lenta congelacin o vitrificacin que

involucra dao celular debido a la formacin de hielo o toxicidad de altas

concentraciones de crio-protectores (CPA). Con la ayuda de un nano-fluido se

puede lograr velocidades de enfriamiento ultra-rpido con un cuarzo micro

capilar, habilitado para la vitrificacin de clulas madre embrionarias utilizando una

concentracin de crio-protectores intracelulares que puede frenar la congelacin

(1-2 M). Ms de 70 % y as evitar la muerte de las clulas madre pordeshidratacin.

2.1.5.4. Nano-ciruga

La criociruga es un procedimiento que utiliza congelacin para destruir tejidos no

deseados. La interpretacin terica y mediciones experimentales existentes de la

carga intencional de nano-partculas con alta conductividad trmica en los tejidos

pueden reducir la temperatura final, aumentar la tasa mxima de congelacin y

agrandar el volumen de hielo obtenida en ausencia de nano-partculas.

Con respecto a la eleccin de las partculas para mejorar la congelacin

magntica, el (Fe3O4) y el diamante son quizs los ms apropiados debido a su

buena compatibilidad biolgica. Los tamaos de partcula son de menos de 10

micras son suficientemente pequeas para una entrega eficaz para en el sitio del


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tumor, ya sea a travs de encapsulacin o en una suspensin en un fluido

portador.

2.1.5.5. Sensor e imagen

El oro coloidal se ha usado para en la medicina medieval para el diagnstico desfilis, catlisis qumica, ptica, qumica supramolecular, reconocimiento molecular

y ciencias biolgicas. El oro coloidal se conoce como la mayora de las veces por

ser el ms estable de todos los coloides. Su historia, propiedades y aplicaciones

son extensas y la intervencin en nano-fluidos la mejora.

2.1.6. OTRAS APLICACIONES

2.1.6.1. Nano-fluidos como detergentes

Este fenmeno que implica el aumento la difusin de los agentes tenso activos de

detergentes, que no slo se limita a las nano-partculas de poli estireno, y un

mayor proceso de eliminacin de aceite ofrece una nueva forma de la eliminacin

de manchas y grasa de las superficies. Este tipo de nano-fluido tambin tiene

potencial en la extraccin comercial de petrleo de la tierra as como la

remediacin de derrames de petrleo.

Wasan Nikolov del Illinois Institute of Technology en Chicago fueron capaces de

usar un digital de luz reflejada microscopa de vdeo para determinar el

mecanismo de propagacin dinmica de lquido que contiene poli estireno nano-

mtricas partculas, la Figura 6.

Ellos fueron capaces de demostrar la bidimensional formacin de cristal -como de

las esferas de poli estireno en agua y cmo esto mejora la dinmica de

propagacin de una lquido micelar en la regin de tres fases.


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2.2. EFECTO DE LA CONCENTRACIN VOLUMTRICA DE

UN NANO-FLUIDO EN LA TRANSFERENCIA DE CALOR

DENTRO DE UNA TUBERA HORIZONTAL [3]

De la informacin obtenida por los investigadores: Adnan Hussein, K. Sharma, R.Bakar, K. Kadirgama, en su artculo: The Effect of Nanofluid Volume Concentration

on Heat Transfer and Friction Factor inside a Horizontal Tube , de la compaia

Hindawi Publishing Corporation, en su publicacin Journal of Nanomaterials,

Volume 2013, Article ID 859563, de junio 2013 se obtiene las siguientes relaciones

y resultados:

Para el (dixido de titanio), de de tamao, en el agua se tiene que:La concentracin en peso () est dada por:

(1)Donde

La densidad del nano-fluido (esta dada por:

( ) (

) (2)Donde


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El calor especfico del nano-fluido () es:

(3)

Donde

La conductividad trmica del nano-fluido () es:

(4)Donde

En el caso analizado se tomar 3 como factor de forma asumiendo esferas.

La viscosidad del nano-fluido () es: (5)

Donde

Se muestra a continuacin la variacin de la conductividad trmica en funcin del

volumen de concentracin para el anlisis realizado por los investigadores antes

citados:


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Figura 2.2. Variacin de la conductividad trmica en funcin del volumen de concentracin

En el grfico siguiente se muestra la variacin del nmero de Nusselt en funcin

del nmero de Reynolds para el TiO2:

Figura 2.3. Variacin del nmero de Nusselt en funcin del nmero de Reynolds para TiO 2 endiferente concentracin


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Los investigadores obtuvieron las siguientes relaciones para los nano-fluidos que

estudiaron:

Tabla 2.3. Constantes para la ecuacin del nmero de Nusselt

Nano-fluido a2 b2 c2TiO2-Agua 0.02 0.78 0.54

Al2O3-Agua 0.02 0.788 0.45

SiO2-Agua 0.02 0.8 0.40

Donde la ecuacin tiene la forma:

(6)El nmero de Reynolds se halla entre 5000 y 50000

De estas relaciones se utilizarn las correspondientes al TiO2.


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2.3. INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS

CONCNTRICOS [A]

2.3.1. ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DEL EQUIPO

Para el montaje del equipo se procedi a la adquisicin de:

Figura 2.4. Bomba de agua marca PAOLO de hp

Figura 2.5. Codos, acoples y vlvulas de compuerta

Figura 2.6. Mangueras de dimetro 20 [mm], 12[mm] y 10 [mm]


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(a) b)

Figura 2.7. (a) Resistencia elctrica, (b) condensador de tubos concntricos

2.3.2. PROCEDIMIENTO DE MONTAJE

Se procedi a la construccin del tanque, realizando las perforaciones necesarias

para acoplarlo a la tubera de entrada y salida del fluido caliente, con ayuda de un

estilete.

Figura 2.8. Tanque para el fluido caliente con los acoples para la tubera.

Se retir la tuberia que se encontraba en el condensador para conectarlo a la

tubera nueva que se utilizar para el ensayo.

(a) (b)


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(c)

Figura 2.9. (a) Retiro de los pedazos de manguera que se encontraba en el condensador, (b) y (c)unin de la tubera al condensador.

Se realiza las conexiones entre tuberas, se une la bomba de agua y tanque con

ayuda de acoples y codos a la tubera.

(a) (b)

Figura 2.10. a) Bomba de agua conectada a la tubera, b) tanque conectado a la tubera

Realizar las conexiones necesarias entre los diferentes equipos (tanque,

condensador, bomba) se une y sella para evitar cualquier tipo de fuga.


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(a)

(b)

Figura 2.11. (a) Tanque unido a la tubera y al condensador, (b) bomba unida a la tubera y alcondensador.


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Montaje de equipo finalizado:

Figura 2.12. Montaje finalizado, equipo listo para la realizacin de ensayos y toma de datos.

2.4. OBTENCIN DE LAS NANO-PARTCULASDebido a facilidad para obtencin en el medio y a la apertura e indicaciones dadas

de parte del laboratorio de nuevos materiales de la Escuela Politcnica Nacional a

cargo del Dr. Victor Guerrero, se escoge utilizar nano-partculas de dixido de

titanio.

Las nano-partculas se obtienen inicialmente en PINTULAC, a un costo de

, estas tienen medidas sumamente grandes del orden de micras, lo cualno es conveniente para la aplicacin directa en el equipo. Por lo que se deberealizar un proceso de molienda, conocido como molienda por atriccin, para

reducir el tamao a orden nanomtrico.

