Uso di nanofluidi come fluidi termovettori nella refrigerazione magnetica

Abstract

L’obiettivo della tesi è analizzare le prestazioni di un refrigeratore magnetico, utilizzando come fluidi termovettori nanofluidi, analizzandone il comportamento a diverse concentrazioni volumetriche, dimensioni medie delle particelle, e materiale delle stesse. Vengono analizzati quattro tipologie di nanofluidi, realizzati utilizzando acqua come fluido base, e diverse nanoparticelle: ossido di alluminio Al2O3, ossido rameico CuO, diossido di silicio SiO2 e biossido di titanio TiO2. Tramite simulazioni, sono ricavati i valori prestazionali per diverse condizioni operative del sistema. In particolare, si è analizzato un gradiente di temperatura agli estremi del refrigeratore compreso tra 5 e 35 °C, con un incremento di 5°C, e una frequenza di ciclo compresa tra 0.3 e 2.1 Hz, con un incremento pari a 0.1 Hz. Viene riscontrato che l’utilizzo dei nanofluidi garantisce una maggiore potenza refrigerante rispetto all’utilizzo del solo fluido base, a scapito di un minor coefficiente di prestazioni. Viene evidenziato come, indipendentemente dal materiale delle particelle, un significativo aumento della potenza refrigerante è correlato ad una diminuzione della dimensione media delle stesse, e all’aumento della loro concentrazione volumetrica. Al contrario, il coefficiente di prestazione mostra un andamento inverso per tali parametri. Attraverso il confronto dei quattro nanofluidi nella stessa configurazione che garantisce massima potenza refrigerante, pari a particelle di dimensione 20nm e concentrazione volumetrica del 6%, si dimostra come lascelta del materiale delle stesse influisca solo in piccola parte sulle prestazioni del nanofluido, a seconda del ∆Tspan a cui opera il sistema. Si conclude quindi che i maggiori fattori di influenza per i nanofluidi sono dimensione e concentrazione volumetrica delle nanoparticelle, e la scelta del materiale di queste ha ruolo secondario nella definizione delle prestazioni del sistema.

The thesis aims to analyze the performance of a magnetic refrigerator using nanofluids as thermovector fluids. The behavior of these nanofluids is examined at various volumetric concentrations, average particle sizes, and materials. Four types of nanofluids are analysed, created using water as the base fluid, differing for the material of the nanoparticles: aluminum oxide Al2O3, cupric oxide CuO, silicon dioxide SiO2, and titanium dioxide TiO2. Performance values for different operational conditions of the system have been obtained through simulations. Specifically, a temperature gradient across the extremes of the refrigerator ranging from 5 to 35 °C, with a 5°C increment, and a cycle frequency ranging from 0.3 to 2.1 Hz, with a 0.1 Hz increment, were analysed. It is observed that, in general, the use of nanofluids ensures higher refrigerating power compared to using the base fluid alone, albeit at the expense of a lower performance coefficient. Regardless of the particle material, a substantial increase in refrigerating power is associated with a decrease in their average size and an increase in volumetric concentration. Conversely, the performance coefficient exhibits an inverse trend for these parameters, resulting in lower values for nanofluids with higher volumetric concentration and smaller particle size. Through the comparison of the four nanofluids in the same configuration providing maximum refrigerating power (particle size of 20nm and volumetric concentration of 6%), it’s demonstrated that the choice of material has only a minor impact on nanofluid performance, depending on the ∆Tspan at which the system operates. In conclusion, it’s evident that the primary influencing factors for nanofluids are the size and volumetric concentration of nanoparticles, while the choice of material plays a secondary role in defining system performance.