Análisis de los Nanofluidos y su Aplicación como Fluido HTFbibing.us.es/proyectos/abreproy/20497/fichero/PFC_Patricia+Pedraza+Luque.pdf · Los fluidos caloportadores son elementos

Proyecto Fin de Carrera

Ingeniería Química

Análisis de los

Aplicación como

Autor: Patricia Pedraza Luque

Tutor: Javier Pino Lucena

Escuela Técnica Superior de Ingeniería


Química

Análisis de los Nanofluidos y su

plicación como Fluido HTF

Autor: Patricia Pedraza Luque

Tutor: Javier Pino Lucena

Dep. Ingeniería Energética


Universidad de Sevilla

Sevilla, 2016

anofluidos y su

HTF

Análisis de los Nanofluidos y su Aplicación como Fluido HTF 2016

2 Patricia Pedraza Luque




Ingeniería Química

Análisis de los Nanofluidos y su Aplicación como

Fluido HTF

Autor:

Patricia Pedraza Luque

Tutor:

Javier Pino Lucena

Profesor titular

Dep. Ingeniería Energética


Universidad de Sevilla

Sevilla, 2016





Proyecto Fin de Carrera: Análisis de los Nanofluidos y su Aplicación como Fluido HTF

Autor: Patricia Pedraza Luque Tutor: Javier Pino Lucena

El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificación de:

Sevilla, 2016

El Secretario del Tribunal





A mi familia

A mis maestros





Agradecimientos

Siempre estaré agradecida a mis padres, por confiar en mí y ayudarme siempre a decidir lo

correcto. A Carlos, por ser mi apoyo incondicional en los altibajos. A mi hermana, por no dejar

que me durmiese en los laureles.

Por último, y no menos importante, a Javier Pino, por su paciencia.





Resumen

Los fluidos caloportadores son elementos básicos en cualquier industria donde sea necesario

un aporte de calor. Debido a su importancia en la industria en los últimos años, se han venido

desarrollando una serie de fluidos de trabajo denominados nanofluidos. Se tratan de fluidos

caloportadores base a los que se le ha adicionado unas nanopartículas. Estas últimas, permiten

al nanofluido que se comporte como un fluido al mismo tiempo que sus propiedades

termofísicas se ven mejoradas.

De ahí surge la necesidad de llevar a cabo un estudio del arte de los nanofluidos, análisis de sus

propiedades, así como; aplicaciones de estos nanofluidos en la actualidad y en el futuro.





Abstract

Heat transfer fluids are key elements in any industry where heat source is required. Because of

its importance in the industry recently, it has been developed a new kind of fluids called

nanofluids. These are conventional heat transfer fluids with nanoparticles added. Last

nanoparticles allow nanofluido to behave as a fluid while also their thermophysical properties

are enhanced.





Índice de contenidos

Agradecimientos ........................................................................................................................... 9

Resumen ...................................................................................................................................... 11

Abstract ....................................................................................................................................... 13

Índice de contenidos ................................................................................................................... 15

Índice de figuras .......................................................................................................................... 18

Índice de tablas ........................................................................................................................... 20

Índice de ecuaciones ................................................................................................................... 21

1.-Introducción ............................................................................................................................ 24

1.1 Objetivos ..................................................................................................................... 24

1.2 Descripción del documento ........................................................................................ 24

1.3 Necesidad de los fluidos caloportadores. ......................................................................... 25

1.3.1 Fluidos empleados actualmente como caloportadores ............................................. 27

1.3.2 Características de los Fluidos Caloportadores ........................................................... 28

1.3.3 Clasificación de los fluidos caloportadores ................................................................ 30

1.3.4 Análisis de los fluidos caloportadores: características, ventajas e inconvenientes ... 30

2.-Descripción de los nanofluidos y utilidad ............................................................................... 32

2.1 Definición de los nanofluidos. Conceptos Previos. ........................................................... 32

2.2 Origen de los nanofluidos ................................................................................................. 36

2.3 Utilidad de los nanofluidos ................................................................................................ 37

2.3.1 Fluidos refrigerantes .................................................................................................. 37

2.4 Ventajas e Inconvenientes de los nanofluidos ................................................................. 38

3. Tipos de nanofluidos ............................................................................................................... 40

3.1 Introducción ...................................................................................................................... 40

3.2 Caracterización y producción de los nanofluidos.............................................................. 40

3.2.1 Aspectos a tener en cuenta durante la síntesis de las nanofluidos ........................... 41

3.3 Nanopartículas empleadas ................................................................................................ 44

3.3.1 Tipos de materiales empleados y síntesis de estas nanopartículas ........................... 44



3.3.2 Otros métodos de síntesis de las nanopartículas....................................................... 57

3.4 Fluidos base empleados .................................................................................................... 60

3.4.1 Tipos de fluidos térmicos empleados. ........................................................................ 60

3.5 Dispersión de las nanopartículas en los fluidos ................................................................ 62

4.- Análisis de las propiedades termofísicas de los nanofluidos ................................................. 64

4.1 Caracterización y modelado .............................................................................................. 64

4.1.1 Conductividad térmica ............................................................................................... 65

4.1.2 Viscosidad .................................................................................................................. 68

4.2 Métodos de elaboración de los nanofluidos durante el análisis de propiedades ............ 70

4.3 Técnicas experimentales ................................................................................................... 72

4.3.1 Conductividad térmica. .............................................................................................. 72

4.3.2 Calor específico .......................................................................................................... 73

4.3.3 Viscosidad ................................................................................................................... 73

4.3.4 Estabilidad .................................................................................................................. 74

4.3.5 Potencial Zeta ............................................................................................................. 74

4.3.6 Tamaño de partícula .................................................................................................. 74

4.3.7 Transmisión electrónica microscópica ....................................................................... 74

4.4 Materiales ......................................................................................................................... 75

4.4.1 Caracterización ........................................................................................................... 75

4.5 Resultados y discusión ...................................................................................................... 77

4.5.1 Conductividad térmica ............................................................................................... 77

4.5.2 Calor específico .......................................................................................................... 84

4.5.3 Viscosidad ................................................................................................................... 85

4.5.4 Estabilidad .................................................................................................................. 86

4.5.5 Optimización .............................................................................................................. 86

5.-Transferencia de calor en los nanofluidos .............................................................................. 88

5.1 Introducción ...................................................................................................................... 88

5.2 Fundamentos de la transferencia de calor convectiva ..................................................... 88

5.2.1 Ecuaciones de gobierno del flujo del fluido y de la transferencia de calor ............... 89

5.3 Transferencia de calor convectiva entre dos superficies elípticas concéntricas .............. 90

5.3.1 Introducción del estudio ............................................................................................ 90

5.3.2 Modelo matemático ................................................................................................... 92

5.3.3 Resultados y discusión ............................................................................................... 98

El efecto de la fracción volumétrica de nanopartículas .................................................... 102



6. Aplicaciones de los Nanofluidos ............................................................................................ 104

6.1 Gestión de los vehículos térmicos .................................................................................. 105

6.2 Gestión térmica de avanzadas armas y buques .............................................................. 106

6.3 Aplicaciones en el calentamiento y enfriamiento de edificios ....................................... 106

6.4 Aplicación de los nanofluidos en sistemas de absorción térmica ................................... 106

7.- Aplicación de los HTF (Heat Transfer Fuids) en Centrales Solares ....................................... 107

7.1 Introducción. .................................................................................................................. 107

7.2 Aplicación de los nanofluidos en las centrales solares ................................................... 107

7.2.1 Colectores solares e intercambiadores de calor en los sistemas de paneles solares

........................................................................................................................................... 108

7.2.2 Otras aplicaciones .................................................................................................... 117

7.3 Futuras aplicaciones ........................................................................................................ 119

7.4 Aspectos que se deben mejorar del uso de los nanofluidos ........................................... 120

7.4.1 Elevado coste ........................................................................................................... 120

7.4.2 Inestabilidad y aglomeración ................................................................................... 120

7.4.3 Energía de bombeo y caída de presión .................................................................... 120

7.4.4 Erosión y corrosión de los componentes ................................................................. 120

8.- Conclusiones ........................................................................................................................ 122

9.- Anexos .................................................................................................................................. 125

9.1 Proyecto Nanohex ........................................................................................................... 125

9.1.1 Introducción ............................................................................................................. 125

9.1.2 Objetivos Nanohex ................................................................................................... 125

9.1.3 Modelo analítico. ..................................................................................................... 126

9.1.4 Áreas de aplicación................................................................................................... 127

10. Referencias .......................................................................................................................... 129

11. Bibliografía .......................................................................................................................... 132



Índice de figuras

Figura 1. Crecimiento de las publicaciones de nanofluidos ........................................................ 34

Figura 2. Formación de las nanopartícula, energía libre ............................................................ 41

Figura 3. Estabilidad de las nanopartículas ................................................................................. 42

Figura 4. Nanopartículas con tamaño de 15nm de Au-citrato preparadas por el método

Turkevich ..................................................................................................................................... 47

Figura 5. Nanopartículas con un tamaño de 3nm de diámetro de Au - ODT preparadas por el

método Brust. ............................................................................................................................. 49

Figura 6. Espectro de absorción de la varilla de oro ................................................................... 54

Figura 7. Nanotubos de carbón ................................................................................................... 56

Figura 8. Notación empleada para explicar la configuración de los nanotubos de carbón ........ 57

Figura 9. Distribución del tamaño de partícula ........................................................................... 76

Figura 10. Morfología de las partículas observadas por TEM. (a) Ludox TM-50 (b) Aerosil 2000

(c) Aerodisp w95 (d) Aerodisp AluC (e)Aquacyl .......................................................................... 77

Figura 11. Mejora de la conductividad. (a) Aerosil 200 (b) Ludox TM-50 (c) Aeroxide AluC (d)

Aerodisp W95 (e) Aquacyl ........................................................................................................... 79

Figura 12. Evolución de la conductividad térmica con la temperatura. ..................................... 84

Figura 13. Evolución del calor específico con el contenido de sólido (a) Silica (•Aerosil 200, x

Ludox TM-50), (b) Alumina (•Aeroxide AluC, x Aerodisp W925) y (c) Carbonanotubos

(•Aquacyl) ................................................................................................................................... 84

Figura 14. Evolución de la viscosidad relativa con el contenido de sólido (a) Silica (•Aerosil 200,

x Ludox TM-50), (b) Alumina (•Aeroxide AluC, x Aerodisp W925) y (c) Carbonanotubos

(•Aquacyl) ................................................................................................................................... 85

Figura 15. Evolución del haz de luz con el tiempo al atravesar el nanofluido (a) Silica (•Aerosil

200, x Ludox TM-50), (b) Alumina (•Aeroxide AluC, x Aerodisp W925) y (c) Carbonanotubos

(•Aquacyl) ................................................................................................................................... 86

Figura 16. Evolución del Número de Prandtl con el contenido de sólido (a) Silica (•Aerosil 200,

x Ludox TM-50), (b) Alumina (•Aeroxide AluC, x Aerodisp W925) y (c) Carbonanotubos

(•Aquacyl) ................................................................................................................................... 87

Figura 17. Volumen de control en coordenadas cartesianas ...................................................... 89

Figura 18. Esquema representativo del espacio entre tubos concéntricos ................................ 93

Figura 19. Esquema representativo de los tubos concéntricos .................................................. 93

Figura 20. Representaciones de las propiedades termofísicas, (a) Relación entre el Re y el Nu;

(b) Relación entre el ratio X/L y el coeficiente de calor en la pared interna; (c) Relación entre el

ratio X/L y el coeficiente de transferencia de calor exterior ....................................................... 98

Figura 21. Efecto de los diferentes tipos de nanofluidos y de diferentes valores de Re en el

número de Nu ............................................................................................................................. 99



Figura 22. (a) Comportamiento de la transferencia de calor para distintos tipos de

nanopartículas con Re=1000, ∅=0,04 y dp=20nm. (b) Comportamiento de la temperatura entre

tubos concéntricos para distintos tipos de nanopartículas con Re=1000, ∅=0,04 y dp=20nm. 101

Figura 23. (a) Efecto de las diferentes fracciones volumétricas de nanopartículas y distintos

valores de Re en el número de Nu. (b) Efecto de los diferentes diámetros de nanopartículas y

distintos valores de Re en el número de Nu. (c) Efecto de las diferentes bases fluidas y distintos

valores de Re en el número de Un. ........................................................................................... 102

Figura 24. Esquema de la absorción de la energía solar en un panel solar .............................. 108

Figura 25. Efecto de la concentración volumétrica en la eficiencia del panel solar ................. 109

Figura 26. Efecto del tamaño de la nanopartícula en la eficiencia del colector para una

concentración de sólidos dada .................................................................................................. 110

Figura 27. Esquema del sistema de panel solar con absorción directa. ................................... 110

Figura 28. Eficacia del colector solar DASC en función de la fracción volumétrica. ................. 111

Figura 29. Eficiencia del panel solar en función del tamaño de la nanopartícula de plata y de la

concentración volumétrica de la misma. .................................................................................. 111

Figura 30. (a)Diseño conceptual de un colector usando un nanofluido y un cristal en la parte

superior. (b)Diseño conceptual de un colector usando un nanofluido sin cristal en la parte

superior. (c)Diseño conceptual de una torre de energía con absorción sólida. ....................... 112

Figura 31. Esquema del NCPSC.................................................................................................. 113

Figura 32.Comparación de le eficacia de un colector convencional con un colector que utiliza

nanofluidos ................................................................................................................................ 113

Figura 33. Esquema del experimento para comparar un panel solar con un panel que utiliza

nanofluidos ................................................................................................................................ 113

Figura 34. Eficiencia de un panel solar que utiliza agua, agua y Al2O3 en distintas

concentraciones. ....................................................................................................................... 114

Figura 35. Influencia del pH en la eficacia de un panel solar. .................................................. 114

Figura 36. Variación del Nu con respecto a la variación de concentración de nanopartículas. 118

Figura 37. Esquema de una celda termoeléctrica. .................................................................... 119

Figura 38. Balsas solares con empleo de nanofluidos. .............................................................. 120



Índice de tablas

Tabla 1. Fluidos Caloportadores más usuales ............................................................................. 28

Tabla 2. Clasificación de los Fluidos Caloportadores. ................................................................. 30

Tabla 3. Análisis de los fluidos caloportadores. .......................................................................... 31

Tabla 4. Potenciales estándar de reducción de los metales y de los agentes reductores .......... 46

Tabla 5. Soluciones usadas en procesos de reducción para la obtención de nanopartículas

metálicas. .................................................................................................................................... 46

Tabla 6. Estudios Previos de la medida de la conductividad ....................................................... 65

Tabla 7. Estudios Previos de la medida de la viscosidad ............................................................. 69

Tabla 8. Materiales empleados durante la medida de las propiedades ..................................... 75

Tabla 9. Error relativo de la conductividad térmica a T 40ºC ..................................................... 81

Tabla 10. Error relativo de la conductividad térmica a T 60ºC ................................................... 82

Tabla 11. Error relativo de la conductividad térmica a T 80ºC ................................................... 83

Tabla 12. Propiedades Termofísicas de diferentes nanopartículas y de diferentes nanofluidos a

T 300K .......................................................................................................................................... 92

Tabla 13.Valores de β para las distintas partículas en las diferentes condiciones de contorno. 95

Tabla 14. Propiedades termofísicas de los nanofluidos para el cálculo del coeficiente

convectivo de calor ..................................................................................................................... 95

Tabla 15. Comparación económica entre un panel solar convencional y un panel solar con uso

de nanofluidos. .......................................................................................................................... 115

Tabla 16. Consumos de energía consumida en MJ/kg para varios tipos de colectores solares.

................................................................................................................................................... 116

Tabla 17. Emisiones en kg y ahorro que se produce al año. ..................................................... 116

Tabla 18. Resultados obtenidos tras la experimentación con nanofluidos en colectores solares

................................................................................................................................................... 117



Índice de ecuaciones

Ecuación 1. Altura gravitacional .................................................................................................. 36

Ecuación 2. Distribución de la concentración ............................................................................. 37

Ecuación 3. Reducción química ................................................................................................... 45

Ecuación 4. Reacción de oxidación ............................................................................................. 45

Ecuación 5. Reacción global reducción y oxidación .................................................................... 45

Ecuación 6. Ecuación de la energía libre ..................................................................................... 45

Ecuación 7. Reducción del agua .................................................................................................. 47

Ecuación 8. Relación entre el diámetro y los parámetros n y m ................................................. 57

Ecuación 9. Relación entre el ángulo y los parámetros n y mb .................................................. 57

Ecuación 10. Conductividad del nanofluido (Maxwell) ............................................................... 66

Ecuación 11. Conductividad térmica del nanofluido (Rayleigh) .................................................. 66

Ecuación 12. Conductividad térmica del nanofluido para partículas alargadas (Frike) ............. 66

Ecuación 13. Conductividad térmica del nanofluido para partículas esféricas (Frike) ............... 67

Ecuación 14. Conductividad térmica del nanofluido para partículas esféricas (Nan) ................. 67

Ecuación 15. Conductividad térmica del nanofluido considerando esfericidad (Hamilton y

Crosser) ....................................................................................................................................... 67

Ecuación 16.Conductividad térmica del nanofluido considerando resistencia (Krischer) .......... 67

Ecuación 17. Conductividad térmica del nanofluido considerando movimiento Browniano y

agrupación de partículas (Xuan) ................................................................................................. 67

Ecuación 18. Conductividad térmica del nanofluido considerando efecto de la nanopelícula (Yu

y Choi) .......................................................................................................................................... 68

Ecuación 19. Grosor de la nanopelícula ...................................................................................... 68

Ecuación 20. Conductividad térmica del nanofluido con CNT´s ................................................. 68

Ecuación 21. Viscosidad de una suspensión (Einstein) ............................................................... 69

Ecuación 22. Viscosidad de una suspensión (Batcherlor) ........................................................... 69

Ecuación 23. Viscosidad de una suspensión concentrada .......................................................... 70

Ecuación 24. Viscosidad de una suspensión concentrada con exponente constante ................ 70

Ecuación 25. Relación temperatura viscosidad ........................................................................... 70

Ecuación 26. Calor específico regla de la mezcla ........................................................................ 70

Ecuación 27. Variación de la temperatura con respecto al tiempo ............................................ 73

Ecuación 28. Conductividad del nanofluido en función de la temperatura ................................ 73

Ecuación 29. Error relativo .......................................................................................................... 80

Ecuación 30. Ley de Newton para la transferencia de calor convectiva. .................................... 88

Ecuación 31. Ecuación conservación de la masa ......................................................................... 89

Ecuación 32. Ecuación de conservación de la masa simplificada. .............................................. 90

Ecuación 33. Ecuaciones de Navier Stokes en cada una de las coordenadas cartesianas. ......... 90

Ecuación 34. Ecuación de Reynolds. ........................................................................................... 90



Ecuación 35. Ecuación de continuidad ........................................................................................ 93

Ecuación 36. Ecuación de momento ........................................................................................... 94

Ecuación 37. Ecuación de energía ............................................................................................... 94

Ecuación 38. Conductividad térmica efectiva ............................................................................. 95

Ecuación 39. Conductividad térmica estática ............................................................................. 95

Ecuación 40. Conductividad térmica considerando el movimiento browniano ......................... 95

Ecuación 41. Relación temperatura y fracción volumétrica de la partícula ............................... 95

Ecuación 42. Viscosidad dinámica efectiva ................................................................................. 96

Ecuación 43. Diámetro equivalente de la base fluida ................................................................. 96

Ecuación 44. Densidad efectiva ................................................................................................... 96

Ecuación 45. Calor específico efectivo ........................................................................................ 96

Ecuación 46. Número de Reynolds ............................................................................................. 96

Ecuación 47. Número Nusselt ..................................................................................................... 97

Ecuación 48. Eficiencia de un panel solar ................................................................................. 109





1.-Introducción

1.1 Objetivos

Los fluidos caloportadores son elementos básicos en cualquier industria donde sea necesario

un aporte de calor. Dependiendo del nivel térmico de la energía térmica que es necesaria

aportar, se utiliza un fluido caloportador u otro.

En los últimos años, se han venido desarrollando una serie de fluidos de trabajo denominados

nanofluidos. Este nanofluido se caracteriza por tener adicionado una serie de partículas de

tamaño nanométrico. Estas nanopartículas permiten al nanofluido que se comporte como un

fluido al mismo tiempo que sus propiedades termofísicas se ven mejoradas por estas últimas.

Por ello, surge la necesidad de llevar a cabo un estudio del arte de los nanofluidos, análisis de

sus propiedades, así como; aplicaciones de estos nanofluidos en la actualidad y en el futuro.

1.2 Descripción del documento

Por todo lo anterior, el presente documento se desarrolla en los siguientes capítulos.

En el capítulo 1, se expone el estado actual de los fluidos caloportadores y su necesidad en la

industria. Se entrará en mayor detalle en qué fluidos se emplean actualmente, qué

características tienen, clasificación de los fluidos según distintos criterios y, por último, un

análisis comparativo con las características, ventajas e inconvenientes de los más usados.

En el capítulo 2, se entra en mayor detalle en los nanofluidos como fluidos caloportadores. Se

definirán los nanofluidos, su origen y utilidad. Por último, en este capítulo se expondrán de

forma resumida las principales ventajas y desventajas que presenta su uso.

En el capítulo 3, se describirán los nanofluidos en mayor profundidad. Se caracterizan los

nanofluidos teniendo en cuenta varios aspectos durante su síntesis. Se describirán también, las

nanopartículas empleadas, así como los fluidos base que se emplean normalmente. Para

finalizar este capítulo, se explicarán los métodos de dispersión de las nanopartículas en los

distintos fluidos.

En el capítulo 4, se analizarán las propiedades termofísicas de los nanofluidos. Se detallarán

qué propiedades se han analizado, en qué métodos se basan, qué técnicas experimentales

emplean y por último, a qué conclusiones se llega durante el análisis de estas.



En el capítulo 5, se entra en profundidad en el análisis de la transferencia de calor convectiva

de los nanofluidos. En concreto, se analiza para una configuración concreta que se trata de dos

superficies concéntricas elípticas.

En el capítulo 6 y 7, se presentan las diferentes aplicaciones de los nanofluidos. En el capítulo

6, se detallan las aplicaciones más genéricas de estos nanofluidos. Por otro lado, en el capítulo

7 se detallan las aplicaciones de los HTF en las centrales termosolares. Además, en este último

capítulo se nombran algunos aspectos que deben ser mejorados para que los nanofluidos

tengan una mayor aplicación en las centrales termosolares.

En el capítulo 8, de forma breve, se exponen las conclusiones del presente documento y

futuros aspectos a desarrollar.

Por último, en el capítulo 9 como anexos al documento se nombran algunos proyectos de

referencia sobre esta materia.

Y finalmente, en el capítulo 10 y 11, se detallan las referencias y la bibliografía consultada.

1.3 Necesidad de los fluidos caloportadores.

Un fluido caloportador se define como un fluido que transporta, por conducciones, el calor de

un lugar a otro. El fluido caloportador se calienta, es decir se le aporta calor, en una parte de la

instalación y posteriormente, cede el calor en otra parte de la instalación. Normalmente, el

intercambio de calor se lleva a cabo en un circuito cerrado, de modo que, una vez cedido parte

del calor transportado, vuelve al calentador para reiniciar el ciclo.

Los fluidos caloportadores tienen numerosas aplicaciones en la actualidad, entre las que

destacan las siguientes:

Climatización Los fluidos caloportadores más empleados en las instalaciones de climatización son el agua y el

aire. A lo largo de la historia, el uso de un caloportador u otro ha ido variando.

En los primeros sistemas centralizados de calefacción, que estaban compuestos por una

caldera, tuberías de acero y radiadores; el fluido empleado era el vapor de agua. Su uso era

debido a que el agua es barata y además, posee un calor latente de vaporización bastante alto

(calor latente del agua 2257kJ/kg); por ello se transporta mucha cantidad de calor con

cantidades pequeñas de vapor. Los emisores del calor, los radiadores, eran pequeños y su

funcionamiento tenía una serie de inconvenientes ya que su temperatura de emisión era alta

por lo que al entrar en contacto con ellos se podían producir quemaduras y además, se

quemaba el polvo atmosférico produciendo unas manchas negras sobre estos equipos.

También, se requiere de una disposición específica de los elementos que forman la red por

ello, no se emplea en instalaciones nuevas.



Por estas razones se pasó a utilizar el agua, cuyo calor específico es alto (4,186 kJ/kg·K), en

comparación con otras sustancias; por ello es capaz de transportar gran cantidad de calor con

un caudal razonablemente bajo. Las primeras calefacciones por agua caliente funcionaban

también por termosifón. Sin embargo, la gran ventaja sobre el vapor es que se puede utilizar

una bomba para la recirculación, por lo que las tuberías pueden ser más delgadas y puede

emplearse cualquier disposición en la red. Tiene el inconveniente de que se vaporiza por

encima de los 100 °C y se hiela por debajo de 0 °C. En algunas instalaciones, puede ser un

inconveniente que el sistema pueda llegar a helarse; en estos casos, conviene añadir un

anticongelante. Para evitar la vaporización basta un termostato.

También se emplea el aire como fluido caloportador, en instalaciones de climatización,

especialmente en la climatización de verano (refrigeración). En este caso el caloportador

recibe el calor en los ambientes y lo cede en el climatizador, desde donde se llevará al exterior,

por medio de la torre de enfriamiento. En este caso el inconveniente es que el aire es el fluido

vital para las personas, por lo que debe ser tratado también para ser saludable.

Energía solar En las instalaciones con colectores solares, el agua, como caloportador, se calienta en los

colectores y cede el calor en el intercambiador del depósito de acumulación. En climas donde

haya peligro de heladas invernales, se utiliza agua con anticongelante en este circuito. Los

anticongelantes son glicoles, sobre todo etilenglicol y propilaglicol.

Sin embargo, hay que conocer las características de estos:

- Son tóxicos: Contienen inhibidores de corrosión (beneficiosos para la instalación) que son

extremadamente tóxicos, por lo que se hace necesario tomar las precauciones necesarias para

evitar que estos fluidos entren en contacto con los depósitos de ACS (Agua Caliente Sanitaria

para el consumo).

-Son muy viscosos: Es algo a tener en cuenta, ya que disminuye la velocidad de carga y hace

más lenta su distribución por la instalación, por lo que la bomba a elegir ha de ser más potente

que la usada en instalaciones sólo con agua.

-Dilatación: Suelen ser líquidos que dilatan más que el agua, por lo que hemos de tenerlo en

cuenta para evitar que una sobrepresión dañe la instalación. Para evitar sobrepresiones se

utilizan los vasos de expansión.

-Inestabilidad: A más de 120 º C estos fluidos se transforman convirtiéndose en ácidos muy

corrosivos que pondrían en peligro la instalación, ya que además perderían sus propiedades

anticongelantes.

-PH: Está entre 5 y 9 en condiciones normales.

-Salinidad: Hay que vigilar la aparición de depósitos salinos, ya que estos pueden dañar la

instalación solar.



Los líquidos caloportadores que más se utilizan en instalaciones termo-solares son los

siguientes: agua, una mezcla de agua y anticongelante, aceites de silicona y combinaciones de

líquidos orgánicos sintéticos.

Automoción Otro caso de caloportador es el que se utiliza en los automóviles para el enfriamiento del

motor. En este caso el caloportador es una mezcla de agua y anticongelante, que lleva el calor

desde el motor al radiador, donde se enfría para volver al motor, manteniendo su temperatura

a un nivel adecuado. Hay que tener en cuenta que al añadir el anticongelante, el calor

específico de la mezcla es menor que el del agua, por lo que es necesario mover mayor caudal

de caloportador para el mismo enfriamiento.