2.4.1. DIXIDO DE TITANIO

El dixido de titanio tiene gran importancia como pigmento blanco por sus

propiedades de dispersin, su estabilidad qumica, y su no toxicidad. Es un

pigmento inorgnico ms importante en la produccin mundial.


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Figura 2.13. Muestra de dixido de titanio

2.4.2. MOLINO DE ATRICIN [4]

Se produce partculas de menor tamao al aplicar fuerzas debido a agitacin deesferas, a continuacin se indica un esquema del equipo:

Figura 2.14. Elementos bsicos del molino de atriccin

2.4.2.1. Parmetros de molienda

Velocidad de trabajo

Tiempo de molienda

Tipo de molienda

Tamao y material de las olas

Relacin del material de las bolas

2.4.2.1.1. Tipo de molienda

Se puede realizar de dos formas: molienda seca o hmeda.


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En la molienda seca el material a moler va directamente al tanque y su tiempo de

molienda es menor. En la molienda hmeda el material se carga en el tanque con

la adicin de un fluido del 50% del peso del material de la molienda para obtener

una consistencia pastosa del material. Aqu el material podr tener menor tamao.

2.4.2.1.2. Tamao y material de las bolas de molienda

Para este proceso se toma en cuenta que mientras menor sea el dimetro de las

bolas ms rpida ser la molienda. El material que se cargue en el molino debe

tener un tamao menor a las bolas de moler pues es ms difcil moler una

partcula ms grande que las bolas. En algunos casos es necesario un paso previo

de reduccin del tamao del material. El material de las bolas debe escogerse de

tal forma que no reaccione con el material a ser medido.

2.4.2.2. Procedimiento para la puesta en marcha

Colocar el eje agitador en la tapa del tanque.

Ajustar los prisioneros de la chumacera para que el eje quede fijo.

Agregar el material a moler (mnimo 50 [g] y mximo 100 [g]) y las bolas en

el tanque interior.

Cerrar el tanque interno con la tapa y luego colocar el conjunto dentro del

tanque externo. Deslizar el tanque hasta el punto mximo superior para acoplar el eje con el

mandril.

Asegurar el eje del mandril e insertar los tres pernos Allen en la tapa, para

sellar el conjunto y evitar la salida del material durante el proceso.

Poner en marcha el molino

2.4.2.3. Recomendaciones de uso

Limpiar el tanque y los agitadores con alcohol industrial antes de cadamolienda.

Escoger el tamao de las bolas de molienda y el material. Evitar tamaos

mayores a 3mm del material y las bolas.


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Asegurar que el tanque est posicionado y ajustado correctamente en la

gua vertical.

2.4.3. MOLIENDA DE DIXIDO DE TITANIO [4]

Se indican a continuacin una tabla de las propiedades del dixido de titanio:

Tabla 2.4. Propiedades relevantes para la molienda del dixido de titanio

2.4.3.1. Proceso de molienda seca de dixido de titanio

Visualizar en el microscopio una muestra del material, para observar las

dimensiones aproximadas del material antes de ser molido.

Tabla 2.5. Parmetros de molienda seca aplicados en el dixido de Titanio.


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Cargar el material y las bolas en el tanque e iniciar la molienda. En este

caso se usa bolas de xido de circonio por sus propiedades de mayor

dureza y densidad.

Realizar la molienda durante 10 minutos y observar los resultados.

2.4.3.2. Proceso de molienda hmeda de dixido de titanio

Se parte del mismo material base utilizado en la molienda seca.

Tabla 2.6. Parmetros de molienda hmeda aplicados en el dixido de Titanio.

Se utiliza un proceso similar al anterior, pero en este caso se aumenta

alcohol industrial.

En 10 minutos de molienda se obtienen y observan los resultados.

2.4.4. OTROS EQUIPOS UTILIZADOS

Se debe conocer cada uno de los equipos utilizados para el proceso de pesaje y

medicin de los tamaos de partculas, se utilizaron los siguientes equipos:

(a) (b) (c)


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Figura 2.15. (a) Balanza digital, (b) Microscopio, (c) Caracterizador de tamao de partculas porhaz lser

Antes de realizar el proceso de molienda se debe hacer un anlisis de tamao de

partculas el cual permitir verificar si la molienda es exitosa, antes de esto es

necesario asegurarse de que no existan aglomeraciones del material ya que estopuede aparentar que las partculas son ms grandes.

Inicialmente se toma una muestra del dixido de titanio para poderlo observar en

el microscopio. Se puede observar que las dimensiones del material cermico no

superan las 100 m.

Figura 2.16. Dixido de titanio base (100 X)

2.4.5. BOLAS MOLEDORAS

Para la molienda se utiliza dos tipos de bolas de xido de circonio () dediferente dimetro:


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Figura 2.17. Elementos moledores de xido de circonio (a) 2.5[mm], (b) 1[mm]

Figura 2.18. Mezcla de bolas moledoras

Para la separacin de las bolas del material molido, es necesario tamizarlas. Se

utiliza tamices normalizados ASTM.


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Figura 2.19. Tamices ASTM utilizados para la separacin de las bolas del material molido

2.4.6. PROCESO DE OBTENCIN

El tipo de molienda utilizada es de tipo hmeda ya que se puede obtener

partculas de menor tamao.

Se pesa 100 g de material cermico (xido de titanio)

Figura 2.20. 100[g] de dixido de titanio

Se pesa los elementos moledores (bolas de circonio de 2.5 y 1mm) en unarelacin material bolas de 1 a 3; se obtiene un material mucho ms fino

con esta relacin.


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Figura 2.21. 200[g] de elementos moledores

Figura 2.22. Relacin de materialbolas moledoras.

Se pesa 50 ml de alcohol industrial (50% mayor o igual a la masa dematerial cermico), esto solo se lo realiza para la molienda hmeda.


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Figura 2.23. 50[ml] de alcohol

Se coloca el material cermico (xido de titanio), los elementos moledores

(bolas) y el alcohol dentro del tanque.

Figura 2.24. Mezcla dentro del tanque

Se cierra el tanque, ajusta el mandril y los pernos del tanque, se posicionael molino.


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(a) (b)

Figura 2.25. (a) Ajuste de pernos, (b) posicionamiento del mandril Se pone en marcha el molino (Moler el material por 10 [min]).

Se comprueba si el material alcanz tamaos de sub-micrnicos o delorden de las micras, en caso de no lograrlo se vuelve a cerrar el tanque ymolerlo por 10 [min] ms.

Se saca el material y las bolas moledoras del tanque contenedor.

Se vierte la mezcla en el tamiz para poder separar las bolas del materialmolido.

(a) (b)

Figura 2.26, (a) Mezcla molida, (b) Mezcla en el tamiz


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Figura 2.27. Tamizado de la mezcla

Se evapora el lquido en la mezcla.

Figura 2.28. Evaporacin del lquido en la mezcla

Se vuelve a moler el xido evaporado.

Se recoge una pequea muestra del material molido y se observa ladispersin y tamao de las nano partculas en el microscopio (se lo realizautilizando un reactivo que en este caso es agua).


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Figura 2.29. Dixido de titanio molido diez minutos con alcohol (1000x)

Los resultados obtenidos del tamao de las nanopartculas: 85[nm] se adjuntan en

los anexos uno y dos.


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3.ENSAYO EN EL EQUIPO DEL LABORATORIO

3.1. PUESTA EN MARCHA

Se utilizaron las siguientes herramientas y materiales adicionales a los

utilizados en el montaje del equipo:

Figura 3.1. Termocuplas marca FLUKE y nano-partculas de dixido de titanio

Se determin el caudal del fluido fro mediante el sensor del laboratorio que est

conectado al agua potable.

Se realiz la prctica en el intercambiador en contraflujo sin nano partculas,

donde para calentar el fluido caliente se utiliz una resistencia, se esper a que elfluido caliente llegara a la temperatura de 80 C para iniciar con el ensayo.

Figura 3.2. Tanque con fluido caliente, que se calienta mediante resistencia elctrica


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Al llegar a la temperatura establecida, se hace que el fluido fro y caliente

empiecen a circular por las tuberas respectivas. Se toma las temperaturas de

entrada y de salida del fluido caliente y fro, los datos se tomaron cada dos

minutos hasta observar que el sistema ya se estabiliz.

3.2. IMPLEMENETACIN DE NANOPARTCULAS EN EL

EQUIPO

Despus de obtener los resultados del funcionamiento del equipo sin el uso de

nano partculas en contraflujo, se procede a la implementacin de las

nanopartculas de dixido de titanio en el tanque. Para esto se debe tener en

cuenta que las nano partculas deben estar dispersas en el agua del tanque; se

debe evitar que se concentren un solo lugar.

Se mide el caudal de agua fra.

Se coloca las nanopartculas en el tanque y se las dispersa mezclando

constantemente. Al poner las nanopartculas en el tanque debe ser con el

peso y concentracin calculados para obtener datos coherentes y poder

realizar la comparacin con el ensayo sin el uso de nano partculas.

Figura 3.3. Colocacin y dispersin de las nano partculas de dixido de titanio en el tanque confluido caliente.

Se hace que los fluidos fro y caliente recorran por las tuberas.


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Figura 3.4.Circulacin del nanofluido en el equipo por la tubera caliente (interior)

Se toma las temperaturas de entrada y salida del fluido caliente y fro, cada

dos minutos hasta observar que el sistema se ha estabilizado. Tomando

como referencia que la temperatura inicial del fluido caliente es de 80C.

Figura 3.5. Salida del fluido caliente con nano partculas al tanque.


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3.3. DATOS OBTENIDOS

Se realiz la prueba con el dispositivo con y sin nanopartculas (NP), los

resultados son los siguientes:

Tabla 3.1. Valores obtenidos de prueba experimental sin utilizar nanopartculas

Temperatura de salida

agua fra [C]

Temperatura de ingreso

agua caliente sin NP [C]


agua caliente sin NP [C]

15.0 66.0 62.0

14.9 66.0 63.0

15.0 67.0 65.0

15.1 69.0 66.0

15.0 70.0 66.0

15.1 70.5 66.5

15.0 71.0 66.6

15.3 72.0 67.2

15.1 71.8 67.5

15.1 72.4 67.8

Temperatura de entrada agua fra:13.7[C] Flujo de agua fra:6.5 [lt/min]

Tabla 3.2. Valores obtenidos de prueba experimental al utilizar nanopartculas


agua fra [C]

Temperatura de ingreso

agua caliente con NP [C]


agua caliente con NP [C]

15.8 79.5 68.8

15.4 77.6 72.8

14.9 77.8 72.4

14.8 77.3 72.8

15.2 77.8 72.3

14.9 79.4 72.615.2 77.5 72.3

15.3 81.0 72.7

15.4 81.7 72.8

15.2 82.0 72.7

Temperatura de entrada agua fra:13.8[C] Flujo de agua fra:6.5 [lt/min]


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4.ANLISIS EN MATLAB

4.1. DATOS DEL EQUIPO Y NANO-PARTCULAS [5]

Longitud de tubera: 0.40 [m]

Dimetro de tubera interior: 10 [mm]

Dimetro de tubera exterior: 20 [mm]

Volumen de agua en el tanque: 7.5 [lt]

Masa de nano-partculas: 0.175 [kg]

Punto de fusin del TiO2: 2133 [K]

Densidad del TiO2: 4157 [kg/m3]

Sin nanopartculas:

Flujo de agua fra: 6.5 [lt/min]

Flujo de agua caliente sin nanopartculas: 2.4 [lt/min]

Temperatura promedio de ingreso de agua caliente sin nanopartculas: 69.6 [C]

Temperatura promedio de ingreso de agua fra: 13.7 [C]

Temperatura promedio de salida de agua caliente sin nanopartculas: 65.8 [C]

Temperatura promedio de salida de agua fra: 15.1 [C]

Con nanopartculas:

Flujo de agua fra: 6.5 [lt/min]

Flujo de agua caliente con nanopartculas: 1.3 [lt/min]

Temperatura promedio de ingreso de agua caliente con nanopartculas: 79.2 [C]

Temperatura promedio de ingreso de agua fra: 13.8 [C]


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Temperatura promedio de salida de agua caliente con nanopartculas: 72.2 [C]

Temperatura promedio de salida de agua fra: 15.2 [C]

4.2. SELECCIN DE MODELOS MATEMTICOS

Temperatura media ():

(7)Dnde

A la temperatura media se evalan las propiedades del fluido.

Dimetro hidrulico ():Para tubera interior: Para tubera exterior:

Dnde:

Nmero de Reynolds ():Para tubera interna:

(8)Dnde

Para tubera externa:

(9)


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Dnde

Ecuacin de Dittus-Boelter:

(10)Dnde:

Consideraciones:

Para flujo laminar se tienen las relaciones:

Para tubera interna:

(11)


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Para tubera externa:

Figura 4.1. Esquema de transferencia de calor en tubo concntrico exterior

()

(12)

Al resolver la ecuacin con debido a que se asume que el dispositivo seencuentra perfectamente aislado, se tiene que:

(13)Donde se obtiene de la tabla 8.3 de Incropera [6] en funcin de la razn delDimetro interior sobre el exterior.

El coeficiente global de transferencia de calor () es:

(14)


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Para el clculo de concentracin en peso, densidad del nanofluido, calor

especfico, conductividad trmica, viscosidad, se utilizaron las ecuaciones

mencionadas en la seccin 2.2 del presente documento.

El nmero de Prandtl () del nanofluido es: (15)

4.3. PROCEDIMIENTO DE ANLISIS

Para la determinacin de las propiedades del agua se utiliz la tabla A.6 del libro

de Incropera [7] a travs de una interpolacin cuadrtica, se obtuvo el volumen

especfico, calor especfico, viscosidad, conductividad trmica, nmero de Prandtl

Los flujos se convirti a unidades del SI tomando en cuenta la temperatura

(densidad variable)

Para facilidad de clculos se asumir a valores de nmero de Reynolds mayores a

6150 como flujo turbulento y menores al mismo como flujo laminar.

En el caso de flujos turbulentos se ocupar la ecuacin de Dittus-Boelter, para

flujos laminares en el caso de la tubera interna se tiene que y para laexterna el nmero de Nusselt est en funcin de la razn de los dimetros como

se indica en la seccin anterior.

Para la determinacin del calor especfico y conductividad trmica de la nano-

partcula se utiliz la tabla A.2 de Incropera [5] mediante interpolacin cuadrtica

Para el clculo de concentracin en peso, densidad del nanofluido, calor

especfico, conductividad trmica, viscosidad, nmero de Nusselt, se utilizaron lasecuaciones mencionadas en la seccin 2.2 del presente documento.

Se tomarn datos experimentales conociendo un flujo msico de entrada del agua

fra, con el cual teniendo en cuenta los valores medidos se obtendr el flujo

msico de agua caliente.