Enfriadores También puede considerarse un fluido caloportador el que lleva calor, por medio de un cambio

de estado, por ejemplo, desde el evaporador hasta el condensador en una máquina de

refrigeración, aunque en este caso se utiliza el nombre específico de refrigerante. Desde

la planta refrigeradora a los elementos terminales se suele llevar el calor mediante agua,

teniendo en cuenta que el calor se toma en los elementos terminales y se cede en la máquina

refrigeradora.

1.3.1 Fluidos empleados actualmente como caloportadores

Los fluidos caloportadores más usuales se pueden clasificar en función de su temperatura de

trabajo, como se muestra en Tabla 1. Esto sirve como criterio para la elección de uno u otro en

función de la temperatura que se alcance en el proceso industrial.



Tª trabajo (º C) Fluido Caloportador Empleado

˃ 400ºC -Gases de Combustión -Vapor recalentado -Aire -Sales fundidas o metales fundidos

400 ºC – 300 ºC -Gases de Combustión -Vapor Recalentado -Aire -Fluidos Térmicos

200 ºC – 90 ºC -Vapor Saturado -Agua -Agua Sobrecalentada -Aire

90 ºC – 0 ºC -Agua -Aire

0 º C – (-30) ºC - Salmueras -Glicoles -NH3, SO2, CO2

(-30) ºC – (-100) ºC -Metano -Propano

˂ (-100) ºC -Aire Líquido -H2 -N2

Tabla 1. Fluidos Caloportadores más usuales

En los apartados que se desarrollarán a continuación, se explican algunas de las características

de los fluidos caloportadores actuales.

1.3.2 Características de los Fluidos Caloportadores

Las principales características que definen a un fluido caloportador se detallan a continuación:

Rango de temperatura de utilización: El rango de temperatura de utilización debe ser compatible con la temperatura del proceso y

constituye una limitación indirecta a través de la presión de saturación.

Estabilidad térmica: La estabilidad térmica de un fluido caloportador depende además de la conductividad térmica

y de la viscosidad del fluido.

Suele considerarse su estudio cuando las temperaturas de trabajo son superiores a los 400 ºC

ya que puede producirse el deterioro fisicoquímico del fluido, así como, pueden tener lugar

fenómenos como la oxidación y el cracking.



Viscosidad: Trabajar con fluidos caloportadores que poseen una viscosidad baja reduce la pérdida de

carga; disminuye el tamaño del equipo de bombeo, el diámetro de la red de transporte y

además, favorece el arranque de la instalación a temperatura ambiente.

Conductividad térmica: La conductividad térmica depende de la naturaleza del fluido y alcanza valores muy variables.

La conductividad térmica es importante ya que un alto valor de esta favorece a la transferencia

de calor y reduce los gradientes de temperatura en la capa límite.

Coeficiente de transferencia: Se define como la cantidad de calor que almacena la unidad de volumen del fluido por grado

de diferencia de temperatura. Es el producto del calor específico a presión constante por la

densidad del fluido.

Un coeficiente de transferencia de materia alto permite transportar energía térmica con

menor volumen de fluido, suponiendo por tanto una reducción del tamaño de la red de

transporte.

Punto de inflamación y temperatura de autoignición: El punto de inflamación se define como la temperatura por encima de la cual se puede

producir la inflamación del fluido al contacto con una llama. Este punto de inflamación no

debe superarse en los puntos de la instalación donde pueda entrar en contacto con una llama.

Temperatura de autoignición se define como la temperatura a partir de la cual se produce la

ignición espontánea del fluido.

Agresividad frente a materiales: Esto se especifica ya que el fluido caloportador no puede ser agresivo con los materiales de la

instalación con los que se trabaja.

Toxicidad: Respecto a la toxicidad de un fluido caloportador, se debe evitar la toxicidad de este y se debe

tener en cuenta en todo momento la normativa vigente.



Dilatación: Es un parámetro importante a tener en cuenta durante la elección del fluido caloportador y

depende de la temperatura de trabajo. De la dilatación depende el dimensionado del vaso de

expansión y/o del depósito de almacenamiento.

1.3.3 Clasificación de los fluidos caloportadores

Los fluidos caloportadores se pueden clasificar en función de distintos criterios. A

continuación, se muestra la clasificación de los mismos según la fase, según el proceso de

transferencia, según la superficie de transferencia y según el nivel de temperatura. (Tabla 2)

Criterio de Clasificación Tipos Ejemplos Según la fase - Gas

- Líquido -Aire, vapor. -Agua caliente o sobrecalentada, fluido térmico.

Según el proceso de transferencia

de calor - Transferencia de calor sensible

- Transferencia de calor latente

-Aire, agua, fluido térmico. -Vapor, fluido térmico

Según la superficie de transferencia - Transferencia directa - Transferencia indirecta

Según el nivel de temperatura - Calentamiento

- Enfriamiento

-Agua caliente, vapor, fluido térmico. -Refrigerantes, salmueras.

Tabla 2. Clasificación de los Fluidos Caloportadores.

1.3.4 Análisis de los fluidos caloportadores: características, ventajas e inconvenientes

En la tabla que se muestra a continuación, exponen las principales características de los fluidos

que en la mayoría de los casos se emplean como fluidos caloportadores, así como sus

principales ventajas e inconvenientes. (Tabla 3)



Vapor Agua Caliente Fluido Térmico

Gran capacidad calorífica Calor latente: 2.100 kJ/kg

Capacidad calorífica media Calor específico: 4,19 kJ/kg ºC

Baja Capacidad calorífica

Calor específico: 1,70 ÷ 2,90 kJ/kg ºC

Obtención a partir del agua: no agresivo y no tóxico.

No tóxico y no agresivo frente a los materiales de la instalación.

Limitación de uso a temperaturas inferiores a 200 ºC.

Limitación de la temperatura del proceso

Uso normal con temperaturas de trabajo del orden de 300 ºC y 400 ºC.

Viscosidad que no penaliza las pérdidas de carga.

Mayor caudal másico que el vapor

No existen problemas de inflamación o de autoignición

No existen problemas de explosión Debe garantizarse estabilidad térmica del fluido y sin problemas de

inflamación ni ignición ya que existe riesgo de explosión

Barato. Coste asociado al tratamiento de agua.

Barato. Menor coste de tratamiento de agua.

Caro. Debe reponerse cuando el porcentaje de productos de descomposición sea

superior al 15-20 %. Control anual.

Coeficiente de película alto. Coeficiente de película moderado. Peor coeficiente de película.

Altas presiones para altas temperaturas.

Encarece el coste de los equipos y de la red de transporte

Altas presiones para altas temperaturas.

Bajas presiones para altas temperaturas.

No existe bomba de circulación. Tuberías de menor tamaño.

Bomba de circulación necesaria. Tuberías de mayor tamaño.

Bomba de circulación necesaria. Tuberías aún de mayor tamaño.

Fácil de controlar con válvulas de 2 vías Control más complejo. Válvulas de 3 vías o diferentes válvulas de presión

Más difícil de controlar. Válvulas de 3 vías o diferentes válvulas de presión

Fácil reducción de temperatura del vapor mediante una válvula reductora

de presión.

Difícil reducción de la temperatura del fluido

Difícil reducción de la temperatura del fluido

Purgadores necesarios. No son necesarios purgadores. No son necesarios purgadores.

Existe red de condensados. No existe red de condensados. No existe red de condensados.

Vapor flash disponible. No es disponible vapor flash. No es disponible vapor flash.

Es necesaria la purga del generador. No es necesario la purga de la caldera. No es necesaria la purga de la caldera.

Menos problemas de corrosión. Necesidad de tratamiento de agua para evitar la corrosión y problemas de

desposición de cal.

Suelen oxidarse a entrar en contacto con el oxígeno, por lo que se protege

con sobrepresión de la instalación con nitrógeno.

Red de tuberías razonables. Red de tuberías razonables. Red de tuberías estancas para evitar fugas

Suelen estar coloreados lo que facilita la detección de fugas.

Sistema muy flexible. Sistema menos flexible. Poca flexibilidad del sistema.

Tabla 3. Análisis de los fluidos caloportadores.



2.-Descripción de los nanofluidos y utilidad

2.1 Definición de los nanofluidos. Conceptos Previos.

Definición de los nanofluidos Los nanofluidos se definen como suspensiones diluidas con partículas sólidas de tamaño

inferior a 100nm que se emplean para incrementar la capacidad de transferencia de calor del

fluido.

Los nanofluidos se elaboran llevando a cabo la dispersión de unas partículas con tamaño del

orden de los nanómetros en una base fluida. Pero sin embargo, aunque se trate de una mezcla

de nanopartículas con un fluido, el nanofluido puede aproximarse a un fluido en fase simple.

Con ello, se asume que la fase del fluido y las nanopartículas están en equilibrio térmico y que

se mueven con la misma velocidad. Esta suposición está en concordancia con los resultados

experimentales obtenidos.

Como se ha definido, las nanopartículas son partículas sólidas con tamaño del orden de los

nanómetros. Hasta ahora, estas nanopartículas han tenido otros usos además de para la

elaboración de los nanofluidos. Actualmente, las nanopartículas se emplean en la industria

farmacéutica, cosmética, alimentaria, aeronáutica, agricultura y automotriz entre otros.

Concretamente, en la industria de la medicina, por ejemplo, la nanotecnología investiga el

trato con células cancerígenas; en la industria cosmética, se recurre a la nanotecnología

cuando se trabaja con cremas solares, y por último, un uso de la tecnología aún más cercano

es en las pelotas de tenis donde las pelotas llevan una capa de nanopartículas de arcilla que las

hacen más resistentes.

Pese a las numerosas aplicaciones actuales, el estudio de las propiedades de las nanopartículas

es una ciencia muy incipiente por lo que está llena de dudas y curiosidades.

Conceptos Previos Para poder entrar en mayor detalle en el estado del arte y análisis de los nanofluidos para su

uso en centrales termosolares es necesario introducir una serie de conceptos previos que nos

ayuden a entender de qué estamos hablando.

Nanotecnología

La nanotecnología es la ciencia que permite estudiar la materia a nivel de átomo y molécula

(tamaños inferiores a 100nm). Dentro de esta nanotecnología, aparecen las nanopartículas

que pueden llevar a cambiar las propiedades de forma sorprendente.

El prefijo nano viene de la palabra griega nanos que significa enano y es generalmente

empleada en la ciencia para describir algo que es muy pequeño. De forma matemática, el

término nano describe “un billón de algo”.



La nanociencia trata específicamente con el conocimiento y manipulación de material de

tamaño comprendido entre 1 y 100 nm (abreviatura para expresar los nanómetros)-

comúmente este tipo de materia se denomina nanopartículas.

Como se trata de un tipo de escala de dimensión muy pequeño, en ocasiones este tamaño es

difícil de comprender. Esto es debido, a que un cabello humano es la menor dimensión que el

ojo humano es capaz de detectar; y este todavía mide 70000nm de ancho. Otra comparación

que se puede hacer y que sirve para comprender cómo de pequeño son las nanopartículas, es

considerar una pelota de tenis; la pelota de tenis con la Tierra tiene la misma relación de

tamaño de una pelota de tenis con una nanopartícula.

Los objetos en la nanoescala son tan pequeños que no se pueden ver con una luz microscópica

simple. Por ello, existen numerosas investigaciones científicas para que sea posible la

observación en una nanoescala. Los resultados de alguna de estas investigaciones se

denominan scanning tunnelling microscopes y atomic forces microscopes, los cuales envían

datos a un ordenador donde los datos recibidos se proyectan gráficamente en una pantalla

para poder observar cualquier objeto en dimensión nanométrica.

La creciente actividad en áreas de la nanotecnología ha conducido a un tremendo auge en las

nanoinvestigaciones y en el descubrimiento de nuevos productos basados en el nano. Hasta la

fecha, solo una pequeña cantidad de investigadores se han comprometido a investigar los

efectos potenciales de la nanotecnología en la salud y el medio ambiente. Existe una dificultad

especial para evaluar las consecuencias de las nanopartículas en el medio ambiente ya que

existe la posibilidad de que estas nanopartículas se empiecen a acumular. Por tanto, se debe

garantizar que ellas no sean un peligro para la salud o que causen daño al medio ambiente. De

ahí, la recomendación de que la emisión de nanopartículas al exterior sea evitado siempre que

sea posible.

Muchas aplicaciones de la nanotecnología son muy seguras, como los chips de los

ordenadores. Sin embargo, el comportamiento de cada material que se emplea se debe

examinar con amplitud de forma independiente. Debido a la amplia existencia de materiales

empleados en la nanotecnología en diferentes tamaños, diferentes medios y diferentes

formas; hace que este estudio no sea fácil.

La valoración del ciclo de vida completo y de los riesgos potenciales debe llevarse a cabo para

determinar la probabilidad y los posibles efectos, si los hubiese, de la liberación de los

nanocomponentes a nuestro medio.

-La valoración del ciclo de vida utiliza datos cuantitativos para investigar y evaluar las

interacciones entre un producto y el medio ambiente a lo largo de su ciclo de vida. Este mide

con exactitud los impactos medioambientales y sociales de la tecnología empleada.

-El análisis de los riesgos potenciales es usado para cuantificar la probabilidad de que se

produzca un efecto dañino o en forma individual o en forma de población. En algunos países,

el uso de sustancias químicas no está permitido a menos que se demuestre con una valoración

que ellos no incrementan el riesgo de muerte o que no superan un umbral determinado.



La nanotecnología está avanzando rápidamente. La Figura 1 muestra el crecimiento

exponencial de las investigaciones sobre esta materia, es decir, cantidad de artículos

publicados con respecto al tiempo.

Figura 1. Crecimiento de las publicaciones de nanofluidos

-Energía Solar

Actualmente, el consumo de combustibles fósiles es muy elevado, de ahí que los recursos que

trabajan con energía renovable se estén convirtiendo en una prioridad. Los paneles solares

serán probablemente los más usados para suministrar la energía futura necesaria, pero sin

embargo los paneles solares actuales son caros y suelen estar en torno al 70% de eficiencia.

La intervención de la nanotecnología en los paneles solares con una nanocubierta se

incrementaría su eficiencia a un 97%, permitiendo a los paneles capturar luz desde cada

ángulo con el movimiento del Sol durante el día. A diferencia de los paneles actuales que sólo

pueden capturar la luz desde la posición en la que están colocados.

-Nanobot Limpiadores

La nanotecnología también tiene una serie de consecuencias positivas para el medio ambiente.

Los nanorobots o nanobots podrían comenzar a hacer tareas humanas, en particular aquellas

actividades humanas que a los humanos les cuesta hacer. Los nanobots de las fuerzas aéreas

podrían ser usados para reconstruir la disminución progresiva que sufre la capa de ozono,

identificar moléculas que sean capaces de atrapar los contaminantes de las aguas ayudando a

eliminarlos y a limpiar las aguas de aceites derramados, por ejemplo.

-Nanomedicina

La nanotecnología médica incluye la mejora de la actuación de los medicamentos y la

disposición biológica. Entre otros, actualmente se están usando nanocarcasas para pequeñas

detonaciones en la piel durante la cirugía en vez de realizar punzadas consiguiendo una cicatriz



más limpia y con menos señal. Las nanopartículas también se usan de forma efectiva en el

tratamiento del cáncer.

Actualmente, los usos de la nanotecnología actuales son:

-Industria cosmética: Protectores Solares

Los farmacéuticos han ido sustituyendo la forma tradicional de encontrarnos sus componentes

a encontrarlos en tamaño de nanopartícula, reduciendo de este modo la visibilidad de la

crema. Actualmente, en torno a 300 cremas solares del mercado actual poseen el óxido de zinc

y el óxido de titanio en forma de nanopartículas.

-Self Cleaning Windows

Si se aplica una capa de óxido de titanio en un tamaño de nanoescala sobre el cristal, se

absorbe la luz solar, creando un efecto fotocatalítico que descompone la suciedad orgánica.

-Pelotas de tenis

Las pelotas de tenis convencionales son presurizadas para que puedan votar. Los fabricantes

persiguen que las pelotas sean capaces de retener su bote tanto tiempo como sea posible.

Usando la nanotecnología, Wilson ha conseguido justo esto; introdujo una pelota de tenis de

doble núcleo. El núcleo interior se cubre con nanopartículas que actúan como sellador de

modo que estas pelotas son capaces de retener mejor la presión y votan dos veces más que las

pelotas normales.

-Silver Washing Machines

Una conocida marca de electrodomésticos ha añadido una capa de nanopartículas de plata a la

superficie más interna de una amplia gama de aplicaciones electrodomésticas (aires

acondicionados, lavadoras y neveras, entre otras). Esta capa de nanopartículas de plata

proporciona propiedades antibacterias y antifúgicas. En concreto, las lavadoras con la capa de

nanoplata es capaz de esterilizar 650 tipos distintos de bacterias y matar el 99,9% de los

gérmenes.

-Nanoropa

La nanotecnología se usa para crear ropa con propiedades antibacterias o resistentes a las

manchas. La adición de nanopartículas a la ropa previene y evita que se reproduzcan ciertas

bacterias mal oliente.



2.2 Origen de los nanofluidos

La transferencia de calor tiene una gran importancia en muchos campos de la tecnología actual

como puede ser generación de energía, aire acondicionado, transporte, energías renovables,

microelectrónica…etc. Sin embargo, los fluidos convencionales empleados como “heat

transfer” poseen bajas conductividades térmicas, así como, una transferencia de calor débil.

Por ello, surge la necesidad de estudio y mejora de estos fluidos caloportadores con distintas

técnicas que pretenden mejorar la actuación como “heat transfer” y una mejora de la

conductividad térmica.

Una de las técnicas que se emplean es la adición de las partículas al fluido. En 1873, Maxwell

propuso la adición de partículas sólidas en una base fluida para incrementar la conductividad

térmica del fluido [1]. Es sabido que la conductividad térmica de las partículas sólidas es

mucho más alta que la de los fluidos, por lo que al adicionar partículas sólidas al fluido se

esperaba un aumento de la conductividad térmica de la suspensión y una mejor actuación en

la transferencia de calor. Pese a su aparente idealidad, las aplicaciones prácticas de esta

adición de micropartículas presentaba una serie de limitaciones considerables como lo son: la

sedimentación de las partículas, posibles atascos en los canales de flujo o tuberías, erosión de

tuberías y caída de presión.

Choi demostró la funcionalidad de los nanofluidos como tales, para ello, profundizó en la

cantidad de calor que era posible transportar por medio de la adición de partículas de tamaño

nanométricas de cobre y aluminio que quedaban suspendidas en agua u otros líquidos [2]. Las

nanopartículas podían ser de cobre, aluminio, plata y óxidos, entre otros; por otro lado, los

fluidos anfitriones podían ser agua, aceite o etilenglicol. Las propiedades térmicas del

nanofluido caloportador dependen del tamaño de las partículas suspendidas, forma y

concentración. Su aplicación mejoraría la eficiencia energética pudiendo trabajar con equipos

más pequeños, ligeros y más baratos.

Hasta el momento, se utilizaban micropartículas para mejorar la transferencia de calor, pero

debido al tamaño micro de las partículas se producía la sedimentación de estas en el fluido de

modo que se producía el depósito de las partículas al fondo de la tubería o del tanque.

Adicionalmente, estas partículas que fluían por el interior de los tubos podían dañar la

superficie interior de las tuberías. Cuando se añadían nanopartículas este problema quedaba

solventado ya que estas nanopartículas se mueven realizando un tipo de movimiento,

denominado movimiento Browniano y permanecen en equilibrio el peso y la agitación térmica.

Este equilibrio no genera una distribución uniforme sino que la concentración de partículas

decrecerá exponencialmente con la altura de acuerdo con la teoría de Einstein. El balance

entre las pequeñas fluctuaciones y el peso adecuado se pueden expresar con la altura

gravitacional, �, como sigue (Ecuación 1):

� = �� − �� )

[�] Ecuación 1. Altura gravitacional



Donde �, es el radio de la partícula; �, es la constante de Boltzmann´s; �, es la temperatura en

Kelvin; ��, es la densidad del sólido y ��, es la densidad del fluido.

Esta cantidad aparece en la distribución exponencial de la concentración de equilibrio

(Ecuación 2):

��) = � !" #−$� �%[&]

Ecuación 2. Distribución de la concentración

Donde ', es la comprensibilidad de la suspensión. Con esta ecuación se puede demostrar que

la concentración muestra un comportamiento cerca de la uniformidad cuando � es grande.

En los últimos años, ha tenido lugar un novedoso desarrollo en la nanotecnología que entre

otros, lleva a cabo el desarrollo de materiales con orden magnitud de nanoescala. Estos

nanomateriales pueden emplearse como nanopartículas que se adicionan a unos fluidos base

con el objetivo de mejorar la conductividad térmica y la transferencia de calor.

2.3 Utilidad de los nanofluidos

La principal utilidad de los nanofluidos es su uso como fluido refrigerante, además dentro de

su uso como fluido refrigerante tiene una serie de aplicaciones industriales que se

desarrollarán en uno de los apartados posteriores de este documento.

2.3.1 Fluidos refrigerantes

Los nanofluidos tienen una serie de propiedades singulares, de las cuales la mejor estudiada es

la propiedad de refrigeración. El empleo de los nanofluidos como fluidos refrigerantes se trata

de una apuesta para el futuro en la que se basan muchos estudios actuales.

Uno de los proyectos actuales que hacen mayor hincapié en esta materia es el Proyecto

Nanohex [3, ver anexo]. Se trata de un proyecto financiado por la Unión Europea que se

encarga del desarrollo de los nanofluidos, como líquidos refrigerantes con aplicaciones

industriales. Está formado por doce organizaciones de seis países distintos. En Italia, el

proyecto Nanohex se lleva a cabo en ENEA (Agencia Nacional para las Nuevas Tecnologías,

Energía y Medio ambiente) y está formado por dos unidades principales:

-Laboratorio de espectroscopía láser en materiales funcionales:

La espectroscopía láser estudia cómo se reaccionan los materiales cuando se produce un

cambio de energía en el interior. Dentro de esta unidad, existe un área de estudio de las

propiedades térmicas y dispersivas de las nanopartículas de Ti.



-Laboratorio de termofluidodinámica aplicada a los sistemas energéticos:

En esta unidad, se lleva a cabo la comparación de las propiedades de los nanofluidos con otros

refrigerantes industriales.

Como se ha mencionado anteriormente los nanofluidos se basan en una dispersión de

nanopartículas sólidas en una base fluida. La adición de estas nanopartículas mejoran las

propiedades térmicas difusivas, al introducirlas se incrementa la transferencia de calor en un

40%. Por tanto, la dispersión del calor de los nanofluidos será más rápida, más eficiente y

mejor, de ahí su uso como fluidos refrigerantes. Como refrigerante se emplea en la industria,

como en los vehículos, estaciones de energía, ordenadores…haciendo el diseño más pequeño,

productos más ligeros y reduciendo significativamente el consumo de energía, costes de

operación y emisiones de carbón.

2.4 Ventajas e Inconvenientes de los nanofluidos

Ventajas A continuación, se establecen una serie de ventajas de los nanofluidos en comparación con las

suspensiones coloidales convencionales.

-Mayor superficie de transferencia calor entre las partículas y el fluido.

-Alta estabilidad de la dispersión con un predominio del movimiento browniano, reduciendo

por tanto, la energía de bombeo en comparación con el empleo de un fluido puro.

-El empleo de partículas de un menor tamaño reduce el atasco de las mismas si lo

comparamos con los lodos que propuso Maxwell.

-Propiedades ajustables por las modificaciones de interacciones entre partículas, es decir, se

pueden obtener las propiedades de los nanofluidos que necesitemos.

Además, los nanofluidos respecto a las suspensiones coloidales presentan una serie de

ventajas debido a la presencia de partículas de tamaño nanométrico. Esto es debido a que el

rango de tamaño de de las partículas de un nanofluido hace que el ratio entre la superficie de

partícula y el volumen de la misma sean tan grande que las fuerzas que define la interacción

entre las partículas sean las fuerzas de Van Der Waals. Por tanto, cuando se ponen en contacto

las nanopartículas, debido a estas fuerzas, estas permanecen juntas a menos que una fuerza

de rango mayor repulsivo actúe evitando de este modo el acercamiento entre una y otra. Por

tanto, actuando sobre estas fuerzas se podrá modificar el grado de dispersión de las partículas

y su disposición para formar uniones entre partículas. Para modificar estar fuerzas dentro de

un medio acuoso se puede realizar actuando sobre el pH de la suspensión por ejemplo. En

medios no acuosos, estas fuerzas se pueden modificar con la adición de aditivos como pueden

ser sustancias detergentes o humectantes.

Este conjunto de ventajas conllevan otra serie de ventajas al mismo tiempo que son:



-Ahorro energético. El nanofluido constará de unas propiedades físico-químicos que lo hacen

óptimo para su uso como fluido refrigerante, su mayor eficiencia supondrá un ahorro

energético. Al llevarse a cabo un ahorro energético, una menor energía consumida en

términos de fluido caloportador empleado conllevará una reducción de las emisiones de CO2 a

la atmósfera.

-Reducción de espacio. Como el fluido que se emplea es más eficiente en términos de energía

térmica se necesitará una menor cantidad de fluido y por tanto, se reducirá el espacio

De todas ellas, se podría decir que la principal ventaja que presenta la adición de

nanopartículas a un fluido base es la mejora de ciertas propiedas térmicas, como por ejemplo,

la conductividad térmica.

Inconvenientes -Uno de los principales inconvenientes que presentan los nanofluidos es que al adicionar

nanopartículas a un fluido base se produce un incremento de la viscosidad del fluido. Este

incremento de la viscosidad del fluido se traduce al mismo tiempo, en un incremento de la

energía de bombeo. De ahí, la importancia del estudio tanto de las propiedades térmicas del

fluido, conductividad térmica y calor específico; y propiedades inherentes al fluido

(viscosidad).

- Como inconveniente a la adición de aditivos es que disminuyen la transferencia de calor de

los nanofluidos, especialmente cuando se encuentran a altas temperaturas.

-Los materiales sólidos que se emplean para las nanopartículas, por ejemplo, los nanotubos de

carbón son perjudiciales. Habría que ampliar la información que se dispone hasta el momento

de este ámbito. Se propondría un desarrollo experimental, para analizar qué efectos tendrían

en el medio ambiente las nanopartículas, cómo pueden llegar a contaminar y desarrollar un

procedimiento de recuperación de las mismas

-El ciclo de vida de estos refrigerantes y sus riesgos para el medio ambiente, animales y

humanos.

-Dificultad para determinar los efectos negativos por el tamaño de las nanopartículas. Por ello,

como se adelantaba en uno de los párrafos anteriores sería conveniente un desarrollo

experimental sobre esta materia para comprobar que efectos negativos tienen estas

nanopartículas.



3. Tipos de nanofluidos

3.1 Introducción

Los materiales que se emplean para la base fluida o para las nanopartículas son diversos. Los

nanofluidos deben ser estables y altamente conductivos, y son producidos a través de los

métodos de producción de una o dos etapas que se describen en apartados posteriores. El

punto clave en la producción de los nanofluidos es la aglomeración de las partículas que lo

forman. Este punto es clave porque las propiedades termodinámicas de los nanofluidos

dependen de las partículas en suspensión que posean.