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4.4. PROGRAMACIN

clearclc%%%Flujo msico de agua fram_f_ing=6.5; %[lt/min]%Temperaturas obtenidas

%Sin nanopartculasTi_f=13.7; %[C] Temperatura de ingreso de agua fraTo_f=[15,14.9,15,15.1,15,15.1,15,15.3,15.1,15.1];

%[C]Temperaturas de salida de agua fraTo_f=mean(To_f); %[C] Temperatura promedio de salida de agua

fraTi_c=[66,66,67,69,70,70.5,71,72,71.8,72.4]; %[C] Temperaturas

de ingreso de agua calienteTi_c=mean(Ti_c); %[C] Temperatura promedio de ingreso de agua

calienteTo_c=[62,63,65,66,66,66.5,66.6,67.2,67.5,67.8]; %[C]

Temperaturas de salida de agua caliente

To_c=mean(To_c); %[C] Temperatura promedio de salida de aguacaliente

%Con nanopartculasTi_f_NP=13.8; %[C] Temperatura de ingreso de agua fraTo_f_NP=[15.8,15.4,14.9,14.8,15.2,14.9,15.2,15.3,15.4,15.2];

%[C] Temperaturas de salida de agua fraTo_f_NP=mean(To_f_NP); %[C] Temperatura promedio de salida de

agua fraTi_c_NP=[79.5,77.6,77.8,77.3,77.8,79.4,77.5,81,81.7,82]; %[C]

Temperaturas de ingreso de agua caliente con nanopartculasTi_c_NP=mean(Ti_c_NP); %[C] Temperatura de ingreso de agua

caliente con nanopartculasTo_c_NP=[68.8,72.8,72.4,72.8,72.3,72.6,72.3,72.7,72.8,72.7];

%[C] Temperaturas de salida de agua caliente con nanopartculasTo_c_NP=mean(To_c_NP); %[C] Temperatura de salida de agua

caliente con nanapartculas%%%%%%%%%

%Temperaturas promedioTf=(Ti_f+To_f)/2; %[C] Temperatura promedio de agua fraTf_NP=(Ti_f_NP+To_f_NP)/2; %[C] Temperatura promedio de agua frapara nanopartculasTc=(Ti_c+To_c)/2; %[C] Temperatura promedio de agua calienteTc_NP=(Ti_c_NP+To_c_NP)/2; %[C] Temperatura promedio de aguacaliente con naonpartculasTf_K=Tf+273.15; %[K] Temperatura promedio de agua fra en KelvinTf_NP_K=Tf_NP+273.15; %[K] Temperatura promedio de agua fra parananopartculas en Kelvin

Tc_K=Tc+273.15; %[K] Temperatura promedio de agua caliente enKelvinTc_NP_K=Tc_NP+273.15; %[K] Temperatura promedio de agua calientecon nanopartculas en Kelvin%%%%Datos para interpolacinTEMP=[285,290,295,300,305,310,315,320,325,330,335,340,345,350,355];%[K] Tabla de temperaturasv=[1.000 1.001 1.002 1.003 1.005 1.007 1.009 1.011 1.0131.016,1.018,1.021,1.024,1.027,1.030]*10^-3; %[kg/m^3] Tabla devolumen especfico


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Cp=[4.189,4.184,4.181,4.179,4.178,4.178,4.179,4.180,4.182,4.184,4.186,4.188,4.191,4.195,4.199]*1000; %[J/kgK] Tabla de calorespecficomu=[1225,1080,959,855,769,695,631,577,528,489,453,420,389,365,343]*10^-6; %[Ns/m^2] Spline Tabla de viscosidadk=[590,598,606,613,620,628,634,640,645,650,656,660,668,668,671]*10^-3; %[W/mK] Spline Tabla de conductividadPr=[8.81, 7.56, 6.62, 5.83,5.20,4.62,4.16,3.77,3.42,3.15,2.88,2.66,2.45,2.29,2.14]; %SplineTabla del nmero de Prandtl%Interpolacin de valoresv_f=polyval(polyfit(TEMP,v,2),Tf_K); %[J/kgK] Volumen especfico deagua frav_f_NP=polyval(polyfit(TEMP,v,2),Tf_NP_K); %[J/kgK] Volumenespecfico de agua fra para nanopartculasv_c=polyval(polyfit(TEMP,v,2),Tc_K); %[J/kgK] Volumen especfico deagua calientev_c_NP=polyval(polyfit(TEMP,v,2),Tf_NP_K); %[J/kgK] Volumenespecfico de agua caliente con nanopartculasCp_f=polyval(polyfit(TEMP,Cp,2),Tf_K); %[J/kgK] Calor especfico de

agua fraCp_f_NP=polyval(polyfit(TEMP,Cp,2),Tf_NP_K); %[J/kgK] Calorespecfico de agua fra para nanopartculasCp_c=polyval(polyfit(TEMP,Cp,2),Tc_K); %[J/kgK] Calor especfico deagua calienteCp_c_NP=polyval(polyfit(TEMP,Cp,2),Tc_NP_K); %[J/kgK] Calorespecfico de agua caliente con nanopartculasmu_c=polyval(polyfit(TEMP,mu,2),Tc_K); %[Ns/m^2] Viscosidad defluido calientemu_f=polyval(polyfit(TEMP,mu,2),Tf_K); %[Ns/m^2] Viscosidad defluido frok_c=polyval(polyfit(TEMP,k,2),Tc_K); %[W/mK] Conductividad trmicafluido calientek_f=polyval(polyfit(TEMP,k,2),Tf_K); %[W/mK] Conductividad trmicafluido froPr_c=polyval(polyfit(TEMP,Pr,2),Tc_K); %Nmero de Prandtl fluidocalientePr_f=polyval(polyfit(TEMP,Pr,2),Tf_K); %Nmero de Prandtl fluidofro%%%Flujo msico de agua fra en SIm_f=m_f_ing*(1/60)*0.001*(1/v_f); %[kg/s] Flujo msico de agua fram_f_NP=m_f_ing*(1/60)*0.001*(1/v_f_NP); %[kg/s] Flujo msico deagua fra para nanopartculas%Calor transferidoq=m_f*Cp_f*(To_f-Ti_f); %[W] Calor transferido por fluido froq_NP=m_f_NP*Cp_f_NP*(To_f_NP-Ti_f_NP); %[W] Calor transferido porfluido fro usando nanopartculas

%Flujo de agua caliente en SIm_c=q/(Cp_c*(Ti_c-To_c)); %[kg/s] Flujo msico de agua calientem_c_NP=q_NP/(Cp_c_NP*(Ti_c_NP-To_c_NP)); %[kg/s] Flujo msico deagua caliente con nanopartculas%Flujo de agua caliente en unidades inglesasm_c_ing=(m_c*60*v_c)/(0.001); %[lt/min] Flujo msico de aguacaliente en unidades inglesasm_c_ing_NP=(m_c_NP*60*v_c_NP)/(0.001); %[lt/min] Flujo msico deagua caliente con nanopartculas en unidades inglesas%%


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%Longitud de tuberaL=0.4; %[m]*******************************************************************%Dimetros de tuberaD_c=10/1000; %[m] dimetro interior SI**************************************D_f=20/1000; %[m] dimetro interior SI

*************************************%%%Dimetro hidrulicoDh_c=D_c; %Dimetro hidrulico interior (caliente)Dh_f=D_f-D_c; %Dimetro hidrulico exterior (fra)%Nmero de ReynoldsRe_D_c=(4*m_c)/(pi*mu_c*D_c); %Reinolds interiorRe_D_f=(4*m_f)/(pi*mu_f*(D_f+D_c)); %Reinolds exterior%Area de transferencia de calorA=D_c*pi*L; %[m^2] Area de transferencia de calor%%%________________PRESENTACION DE INFORMACINdisp('-------------------------------------------------------------

--------')disp('SOFTWARE PARA CLCULO DE COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIADE CALOR')disp('EN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOS CONCNTRICOS CON AGUA YNANOFLUIDO')disp('DE AGUA CON TiO2 COMO FLUIDOS DE TRABAJO.')disp('---------------------------------------------------------------------')disp('ANLISIS PARA FLUIDOS DE TRABAJO: AGUA')disp('---------------------------------------------------------------------')disp('DATOS DEL EQUIPO:')disp(['Longitud de tubera: ',num2str(L),' [m]'])disp(['Dimetro tubera interior: ',num2str(D_c),' [m]'])disp(['Dimetro tubera exterior: ',num2str(D_f),' [m]'])disp(['Flujo de agua fra: ',num2str(m_f),' [kg/s]'])disp(['Flujo de agua caliente: ',num2str(m_c),' [kg/s]'])disp(['Temperatura de ingreso agua caliente: ',num2str(Ti_c),'[C]'])disp(['Temperatura de ingreso agua fra: ',num2str(Ti_f),' [C]'])disp(['Temperatura de salida agua caliente: ',num2str(To_c),'[C]'])disp(['Temperatura de salida agua fra: ',num2str(To_f),' [C]'])disp('---------------------------------------------------------------------')disp('VALORES CALCULADOS:')disp(['rea de transferencia de calor: ',num2str(A),' [m^2]'])

disp(['Temperatura media agua caliente: ',num2str(Tc),' [C]'])disp(['Temperatura media agua fra: ',num2str(Tf),' [C]'])disp(['Volumen especfico del fluido caliente: ',num2str(v_c),'[m^3/kg]'])disp(['Volumen especfico del fluido fro: ',num2str(v_f),'[m^3/kg]'])disp(['Calor especfico del fluido caliente: ',num2str(Cp_c),'[J/kg.K]'])disp(['Calor especfico del fluido fro: ',num2str(Cp_f),'[J/kg.K]'])


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disp(['Viscosidad del fluido caliente: ',num2str(mu_c),'[N.s/m^2]'])disp(['Viscosidad del fluido fro: ',num2str(mu_f),' [N.s/m^2]'])disp(['Conductividad trmica del fluido caliente: ',num2str(k_c),'[W/m.K]'])disp(['Conductividad trmica del fluido fro: ',num2str(k_f),'[W/m.K]'])disp(['Nmero de Prandtl fluido caliente: ',num2str(Pr_c)])disp(['Nmero de Prandtl fluido fro: ',num2str(Pr_f)])disp(['Dimetro hidrulico interior (caliente): ',num2str(Dh_c),'[m]'])disp(['Dimetro hidrulico exterior (fro): ',num2str(Dh_f),'[m]'])disp(['Nmero de Reynolds fluido caliente: ',num2str(Re_D_c)])disp(['Nmero de Reynolds fluido fro: ',num2str(Re_D_f)])disp('---------------------------------------------------------------------')disp('CONDICIONES PARA DITTUS-BOELTER, FLUJO TURBULENTO')

disp('1. L/D>10')disp('2. Re_D>10000')

disp('3. 0.7


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enddisp('---------------------------------------------------------------------')disp('CUMPLE CONDICIONES DE DITTUS-BOELTER')ifRe_D_c>6150 & L/D_c>=10 & Pr_c>=0.7 & Pr_c6150 & L/D_f>=10 & Pr_f>=0.7 & Pr_f


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disp('---------------------------------------------------------------------')%%disp('---------------------------------------------------------------------')disp('ANLISIS PARA FLUIDOS DE TRABAJO: AGUA EN TUBERA EXTERIOR YNANOFLUIDO,')disp('AGUA CON NANOPARTCULAS DE TiO2,EN TUBERA INTERIOR')disp('---------------------------------------------------------------------')disp('SE ANALIZA PARA LOS MISMOS GRADIENTES DE TEMPERATURAS YFLUJOS MSICOS')disp('---------------------------------------------------------------------')disp('DATOS DE LAS NANOPARTCULAS Y EQUIPO')%Volumen del tanqueV=7.5; %[lt]***************************************************************disp(['Volumen del tanque: ',num2str(V),' [lt]'])rho_fl=1/v_c; %[kg/m^3]

disp(['Densidad del fluido (agua caliente): ',num2str(rho_fl),'[kg/m^3]'])m_p=0.175;%[kg]***************************************************************disp(['Masa de nanopartculas: ',num2str(m_p),' [kg]'])P_f_K=2133; %[K] ******************************************* INCR,TABLA A.2P_f=P_f_K-273.15; %[C]disp(['Punto de fusin : ',num2str(P_f),' [C]'])rho_p=4157; %[kg/m^3]******************************************************* INC, TABLAA.2disp(['Densidad de nanopartculas: ',num2str(rho_p),' [kg/m^3]'])%Calor especfico de nanopartculas @ Temperatura agua calienteINCROP A.2Temperaturas_oxido=[300 400 600 800 1000 1200]; %[K]Cp_oxido=[710 805 880 910 930 945]; %J/kgKk_oxido=[8.4 7.01 5.02 3.94 3.46 3.28]; %W/m.KCp_p=polyval(polyfit(Temperaturas_oxido,Cp_oxido,2),Tf_K); %[J/kgK]Calor especfico de nanoparticulak_p=polyval(polyfit(Temperaturas_oxido,k_oxido,2),Tf_K); %[W/m.K]Conductividad trmica de nanoparticuladisp(['Calor especfico de nanopartcula: ',num2str(Cp_p),'[J/kg.K]'])disp(['Conductividad trmica de nanopartcula: ',num2str(k_p),'[W/m.K]'])

disp('---------------------------------------------------------------------')disp(['CLCULOS PARA NANOPARTCULAS Y EQUIPO'])m_fl=V*0.001*(1/v_c);disp(['Masa de fluido en el tanque: ',num2str(m_fl),' [kg]'])phi=(m_p/(m_p+m_fl))*100;disp(['Concentracin en peso: ',num2str(phi),' [%]'])rho_nf=(phi/100)*rho_p+(1-(phi/100))*rho_fl;disp(['Densidad del nanofluido: ',num2str(rho_nf),' [kg/m^3]'])


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Cp_nf=((phi/100)*(rho_p*Cp_p)+(1-(phi/100))*(rho_fl*Cp_c))/rho_nf;%[J/kg.K]disp(['Calor especfico del nanofluido: ',num2str(Cp_nf),'[J/kg.K]'])n=3; %Factor de forma******************************************************k_nf=k_c*((k_p+(n-1)*k_c-(n-1)*(phi/100)*(k_c-k_p))/(k_p+(n-