La tecnología actual de fabricación de los nanofluidos ofrece grandes oportunidades a producir

materiales en la escala nanométrica. La principal ventaja que se ha recalcado en varias

ocasiones, y por ello, la más importante es el comportamiento térmico de estas suspensiones

en comparación con los fluidos con partículas sólidas convencionales. Todos los mecanismos

físicos tienen un tamaño crítico por debajo del cual sus propiedades físicas cambian. Por

debajo de los 100nm las partículas de este tamaño muestran distintas propiedades a las

partículas convencionales. Las propiedades térmicas, mecánicas, ópticas, magnéticas y

eléctricas de los materiales que están en nanofase tienen un valor superior a los materiales

con partículas de tamaños grano.

3.2 Caracterización y producción de los nanofluidos

Los materiales a escala “nano” poseen propiedades físico-químicas radicalmente diferentes.

Alterando la estructura de una nanopartícula podemos cambiar su funcionalidad, con tal de

tener nuevas aplicaciones, pero puede hacer que el comportamiento de algunos materiales

sea difícil de predecir.

En escala “nano”, la dependencia del tamaño de las propiedades físicas es notable y su alta

superficie de interfase puede hacer que las partículas sean altamente reactivas. La

caracterización de las nanopartículas está orientada a establecer un significado y un control de

la seguridad de síntesis y de la aplicación de las nanopartículas.

Con el objetivo de utilizar de forma segura algunas propiedades y optimizar los beneficios

térmicos del nanofluido para aplicaciones industriales, los nanofluidos están provistos de

nanopartículas de un tipo acordado, de distribución de tamaño acordada y forma acordada;

teniendo en cuenta una serie de factores: concentración de nanopartículas, distribución del

tamaño de partícula, morfología, caracterización de la interfase, fuerzas entre partículas, calor

específico y reología.

La caracterización térmica incluirá medidas estáticas de la conductividad térmica, como

pueden ser la determinación del coeficiente de transferencia de calor y la caída de presión en

los diferentes régimenes de flujo de fase simple y de flujos de vapor.



Si bien existen fuentes de nanopartículas disponibles comercialmente, no hay fuentes

comerciales de nanofluidos refrigerantes bien caracterizados disponibles hoy en día en

cualquier parte del mundo.

3.2.1 Aspectos a tener en cuenta durante la síntesis de las nanofluidos

A la hora de llevar a cabo la síntesis de los nanofluidos hay que tener en cuenta una serie de

factores que influirán en la misma. A continuación, se van a ir detallando cada uno de ellos.

Existen conexiones y dependencias entre estos factores.

Estabilidad térmica Las nanopartículas se consideran sistemas metaestables. Esto significa que estas se

transformarán en materiales estables que poseen un nivel de energía mínimo a través de la

emisión de energía. Las nanopartículas se encuentran en un estado físico intermedio entre la

materia tal cuál nosotros la vemos, y las moléculas/átomos. Es posible pasar de un estado a

otro a través de medios físicos y medios químicos (ver Figura 2).

Figura 2. Formación de las nanopartícula, energía libre

Las nanopartículas pueden poseer distintas estructuras y en ocasiones, se pueden observar

como agrupaciones de nanopartículas, nanocluster. Cada una de estas estructuras puede

considerarse como estructuras isoméricas, unas más estables que otras. Además, agrupaciones

de partículas de un mismo tamaño pero con distinta estructura pueden tener entre sí



propiedades muy distintas. Para las nanopartículas de mayor tamaño, como las nanorods o

nanopartículas en forma de varillas, las diferencias de las propiedades suelen ser en las

propiedades electrónicas. Existen métodos, que se profundizarán a continuación, con los que

sintetizar cada una de las estructuras para el caso sobre todo, de metales y materiales

cerámicos.

Como se mostró en la Figura 2, la transformación de las nanopartículas a un nivel de energía

superior o inferior es posible. Aunque la transformación desde átomos, moléculas y

nanopartículas a un nivel inferior a materia visible es espontánea, permanecer en el régimen

estable de nanopartículas requiere un control cuidadoso. Como se menciona en la imagen, la

formación de las nanopartículas desde el estado de átomos, se denomina como bottom-up;

mientras que la síntesis de las nanopartículas a partir de materia se denomina top-down.

Aunque la materia en el estado visible, formada por agregación de átomos y moléculas, es la

más estable; la diferencia entre nanopartícula y partícula en términos de estabilidad es como

comparar la estabilidad del gráfito con la del diamante. El diamante, constituye una partícula

metaestable, pero esto no implica que se pueda convertir el diamante en grafito en

condiciones normales de presión y de temperatura.

Si la distancia entre las nanopartículas es muy estrecha, las nanopartículas podrían

interaccionar con otras partículas de alrededor pudiendo ocasionar agregaciones o

coalescencia. En la agregación, las partículas dejan de estar de forma individual en el espacio

de forma que forman una estructura superficial debido a las interacciones entre

nanopartículas. Estas interacciones que tienen lugar en la superficie exterior tienen lugar

porque existen partículas que tienen la necesidad de formar agregaciones. Un ejemplo claro

de partículas que requieren estar en estado de agregación es el hidrógeno. Cuando la

interacción entre las partículas es una fusión irreversible dando lugar a partículas de mayor

tamaño se denomina, coalescencia.

Figura 3. Estabilidad de las nanopartículas



Otro modo de explicar el por qué estas partículas son tan estables es a través de la Figura 3.

Las nanopartículas se encuentran separadas unas de otras a una distancia d, a esta distancia, la

energía entre las partículas es mínima. Cuando se lleva a cabo la interacción entre las

partículas está tiene dos orígenes distintos, fuerzas electroestáticas y fuerzas de Van de Waals.

Las fuerzas electroestáticas son aquellas que hacen que las partículas se repelan y estén

separadas unas de otras; en cambio, las fuerzas de Van der Waals son aquellas que hacen las

partículas se atraigan entre sí. Para que sea posible la unión entre las nanopartículas debe

existir un equilibrio entre ambas fuerzas. La estabilidad de las nanopartículas adicionalmente,

depende de la forma que tenga cada una de las partículas y la temperatura.

En la mayor parte de los casos descritos, la estabilidad se refiere, a estabilidad cinética.

También existen partículas estables termodinámicamente, partículas con una estructura y una

forma concreta. Cuando se dice que una estructura es estable termodinámicamente se refiere

que es estable bajo unas condiciones de presión y temperatura concretas, y en una

concentración de la especie en cuestión determinada. Por ejemplo, una aglomeración de

partículas de )*++ se considera una entidad termodinámicamente estable, con un número

concreto de enlaces entre las partículas, tanto en un medio líquido como en estado sólido.

Variando las condiciones podría colapsarse la estructura. Otro ejemplo de estructura estable,

son las soluciones miscelares que a su vez se pueden transformar en otro tipo de estructuras

estables.

Capacidad para ser dispersado en diversos medios Una nanopartícula está compuesta de dos partes principales: el núcleo o parte interior de la

nanopartícula, normalmente cerámica, metálica o material polimérico; y una capa delgada

exterior o cárcasa, que puede iónica, molecular, metálica, cerámica o polimérica.

Normalmente, el núcleo se trata de una estructura metálica o cerámica y una cárcasa

molecular exterior. Las propiedades de la nanopartícula las rige principalmente el núcleo, la

parte interior de la nanopartícula; y por otro lado, la cárcasa se usa para proporcionar una

capa protectora. Aunque, en algunos casos, la película protectora es significante en algunas

aplicaciones, como por ejemplo, la luminiscencia de la partícula. También por ejemplo, la

solubilidad de la nanopartícula viene determinada por la capa exterior de la misma. Aunque, el

término solubilidad no es el más adecuado, ya que para separar las nanopartículas del medio

en el que se encuentra se pueden usar procedimientos físicos como la separación centrífuga.

La parte externa de las nanopartículas, es la parte interactúa con el solvente o el medio.

Cuando la interacción con el medio es favorable, la nanopartícula conseguirá dispersarse en el

medio. Además, para conseguir que una nanopartícula se disperse en agua, se requiere una

capa hidrofílica aunque por otro lado, cuando la nanopartícula posee la cubierta hidrofílica no

se puede dispersar en un medio orgánico como por ejemplo, el tolueno. Variando la polaridad

de la ramificación de la nanopartícula, es posible conseguir que el sistema se disuelva en un

medio de una determinada naturaleza o en otro.



La cárcasa en su capa más externa no necesariamente necesita ser una molécula. En varios

casos, la cárcasa está inherente con el núcleo de la nanopartícula. Por ejemplo, en el caso de

las nanopartículas de sílice, la superficie suele ser una capa de grupos hidróxidos y de este

modo, se pueden dispersar fácilmente en el agua. Por el contrario, si la monocapa que poseen

a su alrededor es un hidruro de carbono, se podrán dispersar en un medio orgánico. Las

nanopartículas de oro, pueden ser hidrofóbicas o hidrofílicas.

Además, la parte exterior de la nanopartícula puede cambiar su carácter en función del medio

en el que se encuentre. Esto es particularmente significante para el caso de los grupos

–-../,−0/1, 2 − ./, donde el pH puede cambiar considerablemente la naturaleza del

grupo. Por ejemplo, para el caso –-../, en un medio ácido conseguiríamos –-../, en

cambio en un medio alcalino se quedaría como –-..3. El valor del pH de una dispersión de

nanopartículas depende del valor que tenga de 456 del ácido en cuestión. Estos cambios en el

pH, pueden también afectar al núcleo de la nanopartícula.

3.3 Nanopartículas empleadas

3.3.1 Tipos de materiales empleados y síntesis de estas nanopartículas

Hasta el momento, las nanopartículas que se han empleado en los nanofluidos son varios

como: óxidos metálicos (Al2O3, CuO), nitruros metálicos (AlN, SiN), carburos metálicos (SiC,

TiC), metales (Cu, Ag, Au), semiconductores (TiO2, SiC) y nanotubos de carbón.

3.3.1 (a) Metales

Los metales coloidales fueron los primeros materiales empleados como nanopartículas a lo

largo de nuestra historia. Aunque las nanopartículas de metales nobles ya habían sido usadas

para dar color a ciertos cristales, no fue hasta el siglo XVII cuando los científicos llevaron a cabo

el estudio de este tipo de partículas.

Las metodologías y las modificaciones que se han ido introduciendo por los últimos científicos

han hecho del estudio de las suspensiones de oro coloidales una ciencia, una ciencia que

consta de las áreas más persuadidas por el estudio científico actualmente.

En concreto, en este documento se va ampliar el estudio de la síntesis de elaboración de los

nanofluidos para convertirlos en fluidos estables.

Reducción química La reducción de los iones metálicos en el átomo metálico, supone la forma de agregar

nanopartículas. El crecimiento de este agregado es detenido en alguna etapa de su



crecimiento por la acción de agentes protectores y estabilizadores. Esta reacción de reducción

se puede ver representada en la siguiente Ecuación 3 :

78 + 8:3 →7<[�] Ecuación 3. Reducción química

El electrón no es suministrado como tal sino que aparece debido a un agente reductor, que

lleva a cabo la operación de oxidación (ver Ecuación 4):

=:>$3 − 8:3 → ?@A�$38)3[�] Ecuación 4. Reacción de oxidación

Donde el reductor de carga finita se oxida, perdiendo su carga. La reacción global se desarrolla

en la ecuación siguiente (ver Ecuación 5):

78B +=:>$3 → 7< +?@A$383[C] Ecuación 5. Reacción global reducción y oxidación

La viabilidad de la reacción global depende de la termodinámica del proceso, que se

respresentan con los potenciales eléctricos correspondientes a las reacciones parciales. Estos

potenciales se denominan potenciales estándar de reducción. Si los potenciales de reducción

correspondientes a cada una de las reacciones parciales se suman (con los signos

correspondientes) y se consigue un valor positivo, el proceso será termodinámicamente viable.

Este corresponde con un valor de energía libre negativo donde (ver Ecuación 6):

∆E = −8FG[H] Ecuación 6. Ecuación de la energía libre

∆I, es el incremento de energía libre debido a la reacción global; n, es el número de

electrones que se ve envuelto; F, es la constante de Faraday y E, es el potencial electroquímico

de la reacción. El proceso es termodinámicamente viable si el incremento de energía libre

tiene un valor negativo.

El potencial estándar de reducción de algunos metales convencionales y los agentes

reductores se muestran en la tabla (Tabla 4). Si el potencial es positivo, implica que el proceso

puede llevarse a cabo. Habría que especificar que para el caso de los agentes reductores, la

reacción de importancia es la reversa, es decir, la reacción de oxidación en la que se liberan

electrones. Estos electrones serían consumidos por los metales que se reducen.



Reacción del Proceso Potencial (V)

Para metales:

)*-�J3 + 3L3 → )* + 4-�3 +1,002

0N1B + 2L3 → 0N -0,257

-21B + 2L3 → -2 -0,28

PL1B + 2L3 → PL -0,447

Para los agentes reductores:

)Q/J�R2SRL)LT*S'LU��V��NS2)

WL�VVNóSY*N'NV�, Q�./)Z + 7/B + 8L3 → Q/J3 + 3/1. -0,481

Hidrazina (01/J)

WL�VVNóSY*N'NV�, 01 + 5/B + 4L3 → Q/J3 +01/+B -0.23 Tabla 4. Potenciales estándar de reducción de los metales y de los agentes reductores

Sobre esta materia, el estudio que se ha llevado a cabo, sugiere que el único punto que influye

a la hora de llevar a cabo la preparación de las nanopartículas es la reducción del potencial. Es

importante remarcar que en varios casos, los iones que se presentan en solución están en una

forma compleja y que la reducción o la oxidación es conducida a un ión. Esto cambia los

potenciales substancialmente. Como resultado, aunque el )*ZBen forma de )*-�J3 pueda ser

reducido a través de agentes reductores, en otros casos no es posible como cuando el metal

está en presencia de exceso de metanotiol (-/Z^/). Por otro lado, algunas reducciones que

no son posibles normalmente teniendo en cuenta sus potenciales electroquímicos pueden

ocurrir variando las condiciones.

El ión metálico puede también ser reducido por una molécula o por un ión, que puede actuar

en sí mismo como un agente reductor. Esto ocurre con un número de metales cuando se

utilizan citratos, aminas, alcoholes o tioles. En la Tabla 5 se muestran varias soluciones

empleadas en los procesos de reducción para obtener nanopartículas metálicas.

Método Resumen Ejemplo

0�Q/J Ión metálico/Q/J3 Au, Ag

-NU_�U2T Ión metálico/-NUZ3 Au, Ag

`2�a2�T Ión metálico/ Etilenglicol Ag, Pd

`2�abNSa�4a_2��NR2SL�`c`) Ión metálico/ PVP Pd

)'NS�T Ión metálico/ APS, AES Ag Tabla 5. Soluciones usadas en procesos de reducción para la obtención de nanopartículas metálicas.

Agentes de reducción muy fuertes Cuando un metal que va a sufrir un proceso de reducción tiene un valor del potencial de

reducción muy grande, el proceso de reducción al que se someterá es muy complicado que

tenga lugar y las condiciones de reducción en las que se llevan a cabo requieren un cuidadoso

control. Cuando el agente reductor es muy fuerte, puede llegar a reducirse el disolvente y los

otros agentes presentes en el medio. Por ejemplo, si el reactivo es muy fuerte, el agua puede

que sea eliminada, por la siguiente ecuación (ver Ecuación 7)

d&?+&:3 → d& +?d3[e]



Ecuación 7. Reducción del agua

El potencial estándar de reducción de esta reacción es -0,828V. Para esta reacción de

reducción, se emplean agentes reductores específicos que tienen una estabilidad térmica muy

baja. Por ello, es importante conducir estas reacciones en condiciones de bajas temperaturas.

Los métodos de obtención de nanopartículas metálicas más comunes

-El método Turkevich, es el método más conveniente para la síntesis de nanopartículas

coloidales de oro de diámetro aproximado de 15nm. Esta síntesis conlleva las siguientes etapas

para su preparación:

• Se preparar una solución de aproximadamente 5·10-3 M del componente /)*-�J en

agua.

• Se toma 1mL de la disolución anterior y se diluye con 19mL de agua.

• Se calienta la disolución diluida hasta alcanzar la ebullición. Se añade además un 1mL

de una solución al 0,5% p/p de citrato de sodio, cuando la disolución haya comenzado

a hervir.

• Se continúa calentando hasta que la solución se convierta a un morado pálido. En este

momento se elimina del foco caliente y se lleva a un enfriamiento lento.

• La solución preparada debería tener una concentración de nanopartículas de oro de

2,5·10-4 M.

En la Figura 4 se muestran las partículas obtenidas a través de este método.

Figura 4. Nanopartículas con tamaño de 15nm de Au-citrato preparadas por el método Turkevich

La característica distintiva de esta solución de nanopartículas es su color, debido a los ensayos

de resonancia de plasmón para este rango de tamaños. Como descripción sobre estos ensayos,

la resonancia de plasmón, se lleva a cabo con la medida de las oscilaciones de los electrones

que posea el material. La valencia electrónica en las partículas metálicas está libre, por lo que

contribuye a una mayor oscilación de los electrones cuando se ve atravesada por fotones de

energía determinada. En el caso concreto de las partículas de oro de aproximadamente 15nm

de diámetro, la oscilación ocurre a los 520nm y la absorción por parte de las nanopartículas es



muy fuerte, esto se traduce en un color profundo de la solución de nanopartículas incluso

cuando se tiene una concentración muy débil de las mismas. Es decir, estas nanopartículas se

comportan como el tinte de la solución. Las nanopartículas formadas en este punto se

convierten en partículas irreversibles y que no pueden sacarse fuera de la solución. La

protección de las partículas de citrato puede ser cubiertas con varias moléculas por ejemplo,

de sílice y de este modo, sacarlas de la solución donde se han formado las nanopartículas.

-El método Brust, envuelve la transferencia de )*-�J3 desde la fase acuosa a la fase orgánica a

través de un reactivo, bromuro de tetrabutilamonio, y su consecuente reducción en la

interfase a 0�Q/J, en presencia de un tiol. Este método produce una nanopartícula de oro

protegida con el tiolato (RS-) con un diámetro dentro de un rango aproximado de 1 a 5nm. El

rango de tamaños de la nanopartícula que se forma depende de la variación de la relación

entre el Au y el tiol que se esté empleando: a mayor valor de concentración del tiol, se

conseguirá una partícula más pequeña. En este caso, las nanopartículas sí que se pueden

separar del medio y ser secadas. Además, el polvo de nanopartículas obtenido puede ser

almacenado durante un largo periodo de tiempo hasta ser, posteriormente dispersado en el

fluido.

El procedimiento típico para llevar a cabo la síntesis de las nanopartículas, es el siguiente:

• Una solución acuosa de /)*-�J(30 mL, 30 mM) se mezcla con una solución de

bromuro de tetrabutilamonio en tolueno (80 mL, 50 mM). La solución de ambas es

mezclada hasta que el hidrógeno tetracloroaúrico se transfiere a la fase orgánica

completamente (la fase acuosa se convierte totalmente transparente). Hay un cambio

visible de color cuando el oro se convierte de fase.

• A continuación, el tiol elegido se añade a la fase orgánica. Una solución recién

preparada de borohidruro de sodio (25 mL, 0.4M) es añadida lentamente con un

mezclado simultáneo. Esta etapa de mezclado, puede durar horas.

• La fase orgánica es posteriormente separada y evaporada en un evaporador de tipo

rotatorio.

• Para la precipitación de las nanopartículas, se pueden emplear disolventes como por

ejemplo, el etanol. Lavando de forma continuada con etanol se eliminarían las

moléculas de tiol que puedan quedar libres. De este modo, se recuperaría todo el oro.

Dependiendo de la dimesión de la nanopartícula, el contenido de tiol libre variará.

En la Figura 4 se muestran las partículas obtenidas a través de este método.



Figura 5. Nanopartículas con un tamaño de 3nm de diámetro de Au - ODT preparadas por el método Brust.

Reducción electroquímica Aunque la reducción puramente química es el método investigado más extendido y usado en

la fabricación de nanomateriales, se han estudiado otros métodos para casos específicos. Uno

de estos métodos que también ha sido investigado, es la reducción electroquímica, donde el

metal es disuelto en el ánodo y el ión metálico formado se reduce en el cátodo. Este proceso,

se lleva a cabo en presencia de un estabilizador, de modo que las partículas no se depositan en

el cátodo. Se puede emplear esta técnica para partículas de plata y platino, entre otras.

Radiación La reducción llevada a cabo a través de la radiación asistida es otro de los métodos que se usan

para la síntesis de los nanomateriales. Para llevar a cabo este método, se han usado la

radiación visible, la radiación ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma. Normalmente, este

método conlleva el uso de un agente estabilizadaor durante la radiación del metal se lleva a

cabo. En el caso extremo de la fotoreducción mediante el uso de los rayos gamma, la especie

producida en el medio depende de la energía absorbida por el fotón.

Las nanopartículas de Au, Ag, Cu y Co han sido elaboradas con este método. El método de

síntesis de las nanopartículas usando radiación puede ser muy útil para hacer nanopartículas

más complejas que se dividen en cárcasa-núcleo, por ejemplo. La nanopartícula metálica es

mezclada con un ión metálico en la fase acuosa y se somete a radiación usando una fuente de

Co. Los radicales producidos durante la transferencia de electrones a la nanopartícula del

metal, cargándolos, de modo que la partícula reduce al ión metálico presente. El átomo

metálico se consigue depositar en la nanopartícula obtenido la geometría de cárcasa-núcleo.

Este hecho, se puede usar para controlar el incremento del tamaño de la nanopartícula.

Descomposición térmica de los componentes metálicos-orgánicos Un método usado para la síntesis de las nanopartículas es la descomposición de los

compuestos orgánicos a través del calor con un disolvente inerte a elevadas temperaturas y en



presencia de un agente estabilizador adecuado. Las nanopartículas de Co han sido elaboradas

a través de este método, calentando -21�-.)f en unas condiciones de 130 a 170 ºC. Los

agentes estabilizadores usados, suelen ser polímeros que contienen nitrógeno, para conseguir

las macromoléculas de metal. El tamaño de la nanopartícula que se forma depende del agente

estabilizador que se haya empleado. Uno de los aspectos importantes es que el método

permite el uso de uniones estables a altas temperaturas.

Síntesis a través de ondas microondas asistidas Este método de síntesis de nanopartículas se puede emplear para materiales tanto orgánicos

como inorgánicos. Sin embargo, este proceso se suele usar para materiales sólidos inorgánicos

como los óxidos cerámicos. Un aspecto importante de este método es la rápidez en el tiempo

teniendo en cuenta la cantidad de calor que implica. La metodología típica usada es a través de

las radiaciones microondas que se usan en el aparato doméstico, que normalmente trabajan a

una frecuencia de 2450MHz. En el caso más simple de los metales, iones metálicos y agentes

reductores, en el medio adecuado; se disponen en el horno donde se producirá la radiación y

la mezcla de todos los materiales.

Para algunos casos concretos, como para las nanopartículas de metales simples Au y Ag, es

sabido que produce un rango de distribución de tamaños más reducido que el rango de

tamaños que se consigue con la reducción térmica, usando el mismo agente. Para los

materiales poliméricos también es posible el uso de este método.

Sonólisis: Formación de radicales a través de ultrasonidos En este método la síntesis de las nanopartículas se lleva a cabo a través de las radiaciones

ultrasónicas, que normalmente se refieren a una frecuencia de 20Hz. Este proceso de síntesis

de las nanopartículas se denomina cavitación. Este proceso es un proceso de implosión de las

cavidades de dimensiones muy pequeñas en una escala de tiempo de nanosegundos,

permitiendo que las implosiones de calor alcancen temperaturas muy altas (5000K). Este

método produce nanopartículas de forma amorfa. Son varios las nanopartículas metálicas que

se han podido producir a través de este método. Por ejemplo, la sinólisis de PL�-.)+en

decano produce nanopartículas de Fe de tamaño aproximado 8nm protegidas por el ácido

oléico.



3.3.1 (b) Óxidos

La síntesis de las nanopartículas formadas por materiales óxidos se lleva a cabo a través de dos

métodos: a través de la ruta acuosa y de la ruta no acuosa.

Ruta acuosa Si la variedad en materiales metálicos es enorme, en los óxidos metálicos es mucho más. Por

ello, muchos más sistemas de nanopartículas son investigados dentro de esta categoría.

Existen estudios de investigación sobre los tipos de óxidos metálicos (binarios, ternarios y

cuaternarios), sobre la complejidad de la estructura, así como la metodología de síntesis

empleada y el análisis de sus propiedades. En general, la metodología empleada es la

precipitación del óxido o de su especie precursora, como el hidróxido, el carbonato o el

oxalato y posterior, el tratamiento térmico del producto. En ambas etapas, es necesario el uso

de agentes para prevenir las aglomeraciones. Las especies precursoras formadas son

normalmente complejas y difíciles de caracterizar completamente, son nanopartículas amorfas

debido al proceso de baja temperatura por el que se fabrican. La complejidad va en aumento si

aumenta el número de metales que envuelve el proceso. Las partículas producidas en el caso

de óxidos son mucho más dispersas que en el caso de las nanopartículas metálicas. El otro

hecho a tener en cuenta en los óxidos es que como la temperatura aumenta, el grado de

agregación aumenta, aumentando el tamaño de la partícula. Sin embargo, la mayor parte de

los precursores se descomponen a bajas temperaturas, minimizando el crecimiento del cristal.

Otro aspecto a tener en cuenta, en similtud con el caso de las nanopartículas metálicas es que

en casos concretos se consiguen fases estables a bajas temperaturas.

Ciertos casos de óxidos son preparados en soluciones acuosas a bajas temperaturas sin

sinterización. Por ejemplo, entre otras, las nanopartículas de un tamaño de 4nm de �N.1 a

partir de la precipitación de �N-�Z en 0/J./. Conforme se varía la temperatura de la

sintetización, se producen nanopartículas de distinto tamaño.

También se pueden producir óxidos ternarios como hemos comentado anteriormente. Cuando

las estructuras son estables, los hidróxidos se pueden convertir en óxidos conduciendo la

precipitación en unas condiciones de temperatura cerca de la temperatura de ebullición.

Algunos óxidos ternarios son: gSPL1.J , -2PL1.J entre otros.

Ruta no acuosa Una parte de las nanopartículas óxidas se han elaborado a través de la ruta no acuosa. Esta

metodología se ha empleado para metales donde la precipitación presenta dificultades para

llevarse a cabo en el medio acuoso. Es además muy útil cuando más de un metal necesita ser

precipitado de forma simultánea, requiriendo amplios rangos de valor de las condiciones de

pH si se precipita en agua. Esta metodología se empleó para hacer precipitar

hN-2.1, hN./a-2�./)1de forma simultánea a través del goteo del hN0.Za-2�0.Z)1 en

una solución de 5./ en concentración 3M.



3.3.1 (c) Calcogenuros: Sulfuros, Seleniuros y Teluros

Otro de los materiales más extensamente estudiados como grupo de materiales empleados

para las nanopartículas son los calcogenuros. Dentro de los calcogenuros se engloban los

siguientes compuestos: sulfuros, seleniuros y teluros. Estos materiales son materiales

semiconductores y que poseen distintos comportamientos en función del tamaño de su

partícula. El alcance de las propiedades de estos materiales es muy grande, y por ello, estos

materiales han tenido amplias investigaciones sobre los mismos para determinar sus

propiedades en función de la distribución de tamaños de los mismos. Esto es importante,

cómo varían las propiedades en función del tamaño del material, en cualquier nanomaterial.