1)*k_c+(phi/100)*(k_c-k_p))); %[W/m.K]disp(['Conductividad trmica del nanofluido: ',num2str(k_nf),'[W/m.K]'])mu_nf=(1+2.5*(phi/100))*mu_c; %Viscosidad de nanofluido [N.s/m^2]disp(['Viscosidad de nanofluido: ',num2str(mu_nf),' [N.s/m^2]'])%nmero de PrandtlPr_nf=(Cp_nf*mu_nf)/k_nf;disp(['Nmero de Prandtl de nanofluido: ',num2str(Pr_nf)])Re_D_nf=(4*m_c_NP)/(pi*mu_nf*D_c); %Reinolds nanofluidodisp(['Nmero de Reynolds para nanofluido: ',num2str(Re_D_nf)])disp('Ecuacin para nmero de Nusselt en nanofluido:a(Re^b)(Pr^c)')a=0.02;

%*******************************************************************b=0.78;%*******************************************************************c=0.54;%*******************************************************************disp(['Constantes para TiO2: ','a = ',num2str(a),' ','b =',num2str(b),' ','c = ',num2str(c)])Nu_nf=a*(Re_D_nf^b)*(Pr_nf^c);disp(['Nmero de Nusselt para nanofluido: ',num2str(Nu_nf)])h_nf=(Nu_nf*k_nf)/Dh_c;disp(['Coeficiente de transferencia de calor (h) para nanofluido:',num2str(h_nf),' [W/m^2.K]'])U_2=1/((1/h_nf)+(1/h_f)); %[W/m^2K]disp(['Coeficiente global de transferencia de calor (U):',num2str(U_2),' [W/m^2.K]'])disp('---------------------------------------------------------------------')disp('---------------------------------------------------------------------')%%disp('COMPARACIONES FINALES')disp('SIN MEDIA LOGARTMICA DE TEMPERATURAS')incr_h=h_nf-h_c; %Variacin del coeficiente de transferencia decalor

porc_h= incr_h/h_c*100; %Porcentaje de variacindisp(['Variacin de coeficiente de transferencia de calor entubera interna: ',num2str(incr_h), ' [W/m^2.K]'])disp(['Porcentaje de variacin respecto al valor inicial sinnanopartculas: ',num2str(porc_h),' [%]'])incr_U=U_2-U_1; %Variacin del coeficiente global de transferenciade calorporc_U= incr_U/U_1*100; %Porcentaje de variacindisp(['Variacin de coeficiente global de transferencia de calor:',num2str(incr_U), ' [W/m^2.K]'])


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disp(['Porcentaje de variacin respecto al valor inicial sinnanopartculas: ',num2str(porc_U),' [%]'])%%disp('CON MEDIA LOGARTMICA DE TEMPERATURAS')%Coeficiente global de transferencia de calor sin nanopartculasDT1=Ti_c-To_f;DT2=To_c-Ti_f;DTln=(DT1-DT2)/log(DT1/DT2);U_1_real=q/(A*DTln);%Coeficiente global de transferencia de calor para nanopartculasDT1_NP=Ti_c_NP-To_f_NP;DT2_NP=To_c_NP-Ti_f_NP;DTln_NP=(DT1_NP-DT2_NP)/log(DT1_NP/DT2_NP);U_2_real=q_NP/(A*DTln_NP);disp(['Coeficiente global de transferencia de calor sinnanopartculas(U): ',num2str(U_1_real),' [W/m^2.K]'])por_var_U_1=(U_1_real-U_1)/U_1_real*100;disp(['Porcentaje de variacin respecto al valor inicial sin DMLT:',num2str(por_var_U_1),' [%]'])disp(['Coeficiente global de transferencia de calor con

nanopartculas(U): ',num2str(U_2_real),' [W/m^2.K]'])por_var_U_2=(U_2_real-U_2)/U_2_real*100;disp(['Porcentaje de variacin respecto al valor inicial sin DMLT:',num2str(por_var_U_2),' [%]'])incr_U_Dmlt=U_2_real-U_1_real; %Variacin del coeficiente global detransferencia de calorporc_U_Dmlt= incr_U/U_1_real*100; %Porcentaje de variacindisp(['Variacin de coeficiente global de transferencia de calor:',num2str(incr_U_Dmlt), ' [W/m^2.K]'])disp(['Porcentaje de variacin respecto al valor inicial sinnanopartculas: ',num2str(porc_U_Dmlt),' [%]'])disp('---------------------------------------------------------------------')disp('---------------------------------------------------------------------')


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57

4.5. RESULTADOS

A continuacin se muestran los resultados del software realizado:

---------------------------------------------------------------------

SOFTWARE PARA CLCULO DE COEFICIENTE GLOBAL DETRANSFERENCIA DE CALOR EN INTERCAMBIADOR DE CALOR DE TUBOSCONCNTRICOS CON AGUA Y NANOFLUIDO DE AGUA CON TiO2 COMOFLUIDOS DE TRABAJO.

---------------------------------------------------------------------

ANLISIS PARA FLUIDOS DE TRABAJO: AGUA

---------------------------------------------------------------------

DATOS DEL EQUIPO:

Longitud de tubera: 0.4 [m]

Dimetro tubera interior: 0.01 [m]

Dimetro tubera exterior: 0.02 [m]

Flujo de agua fra: 0.1083 [kg/s]

Flujo de agua caliente: 0.038631 [kg/s]

Temperatura de ingreso agua caliente: 69.57 [C]

Temperatura de ingreso agua fra: 13.7 [C]

Temperatura de salida agua caliente: 65.76 [C]

Temperatura de salida agua fra: 15.06 [C]

---------------------------------------------------------------------

VALORES CALCULADOS:

rea de transferencia de calor: 0.012566 [m^2]

Temperatura media agua caliente: 67.665 [C]

Temperatura media agua fra: 14.38 [C]

Volumen especfico del fluido caliente: 0.0010214 [m^3/kg]


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Volumen especfico del fluido fro: 0.0010003 [m^3/kg]

Calor especfico del fluido caliente: 4188.3746 [J/kg.K]

Calor especfico del fluido fro: 4185.3677 [J/kg.K]

Viscosidad del fluido caliente: 0.00040068 [N.s/m^2]

Viscosidad del fluido fro: 0.0011336 [N.s/m^2]

Conductividad trmica del fluido caliente: 0.66121 [W/m.K]

Conductividad trmica del fluido fro: 0.59396 [W/m.K]

Nmero de Prandtl fluido caliente: 2.5039

Nmero de Prandtl fluido fro: 8.0166

Dimetro hidrulico interior (caliente): 0.01 [m]

Dimetro hidrulico exterior (fro): 0.01 [m]

Nmero de Reynolds fluido caliente: 12275.6686

Nmero de Reynolds fluido fro: 4054.5974

---------------------------------------------------------------------

CONDICIONES PARA DITTUS-BOELTER, FLUJO TURBULENTO

1. L/D>10

2. Re_D>10000

3. 0.7


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---------------------------------------------------------------------

TIPO DE FLUJO

Flujo interior (caliente) turbulento, Re_D = 12275.6686

Flujo exterior (fro) laminar-turbulento, Re_D = 4054.5974

---------------------------------------------------------------------

CUMPLE CONDICIONES DE DITTUS-BOELTER

Flujo interior (caliente) si cumple condicin Dittus-Boelter

Flujo exterior (fro) no cumple condicin Dittus-Boelter

---------------------------------------------------------------------

RESULTADOS

Nmero de Nusselt para agua caliente: 56.565

Coeficiente de transferencia de calor (h) para fluido caliente: 3740.15 [W/m^2.K]

Nmero de Nusselt para agua fra: 23.1426

Coeficiente de transferencia de calor (h) para fluido fro: 1374.5673 [W/m^2.K]

Coeficiente global de transferencia de calor (U): 1005.1558 [W/m^2.K]

---------------------------------------------------------------------

---------------------------------------------------------------------

ANLISIS PARA FLUIDOS DE TRABAJO: AGUA EN TUBERA EXTERIOR YNANOFLUIDO, AGUA CON NANOPARTCULAS DE TiO2,EN TUBERAINTERIOR

---------------------------------------------------------------------

SE ANALIZA PARA LOS MISMOS GRADIENTES DE TEMPERATURAS Y

FLUJOS MSICOS

---------------------------------------------------------------------

DATOS DE LAS NANOPARTCULAS Y EQUIPO

Volumen del tanque: 7.5 [lt]


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Densidad del fluido (agua caliente): 979.0385 [kg/m^3]

Masa de nanopartculas: 0.175 [kg]

Punto de fusin : 1859.85 [C]

Densidad de nanopartculas: 4157 [kg/m^3]

Calor especfico de nanopartcula: 722.707 [J/kg.K]

Conductividad trmica de nanopartcula: 8.4596 [W/m.K]

---------------------------------------------------------------------

CLCULOS PARA NANOPARTCULAS Y EQUIPO

Masa de fluido en el tanque: 7.3428 [kg]

Concentracin en peso: 2.3278 [%]

Densidad del nanofluido: 1053.0155 [kg/m^3]

Calor especfico del nanofluido: 3869.8961 [J/kg.K]

Conductividad trmica del nanofluido: 0.69872 [W/m.K]

Viscosidad de nanofluido: 0.000424 [N.s/m^2]

Nmero de Prandtl de nanofluido: 2.3484

Nmero de Reynolds para nanofluido: 6593.114

Ecuacin para nmero de Nusselt en nanofluido: a(Re^b)(Pr^c)

Constantes para TiO2: a = 0.02 b = 0.78 c = 0.54

Nmero de Nusselt para nanofluido: 30.2088

Coeficiente de transferencia de calor (h) para nanofluido: 2110.7484 [W/m^2.K]

Coeficiente global de transferencia de calor (U): 832.4542 [W/m^2.K]

---------------------------------------------------------------------


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61

---------------------------------------------------------------------

COMPARACIONES FINALES

SIN MEDIA LOGARTMICA DE TEMPERATURAS

Variacin de coeficiente de transferencia de calor en tubera interna: -1629.4016[W/m^2.K]

Porcentaje de variacin respecto al valor inicial sin nanopartculas: -43.5651 [%]

Variacin de coeficiente global de transferencia de calor: -172.7016 [W/m^2.K]


CON MEDIA LOGARTMICA DE TEMPERATURAS

Coeficiente global de transferencia de calor sin nanopartculas(U): 920.8082[W/m^2.K]

Porcentaje de variacin respecto al valor inicial sin DMLT: -9.1602 [%]

Coeficiente global de transferencia de calor con nanopartculas(U): 831.7827[W/m^2.K]

Porcentaje de variacin respecto al valor inicial sin DMLT: -0.080728 [%]

Variacin de coeficiente global de transferencia de calor: -89.0255 [W/m^2.K]


---------------------------------------------------------------------

---------------------------------------------------------------------


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62

5.ANLISIS DE RESULTADOS

Existe una disminucin del coeficiente global de transferencia de calor del sistema

al utilizar nanopartculas de 1000 [W/m^2.K] a 830 [W/m^2.K] en el caso de

analizar por las ecuaciones que toman en cuenta los flujos y propiedades, al tomaren cuenta la diferencia media logartmica se tiene que la disminucin del

coeficiente global de transferencia de calor es de 920 [W/m^2.K] a 830 [W/m^2.K].

En los dos casos se tiene que no se mejora la transferencia de calor en el sistema

al implementar nanopartculas de dixido de titanio de 85[nm].

La discrepancia de valores entre los calculados por las ecuaciones que toman en

cuenta flujos y propiedades versus el uso de la diferencia media logartmica al

analizar el coeficiente global de transferencia de calor es del 9% sinnanopartculas y del 0.1%; en el primer caso aceptable y en el segundo

despreciable.

Se verifica la validez de la ecuacin para determinar el nmero de Nusselt para las

nanopartculas, as como las dems ecuaciones que permiten el clculo para el

dixido de titanio a pesar de que no se tiene la misma medida en tamao.

A pesar de realizar algunas simplificaciones y aproximaciones al momento de

realizar los clculos los valores resultantes no presentan variaciones significantes

entre s.


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63

6.CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

En el presente estudio, la utilizacin de nanopartculas de dixido de titanio

de 85[nm] de tamao no mejor la transferencia de calor en un

intercambiador de calor de tubos concntricos. Se realiz el montaje de un equipo adecuado para evaluar el

comportamiento del uso de nanopartculas de dixido de titanio, mismo que

present valores adecuados al compararlos con los analticos realizados en

el software MATLAB.

Tericamente al alterar un fluido con nanopartculas se presenta un

incremento en el coeficiente global de transferencia de calor en el mismo,

tomando en cuenta parmetros restrictivos como concentracin, tamao de

nanopartculas y dispersin, sin embargo, en el presente documento no se

pudo verificar dicho comportamiento. Se presume que el factor

determinante para no lograr los resultados fue el tamao de las

nanopartculas, seguido por la dispersin de las mismas en el agua.

Los resultados obtenidos en el software MATLAB son de alta fiabilidad y se

comprueban entre s, teniendo discrepancias mximas de 9%, es decir

aceptables.

En las tablas 3.1 y 3.2 de las temperaturas de entrada y salida del fluido

caliente sin y con uso de nano partculas respectivamente, se puede

apreciar que las temperaturas de salida del agua caliente del fluido sin nano

partculas disminuyen menos que al usar las nano partculas de dixido de

titanio, lo que a simple vista nos dira que la transferencia de calor con las

nano partculas es efectivo, sin embargo este razonamiento no es vlido

debido a los resultados obtenidos en los clculos.

La dispersin de las nano partculas y su concentracin son un factorimportante para la transferencia de calor debido a que su acumulacin hace

que el equipo no funcione correctamente, es decir disminuya el flujo de

agua caliente, como fue el caso de la prctica realizada, es por ello que

debemos estar constantemente mezclando el fluido caliente y las nano

partculas.


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La fabricacin a pequea escala de nanopartculas es un proceso

sumamente sencillo que no requiere equipos sofisticados ni resulta

sumamente costoso, sin embargo la produccin a gran escala de

nanopartculas es mucho ms complejo y es un tema que se debera

abordar en otro estudio

Existen muchas aplicaciones de la nanotecnologa en la vida cotidiana

desde el uso en equipos industriales hasta mbitos mdicos, y es por ello

que actualmente esta nueva ciencia da la apertura a nuevas tecnologas.

Es necesario realizar algunas aproximaciones para los clculos, pero se

requiere que estos valores sean comprobados para verificar la validez de

los mismos.

Antes de realizar la molienda se recomienda limpiar el equipo con alcohol,

para evitar que la muestra se contamine.

Se debe evitar que se acumule las nano-partculas en el tanque, debido a

que la acumulacin de las mismas puede daar la bomba de agua y hacer

que el equipo baje su rendimiento.

Es recomendable medir los caudales de trabajo y mantenerlos para tener

datos constantes y coherentes; si disminuyen, los datos sern errneos.

Se debe trabajar con un equipo limpio libre de impurezas, en especial en eltanque, pues una escoria o rebaba podra daar el equipo.