La pureza química del nanomaterial y el comportamiento de la superficie son aspectos

importantes a estudiar ya que tienen influencia en algunas propiedades, como por ejemplo la

fluorescencia. Después de varios estudios, se sabe que la síntesis del nanomaterial juega un

papel muy importante en el comportamiento y en la utilización de estos materiales según sus

propiedades. Para la síntesis de los materiales calcogenuros existen varios métodos

disponibles.

El método más simple para sintetizar los calcogenuros es mezclar una sal iónica de este grupo

con una sal metálica en una solución acuosa. Esto permite la precipitación inmediata del metal

calcogenuro en la mayor parte de los casos, pero este proceso tiene lugar muy rápidamente y

su control puede ser muy difícil. Una alternativa a este método, es usar compuestos orgánicos-

metálicos y calcogenuros covalentes de modo que la reacción en condiciones de temperatura

más alta y en un disolvente orgánico puede producir la precipitación de las nanopartículas.

Para este tipo de experimentos, es posible usar agentes que puedan controlar la reacción

cinéticamente. Para este tipo de síntesis, por ejemplo como precursor del Cd se usa -R�-/Z)1

y los precursores calcogenuros son [�-/Z)Z^N]^, [�-/Z)Z^N]1^L, WZ`^LaWZ`�L donde R

pueden ser compuestos de carbono simples desde 4 carbonos a 8 carbonos. Como solvente

estable a altas temperaturas se puede usar la trioctilfospina (en inglés TOP) o el óxido de

trioctilfosfina (en inglés TOPO), que permite trabajar a muy altas temperaturas de 340-360ºC y

que una vez se le adicionan los agentes precursores comienza la formación de los núcleos de

las nanopartículas. El control del tamaño de la nanopartícula se va realizando con el control de

la temperatura a la que tiene lugar la reacción.

Además, la adición de los reactivos también contribuye al incremento de las nanopartículas

que se van formando. La cristalinidad de las nanopartículas que se van formando depende del

período de tiempo de mezclado que se emplee.

Para estos materiales también es posible la síntesis de los mismos a través de las ondas

microondas tal y como se desarrolló para otros nanomateriales.



3.3.1 (d) Nanopartículas anisotrópicas

Aunque normalmente las nanopartículas suelen tener formas esféricas, también existen

algunas otras que poseen forma anisotrópicas. Esto hace referencia a todas aquellas formas

que sean distintas de las formas esféricas. Estas formas requieren más de un parámetro para la

descripción de las mismas.

Las formas anisotrópicas más comunes que son las nanopartículas lineales, en inglés nanorods;

y las nanopartículas con formas prismáticas o triangulares. Pese a que estas son las formas más

usuales, existen otras formas variadas: trípodes, tetracubos, forma de estrella o de flor. Alguno

de estas formas son usadas como punto de partida para la síntesis de nanopartículas con

forma más compleja.

A continuación, se desarrollan las formas anisotrópicas más usuales.

Nanorods de plata y oro Las nanopartículas lineales de oro y plata son estables en suspensiones coloidales. Estas

normalmente tienen un diámetro que varía de 10 a 30nm y una longitud que varía de 50 a

1000nm. Estas nanopartículas muestran dos plasmones de absorción, uno debido a su longitud

axial, llamado plasmón longitudinal y otro, debido al corte axial, llamado plasmon axial. Como

plasmón, se entiende a la cantidad que ha oscilado el plasma, es decir, al cuanto de oscilación

del plasma.

Se va a profundizar y a ampliar en la definición de plasma para ayudar a clarificar los conceptos

que se han mencionado anteriormente. Plasma se puede definir como el cuarto estado de

agregación de la materia, un estado fluido similar al estado , pero en el que determinada

proporción de sus partículas están cargadas eléctricamente y no poseen equilibrio

electromagnético, por eso son buenos conductores eléctricos y sus partículas responden

fuertemente a las interacciones electromagnéticas de largo alcance.

El plasma presenta características propias que no se dan en los sólidos, líquidos o gases, por lo

que es considerado otro estado de agregación de la materia. Como el gas, el plasma no tiene

una forma o volumen definido, a no ser que esté encerrado en un contenedor; pero a

diferencia del gas en el que no existen efectos colectivos importantes, el plasma bajo la

influencia de un campo magnético puede formar estructuras como filamentos, rayos y capas

dobles. Los átomos de este estado se mueven libremente; cuanto más alta es la temperatura

más rápido se mueven los átomos en el gas, y en el momento de colisionar la velocidad es tan

alta que se produce un desprendimiento de electrones.

Calentar un gas puede ionizar sus moléculas o átomos (reduciendo o incrementado su número

de electrones para formariones), convirtiéndolo en un plasma.

Continuando con la sintetización de las nanopartículas lineales, estas se pueden sintetizar a

través de tres procesos distintos: a través de la ruta electroquímica, por la ruta fotoquímica y



por la ruta de la semilla. Los dos primeros procesos de síntesis se han desarrollado en los

apartados anteriores. El tercer proceso de síntesis que se ha mencionado se basa en una

reducción química.

El método de sintetización a través de la ruta de la semilla, se basa en una reducción química

del hidruro de boro, dando lugar a partículas de oro de un tamaño de 4nm; en unas

condiciones térmicas de 0ºC. Esta semilla o nanopartícula pudo crecer en una solución que

había sido preparada con )*ZB, en un medio fluido que contenía CTBA (del inglés

CetylTrimethyl Ammonium Bromide) y ácido ascóbico (-i/f.i, conocida como vitamina C). De

este modo, el )*ZBse reducía a )*B ante la presencia de este ácido, pero la reducción total a

)*jno era posible. Sin embargo, )*j podía formarse en la superficie exterior de las partículas

de oro por la acción del ácido. El compuesto químico CTBA es un agente de estructura que va

guiando el crecimiento d forma lineal en un lugar específico sobre la superficie de la partícula

de oro. La presencia de aproximadamente un 5% de plata es necesaria para incrementar el

interés de las nanopartículas lineales hasta el 100%. Sin embargo, con la plata el radio

aparente de las varillas alcanza un máximo de 6, mientras que con su ausencia, el máximo

radio aparente es aproximadamente 25; sin embargo el interés es menor. Estos son los valores

máximos de longitud que se han observado para las nanopartículas de oro. Para las

nanovarillas de plata, se llegaron a observar en numerosos estudios hasta milímetros de

longitud.

Figura 6. Espectro de absorción de la varilla de oro

El espectro de absorción de una varilla de oro típica se muestra en la Figura 6. La varilla que se

puede observar tiene 18nm de diámetro y 60nm de longitud. El plasmón transversal tiene

500nm y el plasmón longitudinal tiene 745nm. La figura también muestra una imagen de una

nanovarilla de oro. Estas varillas son estables cuando se encuentra en solución, y con una fina

capa de CTAB, son infinitamente estables en condiciones ambientales.



Triangulares Las nanopartículas de plata pueden adquirir formas de nanotriángulos o nanoprismas tras

incidir una luz radiante. Las nanopartículas de plata fueron preparadas a través de la reducción

con hidruro de boro y fueron protegidas con citrato de trisodio. La radiación se llevó a cabo

con una lámpara fluorescente.

En algunos estudios, se ha visto que la radiación de nanopartículas de plata (protegidas con el

citrato) con la lámpara fluorescente producía las nanopartículas triangulares sin necesidad de

un tensioactivo.

3.3.1 (e) Otros nanofluidos

Hasta el momento las nanopartículas que se han mencionado eran nanopartículas de origen

metálico o inorgánico. También se han usado nanomoléculas o nanopartículas de origen

orgánico para la síntesis de los nanofluidos. Existen varias clases de nanopartículas que se

podrían englobar dentro de esta categoría. Los más importantes y los que se va a profundizar a

continuación son los fullerenes y los nanotubos de carbón.

Fullerenes El término fullerenes es un término anglosajón cuya traducción al español no se ajusta tal cual.

Antes de comenzar con su estudio, habría que aclarar de qué forma se está hablando. Se trata

de una forma esférica hueca en su interior. La superficie exterior de la esfera, está formada por

caras hexagonales o pentagonales.

Por tanto, las nanopartículas que forman fullerenes son moléculas esféricas de carbón que

tienen la fórmula general -1jB1ki, donde Sies el número de caras hexagonales. Por ejemplo,

para el -ijhay doce caras pentagonales y 20 caras hexagonales. Las formas fullerenes fueron

descubiertas en el año 1985 mediante una evaporación con láser de carbón y fueron

preparadas en las fase condensada en el año 1990 por evaporación térmica de gráfito en una

atmósfera inerte. Para poder llevar a cabo la síntesis de estas fullerenes, es suficiente con

tener una bomba de vacío y algunas nanopartículas de grafito. Se puede llevar a cabo a través

de evaporación directa o vaporación química directa como se usa en la fabricación de

diamantes. Tras la evaporación en la que se obtienen los fullerenes habría que someterlos a

procesos de separación para obtener nuestras partículas puras. Para su almacenamiento

evitando la degradación se emplean soluciones orgánicas como por ejemplo de hexano.

Nanotubos de carbón Los nanotubos de carbón son cilindros unidimensionales de carbón con una única capa o varias

capas de carbón. Los diámetros de los tubos de carbón están en el rango de algunos

nanómetros y la longitud de los mismos se encuentra en el orden de milímetros. Esto hace que

los nanotubos de carbón sean uno de los materiales con el aspecto más largo. Esta



configuración de las nanopartículas tiene comportamiento específicos por lo que ha resultado

de interés para su estudio en profundidad para varios autores.

Una hoja de gráfito simple se llama grafeno. Enrollando esta hoja produciríamos un nanotubo

de carbón. Esta formación de los nanotubos de carbón se puede llevar a cabo por diversos

métodos. (Ver Figura 7)

Figura 7. Nanotubos de carbón

En función de cómo se enrolle la hoja de grafeno se obtendrá un nanotubo con unas

propiedades o con otras. En función de las variadas helicidades posibles, se obtendrán

distintas estructuras y además, diversas propiedades.

La estructura de un tubo cilíndrico como mejor está descrita es en términos del diámetro del

tubo y del ángulo helicoidal, como se muestra en la Figura 8. El vector C se define como

- = S�l +'�1 y los dos parámetros que definen el tubo que son el diámetro y el ángulo. Los

vectores unitarios �l y �1 definen la hoja del grafeno. En la hoja del grafeno, los átomos de

carbono están colocados en estructura hexagonal y cada átomo está conectado con tres

vecinos.



Figura 8. Notación empleada para explicar la configuración de los nanotubos de carbón

Los tubos están caracterizados por la notación (n,m). Suponiendo la construcción del tubo

(4,2), su vector C sería - = 4�l + 2�1. Este se haría haciendo cuatro traslaciones alrededor de

la dirección zigzag y dos traslaciones de 120º desde el zigzag axial. Para el tubo (n,0) se llaman

tubos zigzag donde el ángulo es cero. Para los tubos (n,n) se llaman en inglés armchair y ocurre

cuando el ángulo es de 30º. Los parámetros que definen al tubo n y m tienen relación con los

parámetros principales que definen el cilindro, d y Ѳ:

> = m� = √�om3m�$& +$8+ 8&)�&

� [p] Ecuación 8. Relación entre el diámetro y los parámetros n y m

q = r�83�� √�$$+ &8)[s]

Ecuación 9. Relación entre el ángulo y los parámetros n y mb

Donde _t3t, es el parámetro que se refiere a la distancia entre los átomos de carbono.

3.3.2 Otros métodos de síntesis de las nanopartículas

3.3.2 (a) Síntesis de los nanofluidos empleando microemulsiones

Las microemulsiones son soluciones miscelares, que poseen miscelas en su interior. La función

de las micelas es fundamental en algunos procesos biológicos y químicos. Gracias a sus

funciones se las utiliza en numerosas aplicaciones. Las micelas tienen una parte hidrofóbica,



que está en el interior y otra hidrofílica en su exterior. La gran ventaja está en que pueden

transportar moléculas insolubles en un medio acuoso. Sin las micelas ninguna sustancia

insoluble en agua podría transportarse a través de un solvente polar como el agua. Las micelas

son los transportadores ideales ya que tienen la capa externa hidrofílica y el interior

hidrofóbico. Esta dualidad convierte a las micelas en estructuras anfipáticas. El nombre

anfipática o anfipático hace referencia a tener la parte hidrófila e hidrófoba a la vez.

Un ejemplo de esto lo constituyen los jabones o detergentes. Estas sustancias hacen que las

grasas de la suciedad queden atrapadas en el interior de las micelas y luego el agua las barre.

Los jabones están formados por sales de ácidos grasos de sodio o potasio. Los ácidos grasos

son la parte hidrófoba y el metal es la parte hidrófila que estará en contacto con el agua.

Por tanto, como se ha explicado en los párrafos anteriores, las soluciones miscelares contienen

una molécula anfipática o un tensioactivo, un medio orgánico y agua. Normalmente, en la

parte exterior de la miscela se encuentra la capa de agua. La forma de las miscelas cambia y

además, existen varios tipos de estructuras, dependiendo de las condiciones termodinámicas

en las que se encuentre. Como el contenido del agua se encuentra en el interior de la miscela,

las miscelas se pueden cargar o unir con los iones metálicos o los agentes reductores. Además,

la dinámica miscelar hace que dos miscelas que estén en contacto puedan fusionarse e

intercambiar su contenido. Esto se ve favorecido por el movimiento browniano. Por todos

estos comportamientos, la formación de nanofluidos es posible gracias a las soluciones

miscelares. Un inconveniente de este método de síntesis de nanofluidos es que si la

concentración de miscelas es baja, no se podrán formar grandes cantidades de nanofluidos

como tiene lugar en el método químico.

Estructura cárcasa- núcleo Un tipo de estructura concreto de nanopartículas que son preparadas a través de la ruta de las

microemulsiones, es la estructura cárcasa-núcleo, donde el núcleo es la parte interior de la

partícula y la cárcasa es la película más externa de la nanopartícula. Este tipo de estructura de

nanopartícula no se había sintetizado hasta el momento y a través de este método, es posible

sintetizar distintos tipos de estructuras complejas, una de ellas la mencionada anteriormente.

Esta estructura puede tener en su cárcasa varias películas de distintos materiales,

incrementando la complejidad de la estructura. En el caso más simple en el que se tiene metal

y metal en la cárcasa y en el núcleo, la estrategia es adicionar el ión metálico en la molécula

miscelar en una solución donde la partícula ya ha sido sintentizada. La solución miscelar

contiene exceso de agentes reductores de los cuales se sintetizarán las partículas y la adición

de iones metálicos en las miscelas producirá la reacción de reducción, revistiendo el núcleo

con una cárcasa metálica.

Este método se puede emplear para sintetizar las nanopartículas de metales y también, para

óxidos. Existen nanopartículas sintetizadas de metales, entre otros Fe − Au, Ag − Au y de

óxidos FeZOJ − MnO, cuyo núcleo posee 10nm de diámetro y la cárcasa 2,5nm; o SiO1 −FeZOJ.



3.3.2 (b) Síntesis solvotermal

Otro método empleado para la síntesis de las nanopartículas es la síntesis solvotermal. En este

método, la reacción tiene lugar en un tanque cerrado en el que el disolvente puede alcanzar

un estado supercrítico. En este estado supercrítico se alcanzan altas temperaturas y altas

presiones. Aunque muchas reacciones no pueden alcanzar de forma natural el estado

supercrítico, estas se consiguen con bombas de presión recubiertas con Teflón y una tapa

normalmente de acero inoxidable. En el estado supercrítico las condiciones de contorno entre

el líquido y el vapor desaparecen y el fluido adquiere las propiedades de ambos, tanto del

líquido como del vapor. De este modo, se incrementa la solubilidad y se consigue un ratio de

de reacción mayor y además, los procesos tienen lugar de mejor forma en las condiciones

supercríticas. Sin embargo, para muchas reacciones, el incremento de la reactividad a

temperaturas más grandes por debajo de las condiciones de contorno es el único aspecto de

interés.

Existen dos procesos diferenciado dentro de la síntesis solvotermal. Normalmente, cuando la

reacción se lleva a cabo en agua se llama hidrotermal; y si la reacción se lleva a cabo en otro

tipo de medios se denomina solvotermal.

Uno de los aspectos de interés particular en este método, es la reducción que se lleva a cabo a

las temperaturas de reacción, incluso para muchos materiales cerámicos. Además, el material

que se consigue sintetizar es un material con una estructura cristalina, y en normalmente, no

necesita operaciones posteriores adicionales. Estos materiales son dispersados y suspendidos

en el medio adecuado posteriormente. Además, la metodología puede ser adaptada para

diferentes condiciones de sintetización. El proceso térmico que implica puede alcanzarse a

través de energía procedente de las ondas microondas, haciendo este proceso un proceso

eficiente, constituyendo una de las ventajas que el proceso presenta. También, con este

proceso de síntesis se puede trabajar con un flujo continuo de operación.

Los procesos de síntesis solvotermales se pueden emplear para nanomateriales óxidos y la

síntesis hidrotermal, se puede emplear también para los calcogenuros.

3.3.2 (c) Síntesis de los nanofluidos a partir de la biología

Las nanopartículas se han encontrado en el interior de algunos organismos. En concreto, las

nanopartículas de plata y de PLZ.J, se han encontrado en el interior de una bacteria. Además,

a parte de la presencia de estos materiales dentro de las bacterias es natural pensar creer que

los iones que se encuentran en el interior de los organismos pueden sufrir las operaciones de

reducción. La reducción del ión )*ZB por los microorganismos fungi ha sido un hecho

obtenido por este método; en concreto, la bacteria lactobacilli es capaz de reducir el oro. Estas

reducciones también tienen lugar en el interior de las células humanas.



Un aspecto importante de este método, es que todas las nanopartículas metálicas podrían ser

extraídas y posteriormente, redispersadas en el medio fluido. Este hecho hace posible la

fabricación de grandes cantidades de nanopartículas a un menor coste. Además, es posible

que el microorganismo después de llevar a cabo la reacción de reducción en la célula, esté vivo

para poder continuar con el proceso y continuar con la síntesis de las nanopartículas. Este

método, ha sido empleado en la síntesis de óxidos metálicos, sulfuros y nanopartículas

magnéticas.

3.3.2 (d) Condensación a través de un gas inerte

En este método, la nanopartícula se síntetiza en la fase gaseosa creando para ello una

condición de sobresaturado. La condición en la cámara de preparación se realiza de tal manera

que la fase sólida es más estable que la fase gaseosa. En este punto, el grupo se aglomera y se

deposita en la fase gas. La deposición permitirá la agregación y puede ser controlada

apropiadamente con tensioactivos. Esto hace posible que los materiales puedan ser

redispersados posteriormente sin que se requiere mucho esfuerzo. Las condiciones de

evaporación pueden ser variadas así como la especie gaseosa que se emplee en la misma. Las

nanopartículas que se hayan formado son transportadas y depositadas a través de la difusión

por aerosol.

El gas presurizado puede ser controlado para modificar su morfología. El aporte de calor

necesario durante la evaporación se puede obtener de diferentes fuentes de energía, ya sea

térmica o por el uso de láser.

Un método similar a este es la condensación directa de las especies en fase gaseosa con el

flujo de vapor de baja presión (VEROS).

3.4 Fluidos base empleados

3.4.1 Tipos de fluidos térmicos empleados.

Actualmente, los fluidos térmicos que se emplean como fluidos caloportadores son aceites

térmicos, agua, sales fundidas; entre otros.

En principio, el fluido base a emplear puede ser cualquiera de los anteriores. La adición de las

nanopartículas supondrá una mejora de las características como fluido caloportador.



3.4.1 (a) Agua/vapor

En la industria energética, el agua es el fluido caloportador más usado. Por su bajo coste y por

su alto poder calorífico durante el cambio de fase. Sin embargo, su uso en algunas ramas de la

industria presenta algunos inconvenientes, entre ellos la condensación en algunos elementos

de los equipos.

3.4.1 (b) Aceites térmicos

Los aceites térmicos tienen unas propiedades físico-químicas que le permiten alcanzar

temperaturas de hasta 420ºC sin degradarse y cristalizar con temperaturas mínimas de 38ºC;

la congelación total no se alcanza hasta los 12ºC.

Las presiones de vapor de estos aceites son menores que la presión de vapor de agua, por ello,

permite trabajar a unas presiones de trabajo menores. Trabajar a presión menor supone una

ventaja a la hora de elegir el material de trabajo.

El aceite térmico más utilizado es el Therminol VP-1, empleado en algunos de los experimentos

en los que se hace referencia posteriormente. Se trata de una mezcla de dos hidrocarburos

aromáticos: el bifenilo y el óxido de difenilo. El punto de congelación de este aceite es 12,7ºC y

las temperaturas máximas de trabajo son de 400ºC.

Una vez superada esta temperatura máxima, se produce la degradación del mismo. Cuando los

hidrocarburos se degradan dan lugar a otros compuestos que modifican la características del

fluido caloportador, con sistemas in situ de eliminación de los mismos sería suficiente.

Uno de los principales inconvenientes que presenta los aceites térmico son desde el punto

medioambiental. Ante una fuga, se produciría la contaminación del suelo.

3.4.1 (c) Sales fundidas

El uso de las sales fundidas como fluido refrigerante surge a raíz de la necesidad de reducir la

degradación de las instalaciones y facilitar el almacenamiento de energía.

La principal ventaja de las sales fundidas frente al aceite térmico es la temperatura máxima de

trabajo de estas últimas, 450ºC – 550ºC. El coste de este fluido térmico es menor, tiene menor

nivel de corrosión sobre las tuberías, y al igual que los aceites térmicos tienen bajas presiones

de vapor.

Desde el punto de vista medioambiental, el inconveniente principal que presentan las sales

fundidas es que pueden formar gránulos sólidos, produciéndose su deposición en el suelo o en

la pared de las tuberías bloqueando los equipos. Para evitar este aspecto, se deben instalar

equipos de control de la temperatura.



Sales empleadas

Las sales que se emplean normalmente en aplicaciones son sales de nitrato, por sus buenas

propiedades. Estas sales producen bajas tasas de corrosión en los materiales, son

térmicamente estables en los altos rangos de temperatura requeridos, tienen presiones de

vapor muy bajas, lo que permite trabajar a presiones moderadas, se pueden conseguir

fácilmente y son relativamente baratas

Las sales fundidas más empleadas en instalaciones solares son: Solar Salt es una mezcla de las

sales NaNO3-KNO3, mezcla binaria 60%NaNO3 + 40%KNO3, que por sus propiedades,

disponibilidad, precio y el gran número de estudios llevados a cabo con ella, es la que

predomina; la sal ternaria Hitec (7% NaNO3, 53% KNO3, 40% NaNO2) que presenta un punto de

congelación más bajo, alrededor de 140˚C, pero su coste es mayor que la sal binaria Solar Salt

y su temperatura limite más baja. Y la sal llamada Hitec XL (48% Ca(NO3)2, 7% NaNO3, 45%

KNO3), con un punto de congelación menor que la anterior, alrededor de 120˚C, pero con una

temperatura límite aún menor.

3.5 Dispersión de las nanopartículas en los fluidos

Las suspensiones de nanopartículas en los fluidos caloportadores convencionales se llevan a

cabo a través de dos métodos: el método de una sola etapa y el método de dos etapas [4].

El método de las dos etapas elabora en primer lugar las nanopartículas por uno de los métodos

de elaboración que se han descrito en los apartados anteriores y a continuación, dispersa las

partículas en la base fluida.

El método de una sola etapa realiza ambas etapas en un solo paso.

En ambos casos, se requiere una dispersión uniforme y un buen mezclado entre las

nanopartículas y la base fluida para conseguir unos nanofluidos adecuados que cumplan con

las propiedades térmicas deseadas.

Para los nanofluidos que se producen a través del método de las dos etapas, se emplean

métodos de dispersión ultrasónicos para conseguir la perfecta dispersión entre ambos.

Como se ha descrito en las sustancias que se emplean como nanopartículas, la mayoría de

estas son óxidos o nanotubos de carbón que se dispersan junto a la base fluida a través del

método de las dos etapas. Si las nanopartículas se encuentran en un estado físico denominado

polvo seco, pueden tener lugar aglomeraciones de partículas debido a la fuerte atracción de

Van der Waals entre las nanopartículas. Esta indeseable aglomeración entre las mismas es un

hecho clave durante el estudio de las mismas. A través de la elaboración de los nanofluidos por

el método de las dos etapas ha supuesto un cambio, ya que en la primera etapa tiene lugar la

formación de aglomeración rápida entre las partículas antes de la dispersión. Estas

aglomeraciones se rompen cuando entran en contacto con la base fluida durante la segunda



etapa. Pero esta ruptura de las aglomeraciones cuando entran en contacto con la base fluida

no es al 100%, no se consigue una separación completa de las aglomeraciones. Por lo que con

el método de las dos etapas, no se consigue una separación una calidad de dispersión muy

alta. Cuando la dispersión no es completamente, la conductividad de los fluidos disminuye. De

ahí que conseguir una dispersión del fluido lo mejor posible tenga su importancia; conseguir

un valor de las propiedades termodinámicas óptimo.

Para conseguir una dispersión completa de las nanopartículas en el fluido base está en

desarrollo una técnica prometedora de dos etapas que se basa en la evaporación de las

nanopartículas con inyección de vapor directo y posterior, inyección en la base fluida a baja

presión cuando las nanopartículas estén condensadas. Esta técnica, desarrollada en Japón

hace 20años por Akoh et al. [5], se llama VEROS (Evaporación a vacío con un substrato de

aceite circulante). En sus comienzos fue rechazada por las dificultades que presentaba. Años

más tarde Eastman et al. [6] desarrollaron un sistema de evaporación directa que solucionaba

las dificultades hasta el momento para conseguir que el fluido fuese estable y estuviesen las

nanopartículas bien dispersas. Estas mejoras se llevaron a cabo con óxidos de cobre como

nanopartículas, resultando un incremento del 40% de la conductividad térmica cuando se

empleaban las nanopartículas de cobre en una concentración del 0,3% v/v, en etilenglicol

como fluido base. Sin embargo, la tecnología de Eastman presentaba dos desventajas: sólo es

aplicable para fluidos a baja presión y no se puede aplicar en fluidos a escala industrial.

Zhu et al. [7] desarrollaron un método de una sola etapa para conseguir nanofluidos estables.

El nanofluido que se pretendía obtener era similar al obtenido en el caso anterior:

nanapartículas de cobre en etilenglicol como fluido base. Las nanopartículas de cobre se

obtenían a través de la reducción de sulfato de cobre pentahidratado (CuSO4•5H2O) con

hipofosfito sódico (NaH2PO•H2O) en etilenglicol bajo radiaciones microondas. Ellos afirmaban

que el método de dispersión en una sola etapa, era un método más rápido y más económico.

Además, se concluyó que para fluidos que contenían nanopartículas metálicas con alta

conductividad, era mejor la dispersión de los mismos con el método de una sola etapa frente

al método de dos etapas.

Como conclusión, se podría decir que el método de una etapa es preferible cuando las

nanopartículas son puramente metálicas. Y por otro lado, el método de dos etapas es

preferible su uso cuando se trata de óxidos metálicos o nanotubos de carbón.