Se debe realizar ms de una toma de temperatura en los fluidos debido a

que alguna falla por defecto o percepcin de la persona puede provocar un

mal uso de la termocupla.

Al momento de trabajar con nano partculas debemos tener cuidado y

utilizar equipo de seguridad como guantes y mascarilla debido que pueden

causar daos a las vas respiratorias.

Para la obtencin de las nano-partculas se recomienda realizar la

caracterizacin de la partcula con mtodos como la microscopia

electrnica, el cual es ms preciso y permite cuantificar de mejor manera

los efectos de la aglomeracin de las partculas molidas.


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Para posteriores experimentaciones con nano-partculas si se desea

obtener partculas ms finas, moliendas ms uniformes, y menor

contaminacin, se puede disear mejores agitadores; ya que el equipo de

molienda tiene la facilidad de cambiar los mismos.

7.BIBLIOGRAFA

7.1. REFERENCIAS ELECTRNICAS

[1] WONG K., DE LEON O.,Applications of nanofluids: Current and future.

http://www.hindawi.com/journals/ame/2010/519659/

[2] MANCA O., JALURIA Y., POULIKAKOS D., Heat transfer in nanofluids, 2010.http://dx.doi.org/10.1155/2010/380826

[3] HUSSEIN A., SHARMA K., BAKAR R., KADIRGAMA K., The Effect of

Nanofluid Volume Concentration on Heat Transfer and Friction Factor inside a

Horizontal Tube, Hindawi Publishing Corporation, Journal of Nanomaterials,

Volume 2013, Article ID 859563, 12 pginas, junio 2013.

http://dx.doi.org/10.1155/2013/859563

[4] LVAREZ C., DVILA J., Diseo y construccin de un molino de atriccin para

moler materiales cermicos, Tesis, EPN, 2011.

http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/3920/1/CD-3627.pdf

[5] BERGMAN T., DEWITT D., INCROPERA F., LAVINE A., Fundamentals of heat

and mass transfer, tabla A.2, sptima edicin, 2011. ISBN: 978-0470-50197-9


and mass transfer, tabla 8.3, sptima edicin, 2011. ISBN: 978-0470-50197-9


and mass transfer, tabla A.6, sptima edicin, 2011. ISBN: 978-0470-50197-9


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8.ANEXOS

8.1. ANEXO 1: Resultados obtenidos del anlisis del tamao de las

nanopartculas de dixido de titanio realizadas

**** Brookhaven Instruments Corp.****

ZetaPlus Particle Sizing Software Version 4.20

Sample Identification:Dioxido de titanio

(Combined)

Operator Identification: Salo

Notes: sonicada 1 min en agua

Measurement Date: Oct 22, 2013

Measurement Time: 16:35:57

Batch: 0

**** Measurement Parameters ****

Temperature = 25.0

Suspension = Water

Viscosity = 0.890 cp

Ref.Index Fluid = 1.330

Angle = 90.00

Wavelength = 659.0 nm

Dust Cutoff = 30.00

Runs Completed = 5

Run Duration = 00:00:10

Total Elapsed Time = 00:00:50

Average Count Rate = 349.3 kcps

Ref.Index Real = 0.134

Ref.Index Imag = 3.960

**** Measurement Results ****Dioxido de titanio (Combined)

Effective Diameter: 85.5

Polydispersity: 0.005

Baseline Index: 8.4/100.00%

Elapsed Time = 00:00:50

Run Eff. Diam. (nm) Half Width (nm) Polydispersity Baseline Index

---------------------------------------------------------------------------

1 87.6 6.2 0.005 6.8/100.00%2 89.9 6.4 0.005 6.7/100.00%

3 85.7 6.1 0.005 9.6/100.00%

4 74.8 5.3 0.005 8.7/100.00%

5 99.1 7.0 0.005 9.9/100.00%

---------------------------------------------------------------------------

Mean 87.4 6.2 0.005 8.4/100.00%

Std.Error 3.9 0.3 0.000 0.7/ 0.00

Combined 85.5 6.0 0.005 8.4/100.00%


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67

**** Lognormal Size Distribution Results ****

GSD: 1.073

d(nm) G(d) C(d) | d(nm) G(d) C(d) | d(nm) G(d) C(d)

--------------------------------------------------------------

76.1 26 5 | 84.0 97 40 | 89.7 80 75

78.1 44 10 | 84.8 99 45 | 90.8 70 8079.5 58 15 | 85.5 100 50 | 92.0 58 85

80.6 70 20 | 86.3 99 55 | 93.6 44 90

81.5 80 25 | 87.1 97 60 | 96.0 26 95

82.4 87 30 | 87.9 93 65 |

83.2 93 35 | 88.7 87 70 |

**** Multimodal Size Distribution Results ****

Mean Diameter: 58.691

Relative Variance: 0.000

Skew: 1.972

d(nm) G(d) C(d) | d(nm) G(d) C(d) | d(nm) G(d) C(d)

--------------------------------------------------------------

57.0 0 0 | 58.7 100 67 | 60.4 0 100

57.1 0 0 | 58.8 87 97 | 60.6 0 100

57.3 0 0 | 59.0 0 97 | 60.8 0 100

57.4 0 0 | 59.2 0 97 | 60.9 0 100

57.6 0 0 | 59.3 0 97 | 61.1 0 100

57.7 0 0 | 59.5 5 98 | 61.3 0 100

57.9 0 0 | 59.6 5 100 | 61.4 0 100

58.1 0 0 | 59.8 0 100 | 61.6 0 100

58.2 0 0 | 60.0 0 100 | 61.7 0 100

58.4 18 6 | 60.1 0 100 | 61.9 0 100

58.5 81 33 | 60.3 0 100 | 62.1 0 100


68/69

68

**** Lognormal Size Distribution

Results/Spreadsheet Format ****

76.1, 26, 5

78.1, 44, 10

79.5, 58, 15

80.6, 70, 2081.5, 80, 25

82.4, 87, 30

83.2, 93, 35

84.0, 97, 40

84.8, 99, 45

85.5,100, 50

86.3, 99, 55

87.1, 97, 60

87.9, 93, 65

88.7, 87, 70

89.7, 80, 75

90.8, 70, 80

92.0, 58, 85

93.6, 44, 90

96.0, 26, 95

**** Multimodal Size Distribution

Results/Spreadsheet Format ****

57.0, 0, 0

57.1, 0, 0

57.3, 0, 0

57.4, 0, 0

57.6, 0, 0

57.7, 0, 0

57.9, 0, 0

58.1, 0, 0

58.2, 0, 0

58.4, 18, 6

58.5, 81, 33

58.7,100, 6758.8, 87, 97

59.0, 0, 97

59.2, 0, 97

59.3, 0, 97

59.5, 5, 98

59.6, 5,100

59.8, 0,100

60.0, 0,100

60.1, 0,100

60.3, 0,100

60.4, 0,100

60.6, 0,100

60.8, 0,100

60.9, 0,100

61.1, 0,100

61.3, 0,100

61.4, 0,100

61.6, 0,100

61.7, 0,100

61.9, 0,100

62.1, 0,100


69/69

8.2. ANEXO 2: Resumen de resultados obtenidos de tamao de

nanopartculas de dixido de titanio

Figura 8.1. Resumen de resultados de tamao de nanopartculas de dixido de titanio

Proyecto_Nanopartículas en intercambiador de calor de tubos concéntricos

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