4.- Análisis de las propiedades termofísicas de los nanofluidos

4.1 Caracterización y modelado

Para poder definir completamente un nanofluido hay que llevar a cabo el análisis de las

propiedades termofísicas que lo definen. Para ello, se analizará la conductividad térmica, calor

específico y viscosidad con el objetivo final de mejorar el número de Prandtl llegando a su

optimización y con ello, la optimización de la transferencia de calor.

La teoría convencional no puede predecir el incremento sustancial de la conductividad térmica

del nanofluido que se obtiene en la mayor parte de los experimentos, por ello, surge la

inspiración de identificar los posibles mecanismos basados en la variedad de las observaciones

experimentales y algunas simulaciones numéricas.

Además, se analiza la estabilidad del fluido, referida a la estabilidad coloidal, es decir,

capacidad de las partículas coloidales para formar aglomeraciones. La estabilidad de un

nanofluido es una propiedad deseada del mismo.

Otro aspecto a tener en cuenta en el estudio experimental de estos parámetros, es que en la

mayoría de las aplicaciones de los nanofluidos se realizan en condiciones de altas

temperaturas. Por ello, resulta de gran interés caracterizar los nanofluidos y analizar la

evolución de las propiedades físicas de los mismos bajo estas temperaturas de trabajo. Pese a

ello, la mayoría de los estudios mencionados anteriormente se han realizado a temperatura

ambiente e incluso, en alguno de ellos, el análisis de la evolución de la conductividad térmica

con la temperatura está limitado para temperaturas que no superen los 50ºC.

En el análisis experimental estudiado se caracterizaron los nanofluidos, en una base acuosa

con nanopartículas de SiO2, Al2O3 y CNT´s, completamente en términos de conductividad

térmica, calor específico, viscosidad y estabilidad. A posteriori, estos modelos se han utilizado

para evaluar su aplicación en diferentes condiciones experimentales. En estos estudios, como

se ha dicho anteriormente, se ha trabajado con distintos nanofluidos y a su vez, en distintas

fracciones volumétricas. Se analizaron la evolución de todas las propiedades físicas en

condiciones de alta temperatura (40ºC, 60ºC, 80ºC).

Como se ha mencionado anteriormente el objetivo final que tenía este estudio es minimizar el

número de Prandtl, a través del análisis de todas las propiedades físicas; para concluir cuál será

el nanofluido más estable y cuál será el que esté provisto del mejor comportamiento térmico

con la menor pérdida de carga.



4.1.1 Conductividad térmica

La conductividad térmica se define como un parámetro clave para mejorar los fluidos

caloportadores, de ahí, que existan numerosos estudios de investigación que se centran en la

medida, análisis y modelado de este parámetro en los nanofluidos [8-11].

La conductividad térmica de un nanofluido depende de la fracción volumétrica de partícula,

forma de la partícula, material que constituye la base fluida al que se le adicionan las

nanopartículas, temperatura, tendencia a la agrupación de las nanopartículas, aditivos

añadidos y el pH del nanofluido.

La Tabla 6 resume las condiciones de contorno que se fijaron para la medida de la

conductividad térmica en cada uno de los trabajos que se han publicado, entre otro.

Autores Tipo de nanofluido Técnica de

Medida

Fracción Volumétrica, �

(%v/v)

Temperatura, T (ºC)

Assael et al. CNT´s / H2O THW 0,6 25

Wen y Ding Al2O3 / H2O THW (KD2) 0,2 – 0,6 22

Murshed et al. TiO2 / H2O THW 0,5 -5 Temperatura Ambiente

Li y Peterson Al2O3 / H2O THW

2 – 6 27-36

CuO / H2O

Ding et al. CNT´s / H2O THW (KD2) 0 - 0,5 20-30

Murshed et al. TiO2 / EG THW 1-5 20-60

Al2O3 / H2O

Al / EG

Al/ Engine Oil

CNT´s/ Engine Oil

Lee et al. Al2O3 / H2O THW 0,01 -0,3 21

Beck et al. Al2O3 / H2O THW 2 – 4 23,5 - 27

Al2O3 / EG

Mintsa et al. Al2O3 / H2O THW (KD2) 0 – 18 20 – 40

CuO / H2O

Turamou y Tomalche SiO2 / H2O THW (KD2) 0 – 30 20

Shima et al. CuO / EG THW 0,18 – 1,31 Temperatura Ambiente

Fe3O4 / EG THW 1,71 – 8,2

Teng et al. Al2O3 / H2O THW (KD2) 0,13 -0,52 10 – 50

Yu et al. Cu /EG THW 0,3-0,5 10 – 50

Pastoriza- Gallego et al. Al2O3 / EG THW (KD2) 0 – 9 10 – 50

Kim et al. CNT´s / H2O THW 0 – 0,1 10 – 40

Sharma et al. Ag / EG THW 0,1 – 1 Temperatura Ambiente

Tabla 6. Estudios Previos de la medida de la conductividad

Los resultados obtenidos dependen principalmente del proceso seguido en la elaboración de

de los nanofluidos y de la aglomeraciones entre partículas que tienen lugar. Para evitar la

discrepancia entre los distintos autores se analizaron los distintos nanofluidos por diferentes

laboratorios, a la misma temperatura; de este modo se podría comparar los resultados

obtenidos y determinar el error experimental que se comete.

Los mecanismos empleados para predecir el incremento de la conductividad térmica se

pueden clasificar en dos categorías:



a) Mecanismos estáticos.

Los mecanismos estáticos o estructurales muy usados en el ámbito de la ingeniería son

la capa líquida en la interfase sólido-líquido y la adición de partículas para formar una ruta de

transporte térmico en cadena.

b) Mecanismos dinámicos.

Los mecanismos dinámicos incluyen el movimiento de partícula Browniano y la

convección en una base fluida inducida por el anterior.

Basándose en algunos de estos mecanismos, a continuación se citan algunos modelos que han

sido propuestos para predecir el comportamiento de la conductividad térmica de un

nanofluido, knf. Esta conductividad térmica de un nanofluido dependerá de la conductividad

térmica de la base fluida, kbf; de la conductividad térmica de las partículas sólidas, kp; y de la

fracción volumétrica,�.

Maxwell [12], en 1873 fue una de las primeras personas en investigar analíticamente la

transferencia de calor por conducción a través de una suspensión de partículas (Ecuación 10).

La suspensión considerada por Maxwell se trataba de una suspensión muy diluida de partículas

sólidas de forma esférica, ignoraba la interacción entre partículas y además, sólo se podía

aplicar con una fracción volumétrica de partículas baja:

�8� = �� + & ∙ �� + & ∙ �� − ��) ∙ �� + & ∙ �� − �� − ��) ∙ � [�<]

Ecuación 10. Conductividad del nanofluido (Maxwell)

En 1892, Rayleigh [13] (Ecuación 11) fue el primero en analizar la conductividad térmica

efectiva de una mezcla con distribución de partícula regular:

�8� = �� + � ∙ � ∙ �� − ��& ∙ ��+�� −�� + �, �s��

�[ �� − ��)�� ∙ �� − � ∙ ��] ∙ �� − ��)

∙ ��[��]

Ecuación 11. Conductividad térmica del nanofluido (Rayleigh)

En 1953, Frike [14] (Ecuación 12) desarrolló una ecuación para una suspensión con partículas

de forma elíptica. Para long thin needles la ecuación de Frike se reduce a:

�8� = �� + �� ∙ � ∙ C ∙ �� + ��

��+�� ∙ �� − ��[�&] Ecuación 12. Conductividad térmica del nanofluido para partículas alargadas (Frike)

Para long flat thin disks (Ecuación 13. Conductividad térmica del nanofluido para partículas

esféricas (Frike)) se reduce a:



�8� = �� + �� ∙ � ∙ �� + & ∙ ��

�� ∙ �� − ��[��] Ecuación 13. Conductividad térmica del nanofluido para partículas esféricas (Frike)

En 2003, Nan et al. [15] obtuvieron una aproximación de la ecuación de Frike (Ecuación 14.

Conductividad térmica del nanofluido para partículas esféricas (Nan)) considerando una

mezcla que contenía nanotubos de carbón:

�8� =� + � ∙ � �� − & ∙ � ∙ ��[��]

Ecuación 14. Conductividad térmica del nanofluido para partículas esféricas (Nan)

En 1962, Hamilton y Crosser [16] extendió el modelo de Maxwell para tener en cuenta el

efecto de la forma de las partículas sólidas (Ecuación 15. Conductividad térmica del nanofluido

considerando esfericidad (Hamilton y Crosser)):

�8� = �� ∙ �� + �$− �) ∙ �� − �$− �)�� − ��) ∙ �� + �$− �) ∙ �� + �� − ��) ∙ � [�C]

Ecuación 15. Conductividad térmica del nanofluido considerando esfericidad (Hamilton y Crosser)

Donde ' = Z∅ donde ∅ es la esfericidad de las partículas.

En 1963, Krischer [17] consideró un despliegue de elementos de resistencia específica

distribuidos en una matriz y obtuvo la siguiente ecuación (Ecuación 16.Conductividad térmica

del nanofluido considerando resistencia (Krischer)):

�8� = [ �3��3�)∙��B��∙�+ � ��3�� +

��]-1 [�H]

Ecuación 16.Conductividad térmica del nanofluido considerando resistencia (Krischer)

Donde f es un parámetro empírico que expresa la fracción de resistencias en paralelo; cuando f

alcanza el valor 0 quiere decir que las resistencias están en serie, alcanzando un alto valor de la

conductividad térmica y por el contrario, cuando f alcanza un valor próximo a 1 quiere decir

que las resistencias están en paralelo, creando un valor muy bajo de la conductividad térmica.

En 2003, Xuan et al. [18] estudiaron la conductividad térmica de los nanofluidos considerando

el movimiento Browniano y las agrupaciones de partículas (Ecuación 17. Conductividad

térmica del nanofluido considerando movimiento Browniano y agrupación de partículas

(Xuan)):

�8� = [��B&∙��3&∙�∙��3��B&∙��B�∙��3�� +��∙�∙m��&∙�� + ��∙��∙�∙o>∙��] ∙ �� [�e]

Ecuación 17. Conductividad térmica del nanofluido considerando movimiento Browniano y agrupación de

partículas (Xuan)



Donde �� es la densidad del sólido, -�� es el calor específico del sólido, �� es la constante de

Boltzmann, �� es la viscosidad de la base fluida, _� es el radio de las incrustaciones de

nanopartículas que hay formadas y � es la temperatura.

En 2003, Yu y Choi [19] (Ecuación 18. Conductividad térmica del nanofluido considerando

efecto de la nanopelícula (Yu y Choi)) desarrollaron un modelo a través de la modificación del

modelo de Maxwell que consideraba también el efecto de la nanopelícula de líquido alrededor

de las nanopartículas de sólido en la conductividad térmica de los nanofluidos:

�8� = ��B&∙��3&∙��3��∙��B�)�∙��B&∙��3��3��∙��B�)�∙� ∙ �� [�p]

Ecuación 18. Conductividad térmica del nanofluido considerando efecto de la nanopelícula (Yu y Choi)

Donde � es la relación entre el grosor de la nanopelícula de líquido y el radio de las

nanopartículas. El grosor de la nanopelícula de líquido lo definió como γ, que puede ser

calculada gracias a la siguiente expresión (Ecuación 19):

� = <, <� ∙ �� − &e�) ∙ o�<,�C [�s] Ecuación 19. Grosor de la nanopelícula

donde � es la temperatura en grados Kelvin y _� es el radio de las partículas en nanómetros.

En 2005, Xue [20] propuso un modelo de la conductividad térmica efectiva de los CNT´s en

nanofluidos basándose en la teoría de Maxwell (Ecuación 20. Conductividad térmica del

nanofluido con CNT´s):

�8� =�3�B&∙�∙ ��

��&∙�� )

�3�B&∙�∙ ��

��&∙�� )

∙ �� [&<] Ecuación 20. Conductividad térmica del nanofluido con CNT´s

4.1.2 Viscosidad

En Tabla 7 se muestran las condiciones de contorno que se fijaron para llevar a cabo la medida

de la viscosidad en cada uno de los estudios realizados, entre otros.



Autores Tipo de nanofluido Fracción Volumétrica, � (%v/v) Temperatura, T (ºC)

Ding et al. CNT´s / H2O 0 – 0,5 25 – 40

Heris et al. CuO / H2O 0,2 – 3 24

Al2O3 / H2O

Lee et al. Al2O3 / H2O 0,01 – 6 21-39

Murshed et al. TiO2 / EG 1-5 Temperatura Ambiente

Al2O3 / H2O

Al / EG

Al/ Engine Oil

CNT´s/ Engine Oil

Pastoriza- Gallego et al. Al2O3 / H2O 0 – 3 10 – 60

Shima et al. CuO / EG 0,18 – 1,31 1,71 – 8,2

Temperatura Ambiente

Fe3O4 / EG

Yu et al. Cu /EG 0,3-0,5 10 – 50

Pastoriza- Gallego et al. Al2O3 / EG 0 – 6,6 10 – 50

Kim et al. CNT´s / H2O 0 – 0,1 25

Yu et al. Al2O3 / H2O-EG 1 – 3 10 – 60

Tabla 7. Estudios Previos de la medida de la viscosidad

La viscosidad de los nanofluidos es también dependiente del grado de aglomeración de las

partículas y se pueden obtener resultados muy distintos dependiendo del tamaño y forma de

la partícula, la fuerza iónica del medio, el pH y la energía de entrada aplicada durante el

proceso de dispersión. Como para el estudio de la conductividad térmica, se llevó a cabo un

estudio de referencia en 2010, con el fin de comparar los valores de la viscosidad obtenidos

por los diferentes investigadores, cuando se analizaban los mismos ejemplos, pero por varios

laboratorios, en una habitación a temperatura ambiente (igual que antes 20ºC a 26ºC).

Para el cálculo de la viscosidad de una suspensión de partículas existen varias ecuaciones

teóricas. Einstein ,en 1956, fue el primero en obtener una expresión teórica que modelara la

evolución de la viscosidad en una suspensión, �k�; con cierto contenido de sólido, ϕ; para

suspensiones diluidas (Ecuación 21. Viscosidad de una suspensión (Einstein)):

�8� = �� + [�]�) [&�] Ecuación 21. Viscosidad de una suspensión (Einstein)

donde [�] es la viscosidad intrínseca, que depende de la morfología de las partículas o aglomeraciones de partículas si están presentes dentro del flujo.

En 1977, Batchelor propuso una nueva ecuación considerando el movimiento Browniano de las partículas:

�8� = �� + [�]� + �[�]&�&� [&&] Ecuación 22. Viscosidad de una suspensión (Batcherlor)

Donde K es el coeficiente de Huggins (Ecuación 22. Viscosidad de una suspensión

(Batcherlor)).

Años después, en 1959, Krieger y Dougherty [21] desarrollaron una ecuación para una suspensión concentrada (Ecuación 23. Viscosidad de una suspensión concentrada):

�8� = �� #� + ��$%

[�]�$ [&�]



Ecuación 23. Viscosidad de una suspensión concentrada

Donde ϕ� corresponde con el límite de fluidez de la suspensión y representa la fracción de

empaquetamiento máxima que una partícula puede conseguir.

En 1981,Kitano et al. [22] obtuvieron una expresión similar a la anterior, pero con un

exponente constante (Ecuación 24. Viscosidad de una suspensión concentrada con exponente

constante):

�8� = �� #� + ��$%

3& [&�]

Ecuación 24. Viscosidad de una suspensión concentrada con exponente constante

No solo la influencia del contenido sólido en la viscosidad es importante, también es un

parámetro importante la influencia de la temperatura. Existen numerosos modelos teóricos

que describen la influencia de la temperatura en la viscosidad. La ecuación propuesta para esta

influencia se denomina la ecuación de Andrade´s (Ecuación 25. Relación temperatura

viscosidad):

��8�) = � + ��3�< [&C]

Ecuación 25. Relación temperatura viscosidad

Donde los parámetros ),Q y �j son parámetros experimentales ya determinados.

Sin embargo, los estudios experimentales descritos anteriormente no poseen datos

experimentales para el calor específico,-�k�. El calor específico es también una de las

propiedades térmicas más importantes en la transferencia de calor; se calcula con la regla de

la mezcla (Ecuación 26. Calor específico regla de la mezcla):

m�8� =��3�)∙��∙m��B�∙��∙m��

��3�)∙��B�∙�� [&H] Ecuación 26. Calor específico regla de la mezcla

4.2 Métodos de elaboración de los nanofluidos durante el análisis de

propiedades

Los métodos de elaboración de los nanofluidos hacen referencia a cómo se preparan los

nanofluidos para el análisis de las propiedades. El método por el cual se lleva a cabo la

preparación de los nanofluidos es un paso clave.



1.- Método de una sola etapa

Es un proceso en el que se combina la síntesis de las nanopartículas con la preparación del

nanofluidos. En este método, las nanopartículas se prepararan directamente con un técnica de

deposición física de vapor (PVD), método químico líquido ablasión láser; por tanto, se puede

aproximar a una evaporación directa.

El método de una sola etapa se emplea sobre todo cuando el nanofluido contiene dispersadas

nanopartículas metálicas.

Ventajas de este método:

-Aglomeración de las nanopartículas minimizada.

-Estabilidad del nanofluido aumenta.

Inconvenientes de este método:

-La principal limitación que presenta esta condensación directa es que el líquido debe estar a

una presión de vapor baja. Cuando se lleva a cabo a presiones de vapor más altas se producen

problemas relacionados con la aglomeración de nanopartículas. Por ello, en la actualidad, las

cantidades de nanofluido que se producen por esta técnica son limitadas, pero probablemente

existirán cambios para que la hagan económicamente viables en la producción de grandes

cantidades de distintos nanofluidos.

Otra técnica de una sola etapa que se ha descubierto es la condensación de vapor química. La

ventaja de esa técnica frente a la evaporación directa es que esta ofrece el control del tamaño

de la partícula, fácil de escalar y con la posibilidad de producir nanoestructuras de

recubrimiento.

2.- Método de dos etapas

Se trata de un proceso para la dispersión de las nanopartículas en un nanofluido que se lleva a

cabo en dos etapas. En primer lugar, se lleva a cabo la síntesis de las nanopartículas en forma

de polvo seco; en segundo lugar, este polvo seco se dispersa en un fluido. La elaboración del

polvo seco se produce a través de un gas condensable inerte, deposición de vapor químico u

otras técnicas.

Esto típicamente se hace a través de la condensación de un gas inerte que envuelve una

vaporización del material y consecuentemente, la condensación del vapor que hay en las

nanopartículas a través de las colisiones con presión controlada de un gas inerte, como el

helio. En segundo lugar, las nanopartículas resultantes son dispersadas en la base fluida. En

este proceso, tienen lugar un gran número de aglomeraciones. Este método es útil cuando la

nanopartícula sólida no es metálica y se obtienen muy buenos resultados cuando la

nanopartícula es un óxido.

La ventaja de la condensación a través de un gas inerte es que económicamente produce una

gran cantidad de nanopartículas.



Para ambos casos, se emplean técnicas de estimulación y tratamientos ultrasónicos para evitar

que se produzcan aglomeraciones en los nanofluidos y obtener una serie de nanofluidos que

posean aglomeraciones de partículas controladas con diferentes conductividades térmicas.

4.3 Técnicas experimentales

A continuación, se describen las técnicas experimentales llevadas a cabo para el análisis de las

propiedades termofísicas.

4.3.1 Conductividad térmica.

La conductividad térmica de todos los nanofluidos fue medida usando un conductómetro KD2

Pro. En este método de medida, un fino alambre metálico es incrustado en el fluido al que se

le va a realizar la medida, actuando al mismo tiempo como fuente de calor y como sensor de

temperatura. El principio hot wire trabaja midiendo la temperatura del alambre y el tiempo de

respuesta ante un pulso abrupto eléctrico. La conductividad térmica del fluido puede derivarse

del cambio de temperatura del alambre caliente en un determinado intervalo de tiempo.

El sensor de temperatura debe introducirse en el fluido, contenido en una probeta, de forma

vertical para reducir la transferencia conductiva dentro de la muestra y mejorar la exactitud de

las medidas. La conductividad térmica es inversamente proporcional a las dimensiones

características de la probeta donde se ha insertado el fluido, y a su vez depende de la dirección

del flujo de fluido en la probeta.

El sensor KD2 Pro está especialmente diseñado para usarse en la medida de la conductividad

térmica de fluidos y está provisto de un pulso muy pequeño de calor. El lector de tiempo

durante las medidas se configuró con la duración de un minuto para minimizar la diferencia de

temperatura entre el fluido y la aguja, obteniendo una diferencia máxima de 0,3ºC. Para

alcanzar la temperatura de diseño antes de que se llevaran a cabo las medidas se necesitó un

periodo de una hora. Se llevaron a cabo seis lecturas para cada uno de los nanofluidos y

además, era importante dejar un periodo de quince minutos entre lecturas para que se

recuperase la temperatura de diseño después de cada pulso eléctrico.

El KD2 Pro utiliza algoritmos especiales para analizar las medidas realizadas durante un

calentamiento o un enfriamiento. Este servicio está especialmente diseñado para medir la

conductividad térmica de los sólidos o líquidos a bajas temperaturas donde la temperatura no

está afectada por cambios externos. Aunque esto sería concebido como algo ideal ya que la

probeta con el nanofluido se encuentra sumergida en una baño termoestático donde la

temperatura está controlada para que sea posible alcanzar condiciones de altas temperaturas.

Las medidas se llevan a cabo con el baño termoestático desconectado para poder evitar de



este modo vibraciones, aunque al mismo tiempo durante la medida de la conductividad

térmica tiene lugar una reducción de la temperatura debida al enfriamiento del baño durante

la medida. Además, las ecuaciones internas que rigen este instrumento así como los datos que

registra no consideran otra serie de perturbaciones que ocurren.

Las medidas de la conductividad ocurren en dos etapas. En una primera etapa, se evalúa la

evolución de la temperatura sin la aplicación de un pulso de calor para de este modo, poder

determinar la reducción de temperatura que ocurre por el estar el baño apagado. En segundo

lugar, se llevaron a cabo las medidas de la conductividad con el KD2 Pro con el pulso de calor

activado. Todos los datos obtenidos fueron ajustados con la siguiente ecuación (Ecuación 27):

� = $< +$& ∙ r + $� ∙ ��r) [&e] Ecuación 27. Variación de la temperatura con respecto al tiempo

Donde 'j es la temperatura ambiente del experimento; '1 es la deriva de la temperatura de

fondo y 'Z es el incremento de la temperatura en la escala logarítmica de tiempo. La variable

� se refiere a la temperatura y U, se refiere a la variable tiempo.

La conductividad térmica puede ser calculada con el parámetro 'Z en ambas curvas, tanto de

enfriamiento como de calentamiento, a través de la siguiente ecuación (Ecuación 28):

�8� = ��∙�∙�� [&p]

Ecuación 28. Conductividad del nanofluido en función de la temperatura

Donde �k� es la conductividad térmica y Y es el impulso de calor aplicado.

4.3.2 Calor específico

La medida del calor específico de cada nanofluido que se analizó, fue medida en DSC, model

DSC 1. El cálculo de la capacidad de calor específica estaba basado en DIN STANDARD.

La secuencia empleada en la determinación del calor específico fue la siguiente: isoterma

durante cinco minutos a 25ºC, una segunda secuencia dinámica que pasaba desde los 25ºC a

los 95ºC en un rango de calor de 10ºC al min y por último, isotermo durante cinco minutos a

95ºC.

4.3.3 Viscosidad

La viscosidad y el comportamiento de las propiedades reológicas de los nanofluidos se obtuvo

a través de pruebas que empleaban como instrumento de medida rotámetro rotacional Haake

RheoStress 1. Este sistema de medida consta de dos cilindros concéntricos. En el hueco entre



el cilindro interior (cuyo diámetro es de 34nm) y el cilindro exterior (de diámetro 36,88nm) se

introdujeron 40ml de muestra.

Antes de la realización de cada ensayo, se realizó un pretratamiento para conseguir que las

condiciones de todos los nanofluidos fuesen las mismas.

4.3.4 Estabilidad

La estabilidad de los nanofluidos se analiza estudiando el comportamiento de las

nanopartículas cuando las atraviesa un haz de luz. El equipo que llevó a cabo las medidas fue el

Turbiscan Lab Expert. Este equipo consta de un pulso de luz infrarroja y un detector que mide

la luz a la salida. Para analizar la estabilidad de los nanofluidos las medidas fueron llevadas a

cabo en diferentes intervalos de tiempo en un total de 48h.

4.3.5 Potencial Zeta

El potencial zeta fue medido empleando un Zetasizer Nano ZS , donde se mide la velocidad de

las partículas cuando se aplica un campo eléctrico. El potencial zeta se calcula con la ecuación

de Henry.

4.3.6 Tamaño de partícula

Las distribuciones del tamaño de partícula fueron determinadas a través de DLS usando un

Zetasizer Nano ZS. El tamaño de partícula fue medido debido al movimiento Browniano de las

partículas y con la ayuda de la ecuación de Einstein-Stokes.

4.3.7 Transmisión electrónica microscópica

Las agrupaciones de partículas fueron observadas por medio de la transmisión electrónica

microscópica (TEM) usando un microscopio JEOL 2100. Con objeto de observar la morfología

de las agrupaciones presentes en los nanofluidos, una pequeña cantidad de muestras se

hicieron pasar por una cuadrícula de cobre y luego, fueron secadas y removidas de nuevo con

el líquido. Para prevenir la formación de aglomeraciones de partículas durante el secado de la

muestra, se usaron nanofluidos muy diluidos y el secado que tuvo lugar fue muy rápido.



4.4 Materiales

4.4.1 Caracterización

En este trabajo que se cita se analizaron un total de cinco diferentes nanofluidos: SiO2, que se

trata de un nanofluido obtenido comercialmente y en forma de polvo seco; Al2O3, que al igual

que el anterior se trata de un nanofluido obtenido comercialmente y en forma de polvo seco y

nanotubos de carbón. En la Tabla 8 se muestran los distintos materiales empleados y alguna de

sus características

Materiales Producto Comercial Tamaño partículas

primarias [nm]

Tamaño de las

aglomeraciones [nm]

Punto Isoeléctrico

SiO2 Ludox TM-50 (Suspensión)

10 30,3 2

Aerosil 200 (polvo) 12 201 -

Al2O3 Aerodisp W95 (Suspensión)

11 127 8,2

Aeroxide Alu (polvo) 13 128 -

CNT´s Aquacyl (suspensión) d=95nm L=1,5 µm

- -

Tabla 8. Materiales empleados durante la medida de las propiedades

Sílica (Si2O3) El nanofluido de sílica normalmente empleado es el Ludox TM-50 suministrado por Sigma-

Aldrich. Las partículas tienen un diámetro de 10nm y una superficie específica de 140m2/g de

acuerdo con los datos especificados por el fabricante. Como se observa en la Figura 9, las

partículas forman aglomeraciones con una distribución estrecha de tamaño de partícula y un

tamaño medio de partícula de 30,3 nm. La Figura 10 (a) muestra la morfología de las partículas

observadas en TEM para las partículas de Ludox TM-50.

El polvo comercial comprado fue un polvo de sílica, Aerosil 2000, abastecido por Degussa. El

polvo está compuesto de nanopartículas amorfas hidrofílicas de sílica con unas unidades

primarias de 12 nm y con una superficie específica de 200m2/g de acuerdo con el fabricante. El

tamaño de las aglomeraciones reales presentes en la suspensión fueron también medidas por

DLS y se encontró un tamaño medio de 201 nm, como se puede observar en la Figura 9 el 90%

de las aglomeraciones tenían un tamaño por debajo de los 345nm. La Figura 10 (b) muestra

una morfología de partículas observadas con el método TEM para las partículas de Aerosil

2000. La densidad del polvo de sílica es 2200kg/m3.

Alúmina (Al2O3) El nanofluido comercial de alúmina usado normalmente fue AerodispW925 abastecido por

Degussa. Las partículas primarias tienen un diámetro de 11nm de acuerdo con el fabricante. El

tamaño real de las aglomeraciones presentes en la suspensión fueron medidas por DLS. Como

se puede observar en la Figura 9. Distribución del tamaño de partícula, se encontró un tamaño



media de 127nm. El 90% de las aglomeraciones tenían un diámetro inferior de 218nm. En la

Figura 10 (c) se muestra la morfología de las partículas observadas por TEM para las partículas

de AerodispW925.

Las nanopartículas de alúmina son un polvo seco, también se ha suministrado por Degussa,

con una partícula primaria promedio de 13nm, como ha declarado el fabricante. Las

aglomeraciones reales presentes en la suspensión presentan un tamaño medio de 128nm

como se puede observar en la Figura 9. El 90% de las aglomeraciones tenía un diámetro

inferior a los 184nm. Comparando la distribución del tamaño de partícula con el nanofluido

Aerodis, se puede observar que la distribución es más estrecha y que hay aglomeraciones de

tamaño más inferior, queriendo decir que la dispersión es mejor. La Figura 10 (d)muestra la

morfología de las partículas observadas por TEM para las partículas de Aerodisp AluC. La

densidad del polvo de alúmina es de 3860kg/m3.

Carbón nanotubos (CNT´s) El nanotubo de carbón comercial en nanofluido usado fue Aquacyl, suministrado por Nanocyl.

Estos nanotubos de carbón (d= 9,5 nm y L=1,5 micrometros) fueron dispersados en agua con la

ayuda de un aditivo. La Figura 10 (e) muestra la morfología de los nanotubos observada por los

TEM para las partículas de Aquacyl. La densidad de los nanotubos es de 2214kg/m3.

Figura 9. Distribución del tamaño de partícula



Figura 10. Morfología de las partículas observadas por TEM. (a) Ludox TM-50 (b) Aerosil 2000 (c) Aerodisp w95 (d)

Aerodisp AluC (e)Aquacyl

4.5 Resultados y discusión

4.5.1 Conductividad térmica

La evolución de la conductividad térmica de los nanofluidos con una cantidad determinada de

contenido sólido se midió a diferentes temperaturas (40,60 y 80ºC). La Figura 11 muestra la

evolución de la conductividad térmica mejorándose en la prueba de todos los nanofluidos. Se

puede observar que para contenidos muy bajos de sólido (por debajo de un 1% v/v) la adición

de nanopartículas a la base del fluido no produce un incremento de la conductividad térmica.

Además, el error de medida es mayor en contenidos de sólido bajos debido a la baja viscosidad



de los fluidos y al incremento de la convección en el interior del tubo mientras la medida se

estaba llevando a cabo. Para obtener, un incremento de la conductividad térmica relacionada

con la base del fluido, se necesitó un mayor contenido de sólido (5% v). Por debajo de estas

condiciones el error es más pequeño. El hecho de que la conductividad térmica aumente con el

contenido de sólido es debido a un mayor número de partículas presentes en la suspensión y

el mayor número de contactos entre ellos. Puede observarse que Ludos TM-50 produce el

menor valor de la conductividad térmica (8,33%). En este caso, el nanofluido es producido por

el método de una sola etapa, la cual produce nanopartículas altamente dispersadas y el

nanofluido está compuesto principalmente de partículas esféricas e individuales.



Figura 11. Mejora de la conductividad. (a) Aerosil 200 (b) Ludox TM-50 (c) Aeroxide AluC (d) Aerodisp W95 (e)

Aquacyl

Los modelos disponibles se emplearon para predecir la evolución de la conductividad térmica

de los nanofluidos con cierto contenido de partículas sólidas. Para ello, se realizó una serie de



pruebas en las que se medían las distintas conductividades térmicas de la base fluida y la

cantidad de partículas sólidas que tenían a diferentes temperaturas. En la Ecuación 29, se

muestra el error relativo,ɛ�, entre los valores de conductividad de los modelos teóricos kmy el

valor de la conductividad experimental kexp; a distintas temperaturas:

ɛo = ¤�$3�:@�¤�:@� ∙ �<< [&s]

Ecuación 29. Error relativo

Para los nanofluidos de sílice todos los modelos presentan errores por debajo del 10%. Sin

embargo, el error aumenta para un mayor contenido de sólido y una temperatura mayor.

Además, se observa una influencia de la calidad del mezclado lo que quiere decir que la

disposición de las partículas cambia con la temperatura.

Para los nanofluidos de alumina, cierto modelos no se pueden emplear y en el resto de los

casos todos presentan errores por debajo del 12%.

Por último, para los nanofluidos con nanotubos de carbón los modelos empleados poseen un

error relativo entre el 5-8%.



Nanofluido

40

¥

(%v/v)

Maxwell

Rayleigh

Frike Nan et

al.

Hamilton

y Crosser

Krischer

(f=1)

Krischer

(f=-1)

Modelo

Mixto.

(n=1)

Modelo

Mixto

(n=1)

Yu y

Choi

Xue

Bruggeman

Leong

et al.

Aerosil 200 0,5 1,81 1,81 1,82 2,1 1,81 1,67 2,23 1,95 1,67 1,67 1,84 0,40 0,26

1 0,65 0,65 0,69 1,23 0,65 0,38 1,49 0,94 0,38 0,39 0,72 0,79 0,52

5 2,42 2,42 2,53 5,39 2,42 1,09 6,57 3,76 1,09 1,07 2,75 4,03 2,62

Ludox TM-

50

0,5 0,78 0,78 0,79 1,06 0,78 0,64 1,20 0,92 0,64 0,64 0,81 0,40 0,25

1 4,24 4,24 4,27 4,84 4,24 3,96 5,11 4,53 3,96 3,97 4,31 0,79 0,50

5 3,91 3,91 4,02 6,92 3,91 2,56 8,13 5,27 2,56 2,54 4,24 4,03 2,51

Aeroxide

Alu C

0,5 1,01 0,89 0,89 8,62 8,51 0,89 0,04 66,79 25,00 0,04 2,75 1,44 0,93

1 1,02 1,01 1,01 16,26 16,10 1,01 0,83 196,35 48,61 0,83 4,70 2,91 1,87

5 1,05 9,07 9,07 82,29 83,91 9,07 0,15 343,31 238,68 0,15 27,55 16,40 9,35

Aerodisp

W925

0,5 1,02 0,24 0,24 7,41 7,30 0,24 1,16 64,93 23,61 1,16 1,60 1,44 0,93

1 1,02 0,90 0,90 16,14 15,98 0,90 0,93 196,04 48,45 0,93 4,59 2,91 1,87

5 1,05 9,78 9,78 83,46 85,09 9,78 0,49 344,88 240,86 0,49 28,37 16,40 9,35

Aquacyl 0,125 1,11 1,11 117,97 118,03 1,11 1,36 273,74 356,39 1,36 1,24 0,31 1,11 0,69

1 2,71 2,71 910,48 916,31 2,71 4,61 202,26 2738,80 4,61 3,68 8,33 2,65 0,51

Tabla 9. Error relativo de la conductividad térmica a T 40ºC



Nanofluido

60

¥

(%v/v)

Maxwell

Rayleigh

Frike Nan et

al.

Hamilton

y Crosser

Krischer

(f=1)

Krischer

(f=-1)

Modelo

Mixto

(n=1)

Modelo

Mixto

(n=1)

Yu y

Choi

Xue

Bruggeman

Leong

et al.

Aerosil 200 0,5 3,35 3,35 3,37 3,64 3,35 3,20 3,81 3,51 3,20 3,21 3,39 0,41 0,81

1 2,94 2,94 2,40 2,40 2,94 3,22 2,08 2,65 3,22 3,20 2,87 0,82 1,62

5 2,67 2,67 0,10 0,10 2,67 4,00 1,54 1,31 4,00 4,00 2,34 4,16 8,11

Ludox TM-

50

0,5 0,37 0,37 0,65 0,65 0,37 0,22 0,81 0,52 0,22 0,23 0,40 0,41 0,26

1 9,26 9,26 9,87 9,87 9,26 8,95 10,23 9,59 8,95 8,96 9,34 0,82 0,52

5 4,27 4,27 7,24 7,24 4,27 2,85 8,78 5,73 2,85 2,85 4,62 4,16 2,59

Aeroxide

Alu C

0,5 0,96 5,72 13,23 13,23 13,12 5,72 4,75 68,60 29,22 4,75 7,61 1,43 0,93

1 1,04 0,72 13,18 13,18 13,02 0,72 2,52 166,79 42,79 2,52 2,79 2,90 1,86

5 1,03 11,36 80,68 80,68 82,16 11,36 1,99 367,81 229,43 1,99 29,61 16,31 9,31

Aerodisp

W925

0,5 0,99 2,55 9,84 9,84 9,73 2,55 1,62 63,55 25,35 1,62 4,39 1,43 0,93

1 0,98 4,83 19,51 19,51 19,34 4,83 2,93 181,71 50,77 2,93 8,54 2,90 1,86

5 1,10 4,37 69,34 69,34 70,73 4,37 4,41 351,00 208,76 4,41 21,48 16,31 9,31

Aquacyl 0,125 1,40 1,40 115,78 115,78 1,40 1,14 285,56 344,65 1,14 1,27 2,84 1,40 1,83

1 3,44 3,44 850,52 850,52 3,44 5,33 201,97 2544,18 5,33 4,41 7,38 3,38 0,25





La Figura 12 muestra la evolución de la conductividad térmica con la temperatura para

nanofluidos preparados con el mayor contenido de sólidos. Se puede observar que cuando la

base fluida es agua, la conductividad térmica es constante por encima de los 60ªC y luego

decrece. Cuando los nanofluidos contienen una fracción de sólidos baja, estos presentan

conductividades térmicas similares a la base fluida.

Nanofluido

80

¥

(%v/v)

Maxwell

Rayleigh

Frike Nan et

al.

Hamilton

y Crosser

Krischer

(f=1)

Krischer

(f=-1)

Modelo

Mixto

(n=1)

Modelo

Mixto

(n=-1)

Yu y

Choi

Xue

Bruggeman

Leong

et al.

Aerosil 200 0,5 1,37 1,37 1,35 1,11 1,37 1,54 0,80 1,17 1,54 1,52 1,32 0,46 0,90

1 0,48 0,48 0,53 1,00 0,48 0,13 1,63 0,88 0,13 0,17 0,57 0,92 1,81

5 3,82 3,82 3,64 1,26 3,82 5,41 1,61 2,03 5,41 5,29 3,39 4,70 9,04

Ludox TM-

50

0,5 0,12 0,12 0,09 0,15 0,12 0,29 0,46 0,08 0,29 0,27 0,07 0,46 0,97

1 6,27 6,27 6,32 6,82 6,27 5,90 7,49 6,69 5,90 5,94 6,37 0,92 1,95

5 3,38 3,38 3,20 0,81 3,38 4,98 2,07 1,58 4,98 4,86 2,95 4,70 9,74

Aeroxide

Alu C

0,5 0,95 6,73 6,73 14,36 14,24 6,73 5,75 70,62 30,57 5,75 5,75 1,43 1,61

1 0,94 9,73 9,73 25,18 25,00 9,73 7,74 196,56 58,06 7,74 7,74 2,90 3,22

5 1,12 2,29 2,29 66,28 67,66 2,29 6,33 344,67 203,57 6,33 6,33 16,32 16,13

Aerodisp

W925

0,5 1,15 11,68 11,68 5,37 5,47 11,68 12,49 41,19 8,05 12,49 10,10 1,43 1,61

1 1,10 6,33 6,33 6,86 6,71 6,33 8,02 153,16 34,93 8,02 3,01 2,90 3,22

5 1,18 3,09 3,09 57,54 58,84 3,09 11,25 331,80 187,61 11,25 12,82 16,32 16,13

Aquacyl 0,125 4,33 4,33 104,24 104,29 4,33 4,57 274,35 321,62 4,57 4,45 2,97 4,33 2,64

1 12,32 12,32 763,20 768,13 12,32 14,04 192,55 2315,98 14,04 13,20 2,48 12,27 0,25



Figura 12. Evolución de la conductividad térmica con la temperatura.

4.5.2 Calor específico

La Figura 13. Evolución del calor específico con el contenido de sólido (a) Silica (•Aerosil 200, x

Ludox TM-50), (b) Alumina (•Aeroxide AluC, x Aerodisp W925) y (c) Carbonanotubos

(•Aquacyl) muestra la evolución del calor específico en función del contenido de sólido y en

diferentes condiciones de temperatura. El calor específico describe la cantidad de calor

necesario para incrementar cierta temperatura una cantidad dada. Como era de esperar, el

calor específico aumenta conforme aumenta la temperatura y disminuye con el incremento de

contenido de sólido, debido al menor calor específico de la fase líquida. Además, habría que

añadir que el calor específico sólo depende de la composición química de la base fluida y de la

fase sólida y en cambio, es independiente del estado de aglomeración de las partículas o del

tamaño de las mismas.

Aunque el calor específico absoluto depende de la temperatura, el calor específico relativo es

independiente de la temperatura y por consiguiente, se obtiene una curva distinta en función

del tipo de material sólido.

Figura 13. Evolución del calor específico con el contenido de sólido (a) Silica (•Aerosil 200, x Ludox TM-50),

(b) Alumina (•Aeroxide AluC, x Aerodisp W925) y (c) Carbonanotubos (•Aquacyl)



En general, los modelos se pueden emplear para predecir el calor específico de los

nanofluidos. Como se observa en la Figura 13, para los nanofluidos de silica, todos los valores

experimentales se pueden encontrar dentro del intervalo del 5% de error con respecto a los

valores que han predicho los modelos; para los nanofluidos de alumina se encuentran dentro

del intervalo del 10% y por último, para los nanofluidos con nanotubos de carbón se obtuvo un

error máximo del 5%.

Como última conclusión del calor específico, se puede añadir que los nanofluidos de alumina

son los que dan el mayor valor del calor específico. Este hecho es debido a que el calor

específico depende de la fase sólida y el polvo de alumina presenta el mayor valor del calor

específico de todos los polvos empleados.

4.5.3 Viscosidad

La viscosidad de los nanofluidos fue medida a distintas temperaturas (40,60 y 80 ºC). La Figura

14 muestra la evolución de la viscosidad relativa de los nanofluidos con distinto contenido de

sólido. En general, la viscosidad aumenta en función del contenido de sólido y disminuye

conforme aumenta la temperatura.

Figura 14. Evolución de la viscosidad relativa con el contenido de sólido (a) Silica (•Aerosil 200, x Ludox TM-50),

(b) Alumina (•Aeroxide AluC, x Aerodisp W925) y (c) Carbonanotubos (•Aquacyl)

La viscosidad del nanofluido depende claramente del tipo de nanofluido así como, del método

de preparación que se utilice.

De todos los nanofluidos examinados, se puede concluir que los nanofluidos que presentan un

mayor valor de la viscosidad son aquellos formados con nanotubos de carbón y además, que

tienen un aumento significativo de la viscosidad cuando se aumenta el contenido de sólido.

Por consiguiente, se necesitaría un mayor valor de la energía de bombeo. Por tanto, se

requieren los valores de viscosidad menores, siendo por tanto, los nanofluidos de silica y

alumina más adecuados para su uso en procesos de transferencia de calor.

Análisis de los Nanofluidos y su Aplicación como Fluido HTF

86

4.5.4 Estabilidad

La estabilidad de los nanofluidos se refiere al tiempo que pueden estar est

llegar a formar un gel. En los nanofluidos estables existe homogeneidad en la suspensión. La

estabilidad de la suspensión se puede medir a través de un haz de luz incidente en las

partículas en función del tiempo.

La Figura 15 muestra la evolución de este haz incidente con el tiempo. Se muestra que los

nanofluidos de sílica, alúmina y nanotubos de carbón permanecen estables en al menos 48h.

Además, se muestra que la medida del haz incidente a la salida incrementa con el contenido

de sólido y que la influencia de la temperatura es insignificante.

4.5.5 Optimización

Con el objetivo de identificar los nanofluidos que presentan el mejor comportamiento térmico

en relación con la energía de bombeo necesaria, se calculó el número de Prandtl en las

diferentes condiciones experimentales estudiadas. Este número representa la relación entre

las fuerzas de viscosidad y las fuerzas térmicas. Además, tiene en cuenta el coeficiente

transferencia convectiva que nos ayuda a comprender la importancia de optimizar este

parámetro.

Figura 15. Evolución del haz de luz con el tiempo al atravesar el nanofluido

TM-50), (b) Alumina (•Aeroxide AluC, x Aerodisp W925) y (c) Carbonanotubos (•Aquacyl)



La estabilidad de los nanofluidos se refiere al tiempo que pueden estar estos nanofluidos sin



partículas en función del tiempo.

muestra la evolución de este haz incidente con el tiempo. Se muestra que los


medida del haz incidente a la salida incrementa con el contenido

de sólido y que la influencia de la temperatura es insignificante.


n con la energía de bombeo necesaria, se calculó el número de Prandtl en las


las fuerzas de viscosidad y las fuerzas térmicas. Además, tiene en cuenta el coeficiente


del haz de luz con el tiempo al atravesar el nanofluido (a) Silica (•Aerosil 200, x Ludox

50), (b) Alumina (•Aeroxide AluC, x Aerodisp W925) y (c) Carbonanotubos (•Aquacyl)

2016


os nanofluidos sin



muestra la evolución de este haz incidente con el tiempo. Se muestra que los


medida del haz incidente a la salida incrementa con el contenido


n con la energía de bombeo necesaria, se calculó el número de Prandtl en las


las fuerzas de viscosidad y las fuerzas térmicas. Además, tiene en cuenta el coeficiente de


(a) Silica (•Aerosil 200, x Ludox



87

La Figura 16 muestra los resultados

la base fluida. En todos los casos, la actuación de la viscosidad es mucho mayor que la

actuación del calor específico o de la conductividad térmica

Por tanto, las fuerzas de viscosidad son predomi

Figura 16. Evolución del Número de Prandtl con el contenido de sólido




muestra los resultados obtenidos en función del número de Prandtl relativo para


actuación del calor específico o de la conductividad térmica.

Por tanto, las fuerzas de viscosidad son predominantes para todos los tipos de nanofluidos.

ción del Número de Prandtl con el contenido de sólido (a) Silica (•Aerosil 200, x Ludox TM


2016


obtenidos en función del número de Prandtl relativo para


nantes para todos los tipos de nanofluidos.

(a) Silica (•Aerosil 200, x Ludox TM-




5.-Transferencia de calor en los nanofluidos

5.1 Introducción

La transferencia de calor es una disciplina de la ingeniería térmica que concierna tanto la

generación, el uso, conversión como el intercambio de energía térmica y calor entre sistemas

físicos.

La transferencia de calor se clasifica en función de varios mecanismos que son la conducción,

convección y radiación.

La convección es uno de los mecanismos de transferencia de calor más usuales y que puede

ser clasificado en función de si la transferencia de calor se produce de forma natural, forzada,

gravitacionalmente, granular o termomagnéticamente. La transferencia de calor mixta se trata

de un tipo transferencia de calor por convección que combina la convección natural y la

convección forzada. Cuando esto ocurre la actuación de la convección natural tiene el mismo

orden de magnitud que la convección forzada por velocidades de flujo.

5.2 Fundamentos de la transferencia de calor convectiva

Como se ha explicado anteriormente, la transferencia de calor convectiva es aquella en la que

se produce el transporte de energía a través del flujo de un fluido. Los dos principales tipos de

transferencia convectiva que existen son: convección forzada y convección natural. Cuando el

fluido fluye a través de fuerzas externas como puede ser a través de una bomba, un compresor

o un ventilador, la transferencia de calor convectiva se denomina de circulación forzada. Por el

contrario, cuando el fluido no necesita ninguna fuerza externa para su circulación sino que se

mueve gracias a la diferencia de temperatura, se denomina convección natural.

La ley fundamental que rige la transferencia de calor convectiva fue formulada por Newton

antes incluso que se formulase la ley de Fourier para la conducción. Esta ecuación viene dada a

continuación (Ecuación 30):

¦ = § ∙ � ∙ ��¨ − �� [�<] Ecuación 30. Ley de Newton para la transferencia de calor convectiva.

Donde ©, es la cantidad de energía transferida entre la pared que actúe como foco y el fluido

que esté en movimiento; ), en el área de transferencia entre el sólido y el fluido; �ª, es la

temperatura de la pared sólida y �«, es la temperatura del fluido. Por último, ℎ es un

término constante que se denomina coeficiente de transferencia , con las unidades W/m2K en

unidadesde del sistema internacional. Esta constante de proporcionalidad depende de varios

factores, como pueden ser las propiedades propias del fluido en cuestión, geometría de flujo,

tipo de flujo (laminar o turbulento), velocidad de flujo y condiciones de contorno en la pared.



Como consecuencia, la transferencia de calor convectiva está íntimamente relacionada con la

mecánica de fluidos. A continuación, se detallarán de forma resumida parte de las ecuaciones

de gobierno de la transferencia convectiva.

5.2.1 Ecuaciones de gobierno del flujo del fluido y de la transferencia de calor

Cuando un fluido fluye, se satisfacen dos ecuaciones generales de conservación: conservación

de la masa y conservación de la cantidad de movimiento. Ambas constituyen el pilar de la

mecánica de fluidos.

En la Figura 17 se muestra el volumen de control en coordenadas cartesianas.

Figura 17. Volumen de control en coordenadas cartesianas

Para el volumen de control dado, se deben cumplir las siguientes ecuaciones:

1. Se debe cumplir la ecuación de conservación de la masa, que se define según la

Ecuación 31:

�r +

��®)@ + ��¯)

° + ��¨)� = <[��]

Ecuación 31. Ecuación conservación de la masa

Donde u,v y w son las velocidades en las coordenadas x, y, y z, respectivamente; �, es

densidad del fluido y U, es el tiempo. Esta ecuación de la continuidad de la masa, se puede ver

simplificada del siguiente modo (Ecuación 32), ya que los líquidos se pueden considerar

incompresibles, asumiendo el valor de la densidad como un valor constante:

®@ + ¯

° + ¨� = <[�&]



Ecuación 32. Ecuación de conservación de la masa simplificada.

2. Ecuaciones de conservación de momento, más comúnmente conocidas como las

ecuaciones de Navier-Stokes, vienen definidas a continuación (Ecuación 33)

� µ®r + ® ®

@ + ¯ ®° + ¨ ®

�¶ = ·@@@ + ¸°@

° + ¸�@� + F@

� µ¯r + ® ¯

@ + ¯ ¯° + ¨ ¯

�¶ = ·°°@ + ¸@°

° + ¸�°� + F°

� µ¨r + ® ¨

@ + ¯ ¨° + ¨ ¨

� ¶ = ·��@ + ¸°�

° + ¸@�� + F� [��]

Ecuación 33. Ecuaciones de Navier Stokes en cada una de las coordenadas cartesianas.

Donde ¹ y º, son las tensiones normales y cortante; y F, es la fuerza que actúa sobre el cuerpo

en una dirección concreta.

Las ecuaciones de Navier-Stokes podrán ser reagrupadas teniendo en cuenta si el flujo es en

régimen laminar o en régimen turbulento. El tipo de régimen, viene definido por la ecuación

de Reynolds (Ecuación 34).

=: = �¯»¼ [��]

Ecuación 34. Ecuación de Reynolds.

Donde b, es la velocidad del fluido; ½, es el diámetro y ¾, es la viscosidad del fluido.

5.3 Transferencia de calor convectiva entre dos superficies elípticas

concéntricas

5.3.1 Introducción del estudio

La transferencia de calor convectiva mixta en un espacio entre círculos concéntricos es un

fenómeno importante y muy común en los sistemas actuales de ingeniería. Existen gran

cantidad de aplicaciones que emplean como fundamento medio de transferencia de calor el

espacio existente entre dos tubos concéntricos, entre los que destacan los intercambiadores

de calor de doble tubo, turbinas de gas, reactores nucleares, sistemas de energía solar,

hervidores…etc

Además, cada vez más se requiere de la transferencia de energía térmica en los sistemas. Por

ello, cada vez más son las investigaciones que se llevan a cabo para optimizar la geometría de

estos equipos donde se llevan a cabo la transferencia de calor.



Actualmente, uno de los principales problemas técnicos en las aplicaciones de transferencia de

calor convectiva en canales donde el flujo es cerrado son el diseño y análisis del

intercambiador de calor, mecánico, eléctrico… Podríamos poner un ejemplo sobre la

problemática de esta temática que concierne sobre todo a la industria de alimentación y

químicas, en los que los productos que suelen tratarse presentan una viscosidad

aparentemente alta como pueden ser purés de verduras, zumos de frutas y emulsiones…En

este tipo de industrias normalmente se emplean intercambiadores de calor tubulares y sus

áreas típicas de aplicación son la esterilización y pasteurización.

Por otro lado, la geometría anular entre tubos concéntricos y excéntricos es el más

ampliamente empleado en el campo de los intercambiadores de calor. En ellos uno de los

fluidos fluye a través del tubo interior mientras el otro fluye por el espacio que queda entre

ambos tubos.

Por ello, surge una revolución de estudio, investigación y desarrollo sobre esta materia que

tiene como principal objetivo mejorar la transferencia de calor. De ahí, el desarrollo de este

proyecto de investigación en el que se demuestra que con la adición de nanopartículas se

mejora la transferencia de calor. Se puede remitir a diferentes autores que abarcan este

asunto con amplitud [23]. Teng et al. [24] midieron los efectos de temperatura, de tamaño de

las nanopartículas y de la fracción másica en la conductividad térmica del nanofluido formado

por Al2O3 con base fluida agua. Propusieron una correlación de la conductividad térmica, que

dependía de la temperatura, del tamaño de la nanopartícula y de su fracción másica. Das et al.

[25] llevaron a cabo los procedimientos experimentales con una mezcla formada por agua

como base fluida y Al2O3 como la nanopartícula. Encontraron que ante un incremento de la

temperatura se producía un incremento de la conductividad térmica efectiva mientras que al

mismo tiempo la viscosidad disminuía. Yu et al. [26] midieron la conductividad térmica del

nanofluido formado por etilenglicol con ZnO y concluyó que el mejor de conductividad

obtenido era con un 5% v/v de este era del 26,5%.

Algunos investigadores han profundizado en el estudio de la fase simple del nanofluido Al2O3

con agua en un espacio entre dos círculos concéntricos. Izadi et al. [27] también han

investigado acerca de la convección laminar forzada de un nanofluido consistente en Al2O3 y

agua en espacios entre círculos concéntricos con una sola fase simple como aproximación. Más

adelante, se diseñaron con especial atención los tubos de sección elíptica cuando se determinó

que creaban menos resistencia al fluido frío mejorando el consumo de energía necesaria para

el bombeo. Velusamy and Garg [28] otros autores han estudiado el flujo convectivo mixto y

forzado en canales con secciones elípticas y circulares. Ellos encontraron que el factor de

fricción durante la convección mixta con respecto al valor durante la convección forzada es

menor en conductos elípticos en comparación con los conductos circulares. Además, el índice

del número de Nusselt frente al factor de fricción es mayor para conductos elípticos

comparado con conductos circulares. Por otro lado, la principal ventaja del uso de conductos

elípticos con respecto al uso de conductos circulares es el incremento del coeficiente de

transferencia de calor.



5.3.2 Modelo matemático

El presente estudio examina en las tres dimensiones del espacio la transferencia de calor

convectiva mixta que tiene lugar en un espacio concéntrico elíptico, cuando en su interior se

produce un flujo de calor uniforme usando para ello diferentes tipos de nanofluidos, diferentes

porcentajes volumétricos de nanopartículas y diferentes diámetros de nanopartículas que son

dispersados en diferentes bases fluidos. La investigación realizada sobre este asunto, cubre el

número de Reynolds en el rango de 200 a 1000 y diámetro de partículas dentro del rango

desde 20 a 80 nm. Las diferentes fracciones volumétricas en las que se trabaja se encuentran

en el rango del 0% al 4% v/v. Con este trabajo se obtienen resultados interesantes que se

ilustrarán a continuación tanto del número de Nusselt, como del perfil de velocidad y de las

curvas de temperatura.

Materiales y equipos empleados El desarrollo experimental se lleva a cabo en dos tubos cilíndricos concéntricos con los que se

crea un espacio anular que van oscilando convirtiéndose como en un tubo elíptico colocado en

el centro de un cilindro circular.

El cilindro exterior es de aluminio con un diámetro exterior de 50´8mm, anchura 1mm y

longitud 500mm. El cilindro elíptico interior es también de aluminio con un radio de 9mm y

una longitud de 500m.

Como bases fluidas se utilizaron agua, glicerina, aceite y etilenglicol. Por otro lado, las

nanopartículas que formaban los nanofluidos se emplearon Al2O3, CuO, SiO2 y ZnO. Las

propiedades termofísicas se asumieron independientes de la temperatura, los valores que se

emplearon en la simulación son las de la Tabla 12:

Propiedades

Termofísicas

Al203 CuO SiO2 ZnO Agua Glicerina Engine Oil EG

� (kg/m3) 3600 6500 2200 5600 996,5 1259,9 884,1 1114,4

m�(J/kg K) 765 533 745 495,2 4181 2427 1909 2415

� (W/m K) 36 17,65 1,4 13 0,613 0,286 0,145 0,252

¼ (N s/ m2)

- - - - 1· 10

-3 0,799 0,486 0,0157

�(1/K) 5,8· 10-6

4,3· 10-6

5,5· 10-6

4,31· 10-6

2,75· 10-4

4,8· 10-4

7· 10-4

6,5· 10-6

Tabla 12. Propiedades Termofísicas de diferentes nanopartículas y de diferentes nanofluidos a T 300K

La Figura 18 muestra un diagrama esquemático del espacio anular entre los tubos

concéntricos. En él, se está suponiendo que la pared interna del espacio anular estaba en

contacto con un flujo de calor constante, Qh; mientras que la pared exterior se mantenía en

condiciones isotermas con una temperatura constante, Tc.



Figura 18. Esquema representativo del espacio entre tubos concéntricos

Geometría y ecuaciones de gobierno La Figura 19 presenta el plano en el que el calor es transferido entre los fluidos atravesando la

pared que los está separando. Se llevan a cabo numerosas suposiciones durante las

condiciones de operación en el espacio concéntrico: (i) el nanofluido es newtoniano e

incompresible; (ii)el fluido se considera como una fase simple y el flujo es laminar; (iii) los

efectos de la transferencia de calor externos son ignorados; (iv) las paredes exteriores son

adiabáticas.

Figura 19. Esquema representativo de los tubos concéntricos

Las ecuaciones de gobierno para la transferencia de calor entre dos tubos elípticos

concéntricos son las siguientes:

-Ecuación de continuidad:

>�>r + ¿��À� = <[�C]

Ecuación 35. Ecuación de continuidad



-Ecuación de momento:

� »À»r = ¿ + ¸AÁ − ¿� + �F[�H] Ecuación 36. Ecuación de momento

-Ecuación de energía:

�»:»r + ��¿ ∙ À) = >¦

>r − ¿ ∙ Â + ɸ[�e] Ecuación 37. Ecuación de energía

Donde ces el vector velocidad del fluido, Pes la fuerza del cuerpo, q transferencia de calor por

conducción, ɸla disipación térmica.

Las ecuaciones de gobierno se emplean para establecer la distribución de temperatura y de

presión a lo largo del espacio concéntrico.

Condiciones de contorno En la superficie elíptica interior, la velocidad de flujo depende del número de Reynolds que se

esté empleando; la temperatura exterior que se ha tomado como referencia es igual a

Tin=300K. La constante de flujo de calor que se ha usado es igual a 500W/m2 y se ha empleado

para calentar las paredes interiores; la pared exterior se supone isoterma e igual a la Tin.

Las condiciones de contorno se definen:

-En el espacio concéntrico interior (z=0 y _Å ≤ _ ≤ _j):

*� = *Ç = *È = 0 y � = �Å -En la pared que separa ambas superficies ( _ = _Åy 0 ≤ Ê ≤ h):

*� = *Ç = *È = 0 y YË,Å = −�Ì�� Í�� _ = _Å

-En el espacio exterior (z=L y _Å ≤ _ ≤ _j):

4 = 4j

Propiedades termofísicas de los nanofluidos Las propiedades termofísicas del agua pura, de las distintas nanopartículas que han sido

empleadas y de los distintos fluidos base empleados; como son la densidad, la capacidad de

transferir calor, viscosidad dinámica efectiva, conductividad efectiva térmica y el coeficiente de

expasión térmica se ha detallado en la Tabla 12. Mientras tanto, las propiedades termofísicas

de las partículas de talla 20nm y de porcentaje volumétrico comprendido entre 0-4%v/v de las

diferentes nanopartículas (Al2O3, ZnO, SiO2 Y CuO) se han detallado en las Tabla 13 y Tabla 14.



Tipo de Partículas � Concentración Temperatura

Al2O3 8,44(100φ)-1,07304 1% ≤ φ ≤ 10% 2985 ≤ T ≤ 363K

CuO 9,881 (100φ)-0,9446 1% ≤ φ ≤ 6% 2985 ≤ T ≤ 363K

SiO2 1,9526(100φ)-1,4594 1% ≤ φ ≤ 10% 2985 ≤ T ≤ 363K

ZnO 8,4407(100φ)-1,07304 1% ≤ φ ≤ 7% 2985 ≤ T ≤ 363K

Tabla 13.Valores de β para las distintas partículas en las diferentes condiciones de contorno.

Propiedades Fluido empleado como base Agua , ∅ = <, <�;>� = &<8$

ZnO Al2O3 CuO SiO2

Densidad Efectiva, �:�� (kg/m3) 1115,44 1216,64 1044,64 1180,64

Calor Específico Efectivo, m�:��

(J/kg K)

3694,68 3401,96 3888,015 3481,702

Conductividad Térmica Efectiva,

�:�� (W/m K)

0,68310 0,73040 0,636744 0,71542

Viscosidad Dinámica Efectiva,

¼:�� (N s/ m2)

0,00139 0,00139 0,00139 0,00139

Coeficiente de Expansión Térmica

Efectivo, � (1/k)

2,372 x 10-4 1,892 x 10-5 2,529 x 10-4 1,024 x 10-5

Tabla 14. Propiedades termofísicas de los nanofluidos para el cálculo del coeficiente convectivo de calor

Estas propiedades se han calculado empleando las siguientes ecuaciones:

Conductividad térmica efectiva

�:�� = �r�rA� + ��oÔ¨8A�8[�p] Ecuación 38. Conductividad térmica efectiva

�r�rA� = [��B&∙��)3&∙�∙��B&∙��B&∙��)B�∙��B�� ] [�s] Ecuación 39. Conductividad térmica estática

��oÔ¨8A�8 = C ∙ �<� ∙ � ∙ � ∙ �� ∙ �� ∙ Õ �∙�&∙��∙=� ∙ ��,�)[�<]

Ecuación 40. Conductividad térmica considerando el movimiento browniano

Donde la función ��, �) se define:

��,�) = �<, <&p&�e ∙ � + <, <<�s�e) ��< + �<,<�<HHs ∙ � − <, <<�s��&�)[��] Ecuación 41. Relación temperatura y fracción volumétrica de la partícula

Donde T, es la temperatura del fluido y T0, es la temperatura de referencia.

Donde el término «��, �), es una función que depende de la temperatura y de la fracción

volumétrica de partícula. La correlación de �es una función del volumen de líquido que viaja

con la partícula de material definido en la Tabla 13.



Viscosidad dinámica efectiva

¼:��¼��

= ��3��,p� >�

>��<,�∙��,<� [�&] Ecuación 42. Viscosidad dinámica efectiva

Donde¾Ì��a¾�� son la viscosidad dinámica efectiva y la viscosidad dinámica de la base

fluida; R�, es el diámetro de partícula; R��, diámetro equivalente de la base fluida y �, fracción

volumétrica de nanopartícula.

A su vez, el diámetro equivalente de la base fluida se define como:

>�� = [ H7Ö��]�/� [��]

Ecuación 43. Diámetro equivalente de la base fluida

En el que M, es el peso molecular de la base fluida y N, el número de Avogadro.

Densidad efectiva

�:�� = �� − �)�� +�� [��] Ecuación 44. Densidad efectiva

Donde �Ì��y �� son la densidad efectiva y la densidad de la base fluida respectivamente, y ��,

la densidad de las partículas sólidas.

Calor específico efectivo

�m�):�� =�� − �)��m�)�� + ��m�� − �)�� +��

[�C] Ecuación 45. Calor específico efectivo

Donde -�ØÙÙy -�Ú son el calor específico efectivo y de la partícula sólida respectivamente.

El valor de las distintas propiedades que aquí se emplean, está detallado en la Tabla 14.

Por último, el número de Reynolds y el número de Nusselt que se definen del siguiente modo:

=: = ¯∙»¼ [�H]

Ecuación 46. Número de Reynolds

Donde b, es la velocidad característica del fluido; ½, es el diámetro de tubería a través del cual

circula el fluido y ¾,es la viscosidad cinemática del fluido.

Ö® = §∙»� [�e]



Ecuación 47. Número Nusselt

Donde ℎ, es el coeficiente de transferencia de calor y �, es la conductividad térmica del fluido.

Representación gráfica de las propiedades La Figura 20 muestra las representaciones gráficas de las propiedades termofísicas que se han

definido anteriormente.

-La Figura 20 (a) representa el número de Reynolds en función del número de Nusselt, donde

se concluye que conforme se aumenta el Re también se aumenta el Nu.

-La Figura 20 (b) representa la relación entre X y L (longitud del conducto) frente al coeficiente

de transferencia de calor convectivo interior, hi. Ambos parámetros son inversamente

proporcionales.

-La Figura 20 (c) representa la relación X y L frente al coeficiente de transferencia de calor

convectivo exterior, ho. Ambos parámetros, tienen una relación inversamente proporcional.



Figura 20. Representaciones de las propiedades termofísicas, (a) Relación entre el Re y el Nu; (b) Relación entre el

ratio X/L y el coeficiente de calor en la pared interna; (c) Relación entre el ratio X/L y el coeficiente de

transferencia de calor exterior

5.3.3 Resultados y discusión

En el trabajo analizado, se estudia la transferencia de calor en el espacio comprendido entre

dos superficies cilíndricas elípticas. El énfasis de este trabajo, se centra en el estudio de la

transferencia de calor, pero como resultado de ir variando ciertos parámetros, que son los

distintos tipos de nanofluidos, la distinta fracción volumétrica de nanopartícula, el diámetro de

nanopartícula y el tipo de fluido base. Las ecuaciones de gobierno fueron resueltas utilizando

el método de volumen finito con unas suposiciones concretas y con unas condiciones de

contorno adecuadas.

Como se ha explicado anteriormente, las simulaciones se han supuesto con transferencia de

calor en régimen laminar y con flujo de fluido en el espacio concéntrico elíptico con cuatro

tipos distintos de nanofluidos (anteriormente citados) como base fluido, agua pura. Los

experimentos que se desarrollaron tomaron cinco valores distintos del número de Reynold



comprendido, entre 200-1000; con cuatro fracciones volumétricas distintas en el rango 0-4% y

con diámetros de nanopartículas en el rango de 20-80nm. Los efectos de cada tipo de

partícula, fracción volumétrica, diámetro de partícula, número de Reynolds y diferentes bases

fluidas; en el número de Nusselt y en el factor de fricción son analizadas y discutidas en esta

sección.

El efecto de los diferentes tipos de partículas. El tipo de nanopartícula afecta a las propiedades del nanofluido, cada una de estos afecta de

un modo distinto a la transferencia de calor. El número de Nusselt para los distintos valores del

número de Reynold y los distintos nanofluidos se muestran en la Figura 21. Como obviamente

era de esperar, se puede ver que el nanofluido que contiene SiO2 tiene el número de Nusselt

más alto, seguido por el Al203, ZnO y CuO, respectivamente. Esto se debe a que el Si02 tiene el

valor más pequeño de la conductividad térmica con respecto a los otros fluidos, pero más alto

que el agua y además, tiene el más alto valor de la velocidad promedio entre los otros fluidos,

debido a que su densidad es la más pequeña comparada con el resto de los fluidos. El número

de Nusselt aumenta significativamente conforme aumenta el número de Reynolds para cada

uno de los cuatro tipos de nanofluidos. Esta propiedad activa a la partícula para moverse

rápidamente en el espacio entre tubos y caracteriza la principal razón para dar un coeficiente

de transferencia de calor alto. En resumen, el valor del número de Nusselt es inversamente

proporcional al valor de la conductividad térmica para cada uno de los fluidos particulados.

Figura 21. Efecto de los diferentes tipos de nanofluidos y de diferentes valores de Re en el número de Nu

El efecto de las diferentes nanopartículas en los perfiles de velocidad y de temperatura. Se puede ver claramente que el SiO2 se comporta como el nanofluido con el menor valor de

densidad, el mayor valor de presión debido al mayor valor de velocidad, seguido del CuO,

Al2O3,ZnO y agua. Esta puede ser la razón del mayor índice de transferencia de calor obtenido.



Para un valor de Reynold igual a 1000, una fracción volumétrica de 0,04 y un diámetro de

partícula de 20nm, el comportamiento de la transferencia de calor para distintos tipos de

nanopartículas en la zona concéntrica elíptica y su efecto en la temperatura de contorno

queda demostrada en la Figura 22 (b). En este caso, la menor temperatura en la interfase

corresponde con el mayor valor de la transferencia de calor convectiva. Los resultados indican

que el máximo ratio de la transferencia de calor se encuentra alrededor del tubo elíptico

interior y disminuye en la dirección radial. Sin embargo, el mayor valor de la transferencia de

calor convectivo (menor valor de la temperatura de interfase) se obtuvo empleado como

nanofluido el CuO. Esto quiere decir que los movimientos aleatorios de las nanopartículas de

CuO aumenta la dispersión térmica del mejor flujo, mejor que el agua y que otras

nanopartículas.

c



Figura 22. (a) Comportamiento de la transferencia de calor para distintos tipos de nanopartículas con Re=1000,

∅=0,04 y dp=20nm. (b) Comportamiento de la temperatura entre tubos concéntricos para distintos tipos de

nanopartículas con Re=1000, ∅=0,04 y dp=20nm.



Figura 23. (a) Efecto de las diferentes fracciones volumétricas de nanopartículas y distintos valores de Re en el

número de Nu. (b) Efecto de los diferentes diámetros de nanopartículas y distintos valores de Re en el número de

Nu. (c) Efecto de las diferentes bases fluidas y distintos valores de Re en el número de Un.

El efecto de la fracción volumétrica de nanopartículas. El efecto de la fracción volumétrica de nanopartículas en el número de Nusselt promedio con

distinto número de Reynold con un diámetro de partícula de 20nm queda explicado en la

Figura 23 (a). Para un número de Reynold dado, se puede claramente ver que el número de

Nusselt promedio aumenta conforme la fracción volumétrica de nanopartículas aumenta

debido a la conductividad térmica del nanofluido. Puede observarse también para una fracción

volumétrica particular, que el número de Nusselt promedio incrementa con un número de

Reynolds en aumento debido al gradiente de temperatura en la pared. Esto es la causa por la

que al aumentar la fracción volumétrica, aumentan los movimientos irregulares y aleatorios de

partículas que conlleva un aumento de la energía intercambiada con el fluido y

consecuentemente, aumenta la dispersión térmica del fluido.



El efecto del diámetro de partícula. La Figura 23 (b) muestra el efecto del diámetro de nanopartícula para un número de Nusselt

promedio con diferentes números de Reynolds al tener una fracción volumétrica de 4% de

Si02- con agua. De acuerdo con la gráfica, se encuentra que el número de Nusselt promedio

incrementa conforme disminuye el diámetro de partícula. Esto es debido a que el área de

interfase por unidad de volumen aumenta con la disminución del diámetro de partícula.

Además, el movimiento Browniano es mayor para partículas más pequeñas.

El efecto de las distintas bases fluidas. El efecto de los distintos tipos de bases fluidas en el número de Nusselt frente al número de

Reynolds se presenta en la Figura 23 (c). Es obvio ver que SiO2 con glicerina tiene el valor más

alto de Nusselt mientras que el SiO2 con agua tiene el menos valor de Nusselt. Esto es debido

a que la glicerina tiene el valor más alto de viscosidad hidrodinámica comparada con otras

bases de fluido y cuando las partículas de SiO2 se mezclan adecuadamente con glicerina, se

está contribuyendo a a incrementar la capacidad térmica de transporte, incrementando a la

vez el número de Nusselt.



6. Aplicaciones de los Nanofluidos

El rápido desarrollo del diseño electrónico y las aplicaciones electrónicas está tomando lugar

en la guerra y el armamento. Este fenómeno ha permitido dramáticos incrementos de las

densidades de los chips y de las densidades energéticas, así como un descenso de las

dimensiones físicas de los equipos electrónicos. Así que, el manejo térmico continúa siendo

una de las áreas más críticas en el desarrollo de los productos electrónicos. Avances en el

manejo térmico supondrá un impacto significativo en el coste, diseño completo, fiabilidad y

comportamiento de la siguiente generación de armas de tecnología que utilizan los servicios

microelectrónicos.

El departamento norteamericano de defensa(DoD) tiene varios programas de investigación

que envuelven conceptos de armas eléctricas Direct Energy (DE), en los que se emplean los

lasers con alto consumo de energía y los sistemas microwave que consumen mucha energía.

Los investigadores esperan que las armas de DE resulten una fuente de calor causando un flujo

de calor alto, en un exceso en torno de 500-1000 W/m2. Utilizando nanofluidos como fluidos

de diseño, la mejora térmica efectiva puede mejorar las armas de DE, así como la energía de

acondicionamiento electrónico (power conditioning electronics y high-powe microwave

devices).

oLee y Choi [29] usaron la aplicación de los nanofluidos para enfriar espejos de cristal de

silicona usando fuentes de rayos X de alta intensidad como la fuente de Argonne´s Advanced

Photon. Ya que el rayo de los rayos X crea un tremendo calor que golpea el espejo, con los

avances tecnológicos pueden lograrse índices de enfriamiento de 2000-3000 W/cm2. Ellos

analizaron el comportamiento de intercambiadores de calor con microtubos trabajando con

agua, nitrógeno líquido y nanofluidos. Para optimizar la configuración, el comportamiento de

un microtubo de nanofluido como refrigerante en el intercambiador de calor se comparó con

el intercambiador de calor de microtubos que empleaba agua y con el que empleaba nitrógeno

líquido. Los resultados mostraban la superioridad del nanofluido con respecto al resto de

fluidos refrigerantes. Cuando se utilizaban, las resistencias térmicas eran reducidas y las

densidades altas de energía. Para aplicaciones donde el tamaño de refrigeración completo

debe ser reducido al mínimo, los nanofluidos son refrigerantes muy atractivos. Además, la

posibilidad de la distorsión térmica y de la vibración de flujo inducida puede ser eliminada

pasando los nanofluidos a través de microcanales en el espejo silicona usado en fuentes de

alta intensidad rayos X.

La mejora de la tecnología de refrigeración con los nanofluidos podrá ser usada en equipos de

combustión interna y en ordenadores donde los chips estarán muy compactados generando

mucho más calor. Esto puede ser también beneficioso en la reducción de tamaño de los

equipos de refrigeración industriales.

Koo y Kleinstreuer [30] simularon el comportamiento de las nanopartículas de óxido de cobre

a bajas concentraciones en agua y en etilenglicol por debajo del estado vapor en el régimen

laminar en microcanales. Basándose en este estudio, ellos recomendaron las siguientes

aproximaciones del comportamiento a microescala del calor: (i) uso del alto valor del número



de Prandtl en fluidos caloportadores; (ii) nanopartículas en concentraciones volumétricas en

torno al 4% con altas conductividades térmicas; (iii) constante dieléctrica próxima a la del

fluido caloportador.

Chein y Huang [31] analizaron el comportamiento de un microtubo de silicona usando

nanofluidos de cobre y agua. Debido al incremento de la conductividad térmica y de los

efectos de dispersión térmica, ellos encontraron que el comportamiento mejora

significativamente para dos geometrías específicas cuando los nanofluidos se emplean como

refrigerantes. Además, ellos concluyeron que la existencia de nanopartículas en el fluido no

producía presión extra al fluido ya que las partículas eran de pequeño tamaño y con una

concentración volumétrica por encima del 2%.

Nguyen y al. [32] también estudiaron el hecho de la transferencia de calor usando nanofluidos

como fluidos refrigerantes en microprocesadores. Ellos analizaron numéricamente varias

concentraciones volumétricas de nanofluidos con agua y Al2O3 y para varios valores del

número de Re. Los resultados numéricos predicen que la inclusión de partículas en el interior

de la base fluida produce un notable efecto en la mejora de transferencia de calor.

6.1 Gestión de los vehículos térmicos

Choi et al. [33] mostraron que los nanofluidos tienen el potencial de ser reconocidos como una

nueva generación de refrigerantes para la gestión de vehículos térmicos debido a su mayor

conductividad térmica en comparación con los fluidos base. El requerimiento de calor de los

automóviles y camiones están en continuo crecimiento.

Ollivier et al. [34] investigaron la posible aplicación de los nanofluidos como una camisa de

agua refrigerante en una máquina de ingnición con chispa de gas. Ellos desarrollaron

simulaciones numéricas de transferencia de calor a través de un bloque cilíndrico y el flujo de

refrigerante dentro de la tubería. Ellos han enseñado el por qué de una difusividad térmica

mayor en los nanofluidos, que sufría un aumento del 15% por encima de los valores predichos

que utilizaban agua sola.

Las células de fuel son nuevos desarrollos en el campo de la generación de energía que

envuelve notables cantidades de calor y másicas intercambiadas. Sin embargo, el fenómeno de

intercambio de calor ocurre dentro de una célula de fuel o en sistemas auxiliares de calor, los

nanofluidos pueden ser empleados para mejorar la transferencia de calor y subir la eficiencia

de la célula de fuel.



6.2 Gestión térmica de avanzadas armas y buques

La US DoD está desarrollando una nueva generación de energía de pulso para las armas, todos

los buques de guerra eléctricos y avanzados sistemas eléctricos, todos ellos producen grandes

cantidades de calor. El calor desperdiciado de estos sistemas podría ser del orden de

megavatios. Además, la gestión térmica de las armas puede ser conseguido simultáneamente

con la circulación de nanofluidos que transporten el calor desde componentes con flujo de

calor críticos, en un exceso de 1000W/cm. Este ahorro de calor supondrá un ahorro en los

costes de fuel en último lugar.

6.3 Aplicaciones en el calentamiento y enfriamiento de edificios

Varios nanofluidos pueden ser empleados en intercambiadores de calor convencionales que

son usados en los edificios de regiones frías. El análisis de las aplicaciones de los nanofluidos

podía resultar una reducción del flujo volumétrico, reducción en el ratio de flujo másico y

ahorros de energía de bombeo. Los nanofluidos son también requeridos en sistemas de calor

más pequeños con el objetivo de ser capaces de repartir la misma cantidad de energía térmica,

además de reducir el tamaño y el coste inicial de los equipos. Esto reducirá la emisión de

contaminantes al medio ambiente debido a la reducción del consumo de energía y el gasto

producido al final del ciclo de vida del sistema de transferencia de calor. En los sistemas de

refrigeración los nanofluidos pueden ser usados en lugar de agua helada, que es lo

comúnmente usado en conductos de aire acondicionado.

6.4 Aplicación de los nanofluidos en sistemas de absorción térmica

Los sistemas de absorción térmica son una alternativa a los sistemas de compresión de vapor,

los cuales podían conducir a ciertos problemas ambientales, como son el calentamiento global

y la destrucción de la capa de ozono debido al uso de ciertos refrigerantes. El absorbente es el

componente más crítico en los sistemas de absorción. Con el objetivo de mejorar el

comportamiento del absorbente, algunos estudios se han llevado a cabo. Kim et al. mostraron

que por la adición de nanopartículas de Cu, CuO, y Al2O3 en soluciones de amoniaco y agua

mejoraban el comportamiento de absorción.

Queda demostrada la mejora del comportamiento de los nanofluidos cuando se usan mezclas

de etilenglicol y agua, y metanol y aceite de silicona.



7.- Aplicación de los HTF (Heat Transfer Fuids) en Centrales Solares

7.1 Introducción.

En los últimos años, el uso de la energía solar ha tenido una ventaja muy remarcable frente al

resto de fuentes de energía. La percepción de escasez de combustibles fósiles así como las

consideraciones ambientales que supone el uso de los combustibles fósiles, hace que el uso de

estos en el futuro se esté deteniendo. En estos aspectos, lamentablemente, se hace un mayor

hincapié cuando al mismo tiempo el precio de los combustibles fósiles se encuentra en un

continuo aumento. Además, las investigaciones actuales están motivadas a encontrar recursos

energéticos alternativos.

Actualmente, la energía procedente del Sol que recibe el planeta en una hora, es igual a la

consumida por el mismo en un año completo. La mayor parte de las aplicaciones de energía

solar son viables económicamente incluso en concreto, para los sistemas pequeños que usan

energía solar que consumen solo algunos kilowatios de energía.

A continuación, se van a presentar las distintas aplicaciones de los nanofluidos en instalaciones

solares, mayoritariamente en colectores solares e intercambiadores de calor. Se va a llevar a

cabo un análisis de ambos equipos desde el punto de vista económico, de eficiencia en el

funcionamiento y, teniendo en cuenta los aspectos medioambientales. Además, se expondrán

otras aplicaciones posibles dentro de las centrales termosolares: almacenamiento, celdas

solares y destilación solar (más conocido por el término anglosajón “solar stills”).

Por último, se detallarán las últimas investigaciones que se están llevando a cabo sobre los

futuros campos de aplicación de estos sistemas y se expondrán los retos que habrá que

afrontar.

7.2 Aplicación de los nanofluidos en las centrales solares

Los estudios que se han descrito en este documento, entre otros la conductividad térmica de

los nanofluidos y sus propiedades ópticas; alcanzan una vital importancia en la mejora del

comportamiento de los equipos solares. En este apartado, de forma más general se detallará

los estudios que se han desarrollando sobre las aplicaciones de los nanofluidos en paneles

solares y en los intercambiadores de refrigeración desde el punto de vista de eficiencia,

económico y también teniendo en cuenta los aspectos medioambientales.



7.2.1 Colectores solares e intercambiadores de calor en los sistemas de paneles solares

Los paneles solares son un tipo concreto de intercambiadores de calor que transforman la

energía solar en energía interna de transporte medio. Estos equipos absorben la energía de

radiación procedente del Sol y la transfieren a un fluido (normalmente, agua, aceite o aire),

que se encuentra circulando a través del colector. La energía que se consigue colectar es

transportada a través de un fluido de trabajo, o bien porque el fluido en cuestión es

directamente el agua caliente a usar o bien pasa a un tanque de almacenamiento que está

diseñado para que se tenga energía disponible en los días nublados o por la noche.

Los intercambiadores de calor que emplean agua son los equipos más conocidos en el campo

de la energía solar.

Ambos equipos, han sido analizados desde dos puntos de vista: desde el punto de vista de la

eficiencia frente a los sistemas convencionales y en segundo lugar, desde un punto de vista

económico y medio ambientalmente hablando.

Eficiencia de los paneles solares basados en el uso de nanofluidos. Tyagi et al [35] investigaron el efecto de diferentes parámetros en la eficiencia de un colector

solar de absorción (en inglés absorption solar collector [DAP]) de baja temperatura que usaba

nanofluidos, donde el nanofluido en cuestión se trataba de una mezcla de agua y

nanopartículas de aluminio.

En la Figura 24 se muestra un esquema de la absorción de la radiación solar en un panel solar.

Se puede observar que en la parte superior del equipo, se encuentra un cristal de vidrio

mientras en la parte inferior está totalmente aislado, considerándose un sistema adiabático.

Figura 24. Esquema de la absorción de la energía solar en un panel solar

La eficiencia del panel solar se define con la Ecuación 48:



� = G8:o í�úrA�G8:o í�>A�Ô8A��: = $ ∙ �� ∙ �� − �:8r)

� ∙ E�[�p]

Ecuación 48. Eficiencia de un panel solar

Donde ', es el flujo másico que circula a través del panel solar; V�, es el calor específico del

fluido en cuestión y ��6Ý a�ÌkÞ, corresponden con la temperatura de entrada y de salida del

fluido. ), es el área de la cubierta del colector y por último, IÍ,es el flujo que incide sobre el

panel solar. En el análisis realizado por Tyagi et al. se tomaron los siguientes valores como

referencia para comparar la eficiencia:

' = 1,2 �ßT ;�ÌkÞ = 35º-aIÍ = 1000 á'1

A continuación, se analizó la variación de la eficiencia del colector en función de la

concentración volumétrica de partículas (%), donde la concentración volumétrica variaba de

0,1% a 5%; como se muestra en la Figura 25:

Figura 25. Efecto de la concentración volumétrica en la eficiencia del panel solar

Los resultados muestran que añadiendo nanopartículas al fluido de trabajo, la eficiencia del

panel solar tiene un incremento más remarcable cuando se trata de concentraciones de

nanopartículas más pequeñas. El incremento de la eficiencia del panel solar se atribuye a un

incremento en la atenuación de la luz pasando por el panel debido a la adición de las

nanopartículas. Sin embargo, para una concentración de nanopartículas superior al 2%, la

eficacia del panel permanece prácticamente constante; por tanto, la adición de partículas deja

de ser beneficioso.



También se llevó a cabo la investigación del efecto del tamaño de partícula en la eficiencia del panel cuando la

concentración de sólidos permanecía constante e igual a un 0,8% v/v. (

Figura 26).

Figura 26. Efecto del tamaño de la nanopartícula en la eficiencia del colector para una concentración de sólidos

dada

Los resultados revelan que la eficiencia del panel solar se ve incrementada lentamente

conforme aumenta el tamaño de la nanopartícula.

Además, por otro lado; Otanicar et al. [36] investigaron experimental y numéricamente el

efecto de utilizar distintos nanofluidos (nanotubos de carbón, grafito y plata) en el

comportamiento a microescala del colector solar de absorción directa (en inglés direct

absorption solar collector [DASC]). El esquema del funcionamiento de este equipo se muestra

en la Figura 27; además, se muestran las dimensiones del mismo.



Figura 27. Esquema del sistema de panel solar con absorción directa.

En la Figura 28, se muestra la variación de la eficacia del colector en función de la fracción

volumétrica para diferentes materiales.

Figura 28. Eficacia del colector solar DASC en función de la fracción volumétrica.

Como se muestra en la Figura 28, añadiendo pequeñas cantidades de nanopartículas supone

una mejora sustancial de la eficiencia del panel solar. Para este caso, el incremento de la

eficiencia tiene lugar hasta una concentración de sólidos de 0,5% v/v. Después de esta

concentración de sólidos, la eficiencia del panel solar empieza a mantenerse constante para

ciertos materiales y para otros, incluso se produce una disminución de la misma.

El efecto del tamaño de partícula para esta configuración se muestra en la Figura 29, para un

material concreto de nanopartícula y para distinta concentración de nanopartícula.



Figura 29. Eficiencia del panel solar en función del tamaño de la nanopartícula de plata y de la concentración

volumétrica de la misma.

Taylor et al. [37] llevaron a cabo una comparación entre un panel solar convencional y un

panel solar que utilizaba nanofluidos como fluidos caloportadores. Sus resultados concluyen

que el uso de un nanofluido en el colector puede mejor la eficiencia del mismo en un 10%.

Además, concluyen que para plantas solares de 10-100MWe, usando un nanofluido que

contenga nanopartículas de grafito en una concentración de 0,001% aproximadamente, puede

ser beneficioso. Plantearon dos posibles configuraciones para el desarrollo de la absorción

solar con el uso de nanopartículas (Figura 30).

Figura 30. (a)Diseño conceptual de un colector usando un nanofluido y un cristal en la parte superior. (b)Diseño

conceptual de un colector usando un nanofluido sin cristal en la parte superior. (c)Diseño conceptual de una torre

de energía con absorción sólida.

Los investigadores He et al. [38] compararon el comportamiento de un colector solar que

empleaba nanofluidos con nanopartículas de �N.1, con otro nanofluido que empleaba

nanopartículas de nanotubos de carbón (CNT). Se conseguían mayores temperaturas con el

nanofluido agua-CNT, por lo que lo convierte en un fluido más adecuado para ser utilizado en

colectores solares de vacío.



Los investigadores Li et al. [39] también llevaron a cabo una investigación del comportamiento

de los nanofluidos en función de la nanopartícula que se encontraba dispersada. En concreto

analizaron: )�1.Z/agua, ZnO/agua y MgO/agua en un colector solar tubular. De entre estos

fluidos, concluyeron que el nanofluido formado por ZnO-agua en una concentración 0,2% v/v

era la mejor elección para el colector solar.

Otra configuración desarrollada por los investigadores Khullar et al. [40] se denomina colector

solar parabólico concentrador con nanofluido (en inglés nanofluid concentrating parabolic

solar collector [NCPSC]). Además, llevaron a cabo la comparación con los resultados obtenidos

en un colector parabólico convencional bajo las mismas condiciones. Para ello, utilizaron

nanopartículas de aluminio en una concentración del 0,05% v/v suspendidas en “therminol VP-

1” como fluido base. Se puede observar esta configuración en la Figura 31. En la Figura 32, se

exponen los resultados comparativos obtenidos, pudiéndose concluir que supone una mejora

del 5-10% bajo las mismas condiciones atmosféricas.

Figura 31. Esquema del NCPSC.

Figura 32.Comparación de le eficacia de un colector convencional con un colector que utiliza nanofluidos



Figura 33. Esquema del experimento para comparar un panel solar con un panel que utiliza nanofluidos

Figura 34. Eficiencia de un panel solar que utiliza agua, agua y Al2O3 en distintas concentraciones.

Yousefi et al. [41] realizaron experimentos para determinar la eficacia de los colectores solares

variando la concentración de nanopartículas. Usaron el esquema que se muestra en la Figura

33. De la Figura 34, se pueden extraer las siguientes conclusiones: la eficiencia del colector

sigue siendo más favorable cuando se trabaja con una concentración de sólidos pequeña (0,2%

v/v es más favorable que una concentración de nanopartículas del 28,3%) y además, se

obtienen mejores eficiencias cuando el fluido utiliza surfactantes en vez de agua.



Figura 35. Influencia del pH en la eficacia de un panel solar.

Estos mismos investigadores, profundizaron en el efecto de la variación del pH cuando se

emplean nanofluidos que poseen nanotubos de carbón con agua como fluido base. Emplearon

un 0,2% v/v de MWCNT (Multi wall carbon nano tubes) con unos valores de pH de 3,5; 6,5 y

9,5; usando además, Triton X-100 como aditivo. Se determinó que cuanta mayor diferencia hay

entre el pH del nanofluido y el punto isoléctrico, mayor es la eficacia del colector. El punto

isoléctrico es el punto en el que las moléculas no tienen energía eléctrica. Para la mezcla de

nanopartículas anterior, el punto isoléctrico se encuentra a un pH 7,4. La eficacia del panel

solar se puede observar en la Figura 35.

Consideraciones económicas y medioambientales. En esta sección, se presentan algunas consideraciones de carácter económico y mediombiental

de los paneles solares que usan nanofluidos. Otanicar and Golgen [42] compararon los

aspectos económicos y medio ambientales usando un panel solar convencional frente a un

panel solar que empleaba nanofluidos, en concreto un panel solar localizado en Phoenix

(Arizona). (Ver Tabla 15)



Tabla 15. Comparación económica entre un panel solar convencional y un panel solar con uso de nanofluidos.

Los análisis económicos que se evaluaron en sus estudios, muestran que el coste del capital y

los costes de mantenimiento de un colector que emplea nanofluidos frente a un colector

convencional son 120$ y 20$ mayor, respectivamente. Sin embargo, debido a una mayor

eficacia de los equipos y por ende, la cantidad de energía solar que es capaz de recolectar; el

ahorro de combustibles fósiles por año, ambos en electricidad y gas natural; es mejor el uso de

un panel solar que emplee nanofluidos que un colector convencional. Además, debido al

elevado coste de los nanofluidos comparado con un fluido normal, el periodo de retorno de un

panel solar que utilice nanofluidos es más largo, pero al final de su vida útil, tiene el mismo

ciclo de vida total que un colector convencional.

En la Tabla 16 se muestran los balances de energía totales consumidos, tanto para un panel

convencional como para un panel que emplea nanofluidos.



Tabla 16. Consumos de energía consumida en MJ/kg para varios tipos de colectores solares.

Como se ha podido comprobar en la tabla anterior en total, se puede ahorrar un 9% de energía

al emplear un panel solar que emplee nanofluidos.

Además, en la Tabla 17 se pueden analizan desde otro punto de vista adicional, desde las

emisiones de CO2 a la atmósfera.

Tabla 17. Emisiones en kg y ahorro que se produce al año.

Durante la fabricación del panel solar que utiliza nanofluidos se produce un ahorro de 34kg de

CO2 con respecto a un panel solar convencional. Por otro lado, durante su operación se

produce un ahorro de 50kg al año de CO2. Las magnitudes de otras emisiones, incluyendo de

SOx y NOx, apenas si son de un 6% en la fabricación; por lo que no son considerables.

Por último, en la Tabla 18 se muestran las principales conclusiones que se pueden determinar

tras los estudios realizados comparando los paneles con nanofluidos y paneles convencionales



Tabla 18. Resultados obtenidos tras la experimentación con nanofluidos en colectores solares

7.2.2 Otras aplicaciones

En esta sección, se expondrán otras aplicaciones de los nanofluidos dentro del campo de la

energía solar como puede ser en el almacenamiento de la energía solar, en las celdas solares y

en destilación solar. En este campo de investigación, los recursos son más escasos aún que en

el resto de áreas.

Almacenamiento de la energía térmica. Las instalaciones de energía solar convencionales requieren un sistema de almacenamiento

intermedio para conseguir una mayor conductividad térmica así como una mayor capacidad

calorífica. Sin embargo, son muy pocos los materiales disponibles que posean dichas

propiedades además de poder ser aplicables a estas temperaturas. Recientemente, Shin and

Banerjee [43] la anómala mejoría del calor específico de los nanofluidos a altas temperaturas.

Algunas de las conclusiones a las que se llegaron es que añadieron nanopartículas de sales

alumínicas a las nanopartículas de sílice se producía un aumento del 14,5% de la capacidad

específica de calor del nanofluido. Otras de las soluciones posibles que se propusieron para

mejorar las propiedades del nanofluido era cambiar el fluido base agua por un parafino.



Celdas solares Las celdas solares de refrigeración pueden mejorar la eficiencia de los servicios solares. Los

nanofluidos pueden ser usados como una solución para enfriar las celdas solares. Elmir et al.

[44] simularon el enfriamiento de una celda solar de silicona.

Figura 36. Variación del Nu con respecto a la variación de concentración de nanopartículas.

Como se puede observar en la Figura 36, conforme se aumenta la cantidad de nanopartículas

que se van adicionando se produce un aumento en el número de Nusselt, y por tanto, se

produce un aumento del ratio de refrigeración.

Destilación solar La demanda de agua potable está en continuo aumento debido al crecimiento rápido de la

población y además, debido a la incontrolable contaminación de los recursos que se disponen.

De acuerdo con la Organización Mundial de la Salud, cerca de 2,8 billones de personas (que

corresponden con un 40% de la población mundial) no tienen acceso a agua potable. En las

regiones áridas del plante, la previsión de agua potable es aún más crítica. En estas regiones,

los sistemas de desalinización solares pueden solventar parte del problema donde la energía

solar es abundante y sí está disponible. Son algunos los investigadores que ampliaron su

estudio en los nanofluidos como aplicación en la destilación solar para mejorar la

productividad de los mismos.

Entre otros, los experimentos que llevaron a cabo, fue la adición de CNTs en el agua dentro de

la celda de destilación solar del agua. Con esta adición, se mejoraba la eficiencia del equipo en

un 50%. Sin embargo, no se llegó a determinar cuál fue la cantidad necesaria de nanopartículas

a adicionar para conseguir esta mejora.

Es evidente, que el uso de las nanopartículas en estas celdas de destilación solares, el coste

con respecto a un sistema convencional es más elevado. Hay que tener en cuenta que estos

sistemas tendrían la opción de recuperar las nanopartículas, ya que son sistemas cerrados

dónde el nanofluido no está fluyendo.



7.3 Futuras aplicaciones

El estudio del arte de los nanofluidos y sus aplicaciones en la energía solar se encuentra en su

infancia aún. Son muchas las posibles aplicaciones de los nanofluidos en el campo de la energía

solar que aún se encuentra en estudio.

Entre otras, las posibles aplicaciones de los nanofluidos son en los sistemas

fotovoltaicos/térmicos. Este tipo de sistema es un sistema híbrido que aprovecha la energía

solar para convertirla en electricidad y en energía térmica. Anteriormente, se han mencionado

estudios en los que se aplicaban los nanofluidos en intercambiadores de calor o electrónico,

por lo que, este tipo de aplicación no es del todo remota.

Por otro lado, en los últimos años, ha crecido el interés por el desarrollo de los sistemas

termoeléctricos. Las celdas termoeléctricas pueden ser usadas para convertir la energía solar

en energía eléctrica debido a la diferencia de temperatura entre las dos caras. Una mayor

diferencia de temperatura entre la cara caliente y la cara fría de la celda se traducirá en una

mayor producción de la energía eléctrica. La Figura 37 muestra el esquema de este tipo de

sistema con la aplicación de los nanofluidos.

Figura 37. Esquema de una celda termoeléctrica.

Otra de los posibles usos futuros de los nanofluidos es en las balsas solares. El gradiente de

temperatura que hay en el interior de una balsa hace que se vaya produciendo la saturación

del agua conforme aumenta la profundidad de la misma. De este modo, en la balsa se puede

llevar a cabo la transformación de la energía solar en energía térmica que va adquiriendo el

fluido. Esta agua podría emplearse en distintas aplicaciones industriales. Como se puede

observar en la Figura 38 al lado de la balsa se puede colocar un intercambiador de calor que

emplee un nanofluido para aprovechar el calor que tiene el fondo de la balsa.



Figura 38. Balsas solares con empleo de nanofluidos.

7.4 Aspectos que se deben mejorar del uso de los nanofluidos

7.4.1 Elevado coste

El primer aspecto que se debe mejorar para que el uso de los nanofluidos en los sistemas de

energía solar sea posible es el elevado coste de los nanofluidos debido sobre todo, a las

dificultades de producción que tienen.

7.4.2 Inestabilidad y aglomeración

La inestabilidad y la aglomeración de las nanopartículas es otro de los problemas que

presentan los nanofluidos. Ante este problema, se debe hacer un mayor énfasis dentro de sus

aplicaciones en las centrales solares ya que en estas la convección del fluido es convección

natural, lo que implica que no conlleva el uso de bombas para su impulsión. A tener en cuenta

también, el que conforme se produce un aumento de la temperatura se favorece la

aglomeración de las partículas.

7.4.3 Energía de bombeo y caída de presión

El uso de los nanofluidos implica una mayor viscosidad del mismo comparado con los fluidos

térmicos convencionales, implicando un aumento de la pérdida de carga cuando el fluido fluye

y en consecuencia, se requiere una mayor cantidad de energía de bombeo.

7.4.4 Erosión y corrosión de los componentes



La existencia de nanopartículas en un nanofluido se puede producir la corrosión y la erosión de

los equipos a lo largo del tiempo. De entre las nanopartículas que suelen emplearse en los

nanofluidos, son las nanopartículas de aluminio, las que presentan una mayor erosión en las

tuberías.



8.- Conclusiones

En este apartado a modo de desenlace, se expondrán las principales conclusiones y aspectos

de los nanofluidos y aplicaciones, que pueden ser ampliados.

Del primer capítulo podemos extraer la importancia de los fluidos caloportadores en la

actualidad. La variedad de aplicaciones que tiene en la industria y la limitación de los fluidos

que se emplean actualmente como fluidos caloportadores. Por ello, este tema de nanofluidos

tiene una mayor importancia de la que la población actual y la industria tienen en

consideración actualmente. Como se irá desarrollando, sus ventajas hacen que el nanofluido

pueda pisar fuerte en la industria. Como también se expondrá, para que el uso de los

nanofluidos llegue a ser comercial, debe existir un amplio abanico de estudios teóricos y por

supuesto, experimentales que estudien las consecuencias de su uso y mejoren en continuo sus

inconvenientes. De este modo, se podría crear un mercado de estos nanofluidos que los

hiciesen competitivos con el resto de heat transfer fluid.

En el segundo capítulo se han expuesto los principales usos de las nanopartículas y de los

nanofluidos, así como sus ventajas e inconvenientes. Por continuar con el orden anteriormente

citado, uno de los principales inconvenientes que presenta el uso de las nanopartículas es la

dificultad de visualización a simple vista. Es por ello, según mi criterio, un posible campo de

investigación, citado también en este documento, tener la capacidad de visualizar en

ordenador al mismo tiempo que se está visualizando a nanoescala. De este modo, se podría

visualizar a una escala visible para el ser humano la morfología y características de estas

nanopartículas. Además, se tiene que profundizar en los inconvenientes que conllevan el uso

de este tipo de partículas debido a su tamaño. Es obvio pensar que pueden existir

inconvenientes medio ambientales en su uso por dificultad para controlar su emisión y

recuperación, así como, los efectos que tienen en el ser humano estar en contacto con ciertas

nanopartículas. Habría que estudiar qué consecuencias conllevan según la naturaleza de las

nanopartículas, por ejemplo.

Sin embargo, como se ha expuesto en este capítulo citado; el uso de nanofluidos supondrá

también ventajas medio ambientales, entre otras. Por ejemplo, el uso de nanofluidos supone

una reducción de consumo con respecto al fluido caloportador convencional que se viene

empleando, por tanto, supondrá un ahorro energético. Siguiendo la cadena, finalmente este

ahorro supondrá una reducción del consumo de CO2 que habría que cuantificar y entrar en

detalle para, como se ha mencionado anteriormente, conseguir que el nanofluido sea

competitivo con el resto de fluidos htf usados.

En el tercer capítulo se exponen las distintas nanopartículas que se emplean para la

elaboración de los nanofluidos. Al exponerse estas, se exponen también los métodos de

síntesis de estas nanopartículas y los métodos de dispersión posteriores en el fluido base. Con

estos métodos de síntesis de las nanopartículas se puede observar la importancia de cada uno

de los métodos y su complejidad, además de la variación de un método u otro en función de la

naturaleza de la nanopartícula que se trate.



Básicamente el método de síntesis de los nanofluidos se podía clasificar en dos, en una sola

etapa y en dos etapas. Según los estudios que se analizaron para este documento, se podía

concluir que el método de una sola etapa es preferible usarlo cuando se vayan a sintetizar

nanopartículas puramente metálica. Por otro lado, utilizar el método de dos etapas cuando se

trate de nanopartículas de óxidos metálicos o los nanotubos de carbón.

Como se ha visto, en el capítulo 4, se detalla el análisis de las propiedades termofísicas de los

nanofluidos. Para ello, se exponen las condiciones en las que se han realizado estos análisis, las

nanopartículas empleadas y las técnicas experimentales que se han usado. De estos análisis,

con el estudio de optimización al que se hace referencia en el estudio usado, se puede concluir

que las fuerzas predominantes son las fuerzas de viscosidad frente a la conductividad térmica y

la transferencia de calor convectiva. Por ello, a la hora de tomar criterio para elegir qué

nanofluido elegir hay que tener en cuenta el incremento de viscosidad con la adición de las

nanopartículas, el resto de parámetros termofísicos que se han analizado mejoran siempre con

la adición de una cantidad de nanopartículas considerable.

En el capítulo 5, se ha tratado la transferencia de calor en los nanofluidos, para un espacio

concreto. Se trata de un espacio bastante usual en la industria de la refrigeración, como es dos

superficies elípticas concéntricas. Con el análisis desarrollado en este capítulo se podrá llegar a

un punto óptimo de selección del nanofluido según la aplicación concreta o las necesidades

que se requieran.

Se evaluaron el efecto del tipo de nanopartícula empleada, la influencia de la nanopartícula en

el perfil de velocidad y de temperatura, el efecto de la fracción volumétrica, del diámetro de la

nanopartícula y de la base fluida elegida. Estos parámetros se compararon con el número de

Nu . Como conclusión, para elegir el nanofluido óptimo hay que buscar un equilibrio de todos

estos parámetros influyentes en el Nu.

Por último, en este documento se han listado las aplicaciones de los nanofluidos. Se ha

introducido en mayor profundidad las aplicaciones en las centrales termosolares. Además, se

han expuesto los principales aspectos que se deben mejorar.

En este último punto está la clave de la investigación de los nanofluidos. Estos aspectos deben

ser estudiados en profundidad para conseguir una mayor mejora de estos y hacerlos

competitivos. El coste de los nanofluidos debe ser competitivo con el resto de fluidos

caloportadores mejorando sobre todo los costes de producción, haciendo el procedimiento

más accesible. Hay que estudiar la energía de bombeo y los problemas de erosión que puedan

ocasionar en los equipos que trabajan con nanofluidos. Estas pautas requieren

experimentación a pequeña escala y a escala industrial para conocer sus consecuencias y sus

posibles mejoras.

Por último, no se puede terminar el estudio del arte sin adelantar algunos aspectos a

considerar que no han sido englobados en este documento, al menos en profundidad. Sería

conveniente un estudio en profundidad de las consecuencias medio ambientales del uso de los

nanofluidos y consecuencias para el ser humano.



La continuación de este estudio en los términos que se han avanzado implica aportación

económica y apoyo institucional para poder continuar con el estudio.



9.- Anexos

9.1 Proyecto Nanohex

9.1.1 Introducción

Nanohex es el proyecto colaborativo más grande del mundo para la búsqueda y el desarrollo

de nanofluidos refrigerantes. Nanohex está constituido por un consorcio de 12 organizaciones

europeas y centros de investigación con un presupuesto de 8,3 millones de euros.

Los objetivos de Nanohex es desarrollar y optimizar los procesos de producción de nanofluidos

refrigerantes para el uso industrial. Estos estudios analíticos pretenden predecir el

comportamiento de estos fluidos refrigerantes que algunos aún no se han demostrado.

Los nanofluidos han mejorado significativamente las propiedades termodinámicas en

comparación con los fluidos refrigerantes tradicionales; beneficios técnicos y comercialmente

viables con el medio ambiente, los objetivos de Nanohex son producir un nanofluido que

pueda ser fabricado, utilizado y reciclado de forma segura.

La eliminación eficiente de calor es uno de los principales desafíos que enfrenta a una serie de

industrias, incluyendo la microelectrónica, el transporte, la fabricación y la generación de

energía. Con las tecnologías de refrigeración existentes de llegar a su límite, se necesitan

tecnologías de refrigeración innovadoras y más eficientes para apoyar el desarrollo tecnológico

y reducir el impacto de estas tecnologías en el medio ambiente. El nanofluido desarrollado por

Nanohex se aplicará en los sistemas de refrigeración sobre todo en centro de datos y en la

alimentación de sistemas electrónicos. Se ilustrará cómo el nanofluido puede ayudar a

extender la fiabilidad del producto, cómo además ayudará a reducir el consumo de energía,

menores costes de operación, reducir las emisiones de carbono, y en última instancia, permitir

el desarrollo de más sostenible productos y procesos dentro de la industria.

9.1.2 Objetivos Nanohex

•Traducir los resultados de investigación de las plantas piloto de nanotecnología, basándose

en los resultados de laboratorio, para la producción de nanofluidos refrigerantes con

aplicaciones industriales.

• Investigar y avanzar de forma científica el comportamiento y las propiedades térmicas de los

nanofluidos

• Desarrollar un modelo analítico para simular y predecir la transferencia de calor de

nanofluidos refrigerantes formulados.



• Optimizar la formulación de nanofluidos refrigerantes a través del control del proceso de

síntesis y el conocimiento de las ciencias físico-químicos subyacentes.

• Diseño y desarrollo de dos pequeñas líneas piloto para la fabricación de Nanohex fluidos

refrigerantes.

• Entregar el ahorro de energía, y la explotación segura y fiable de nanofluidos refrigerantes en

el enfriamiento de la electrónica, dirigida principalmente centros de datos y aplicaciones de

electrónica de potencia.

El proyecto Nanohex está diseñado para superar los desafíos y cuellos de botella tecnológicos

clave, a fin de desarrollar una nueva generación de nanofluidos refrigerantes de alto

rendimiento, para su uso en la industria.

Por lo tanto, las nanopartículas utilizados por Nanohex se podrán obtener directamente de su

laboratorio (ENEA, ITn, Dispersia) o adquirirse del mercado comercial. Una vez que los

principales candidatos para elaborar los nanofluidos han sido identificados y justificados, y la

ruta básica de síntesis definida, se desarrollará la planta piloto:

Una etapa simple de línea piloto será construida y desarrollada por ItN usando química “seca”

en la síntesis de nanofluidos refrigerantes.

Una segunda etapa de línea piloto que dispersa las nanopartículas secas disponibles

comercialmente en un fluido portador que será diseñado específicamente y ensamblado para

producir completamente los nanofluidos formulados.

Se llevan a cabo diferentes análisis con el fin de verificar pureza, calidad, estabilidad y

compatibilidad.

9.1.3 Modelo analítico.

Datos preliminares sugieren que los nanofluidos poseen propiedades térmicas superiores y

podrían aumentar significativamente la refrigeración en comparación con los actuales, fluidos

corrientes usados para aplicaciones de refrigeración industriales.

Led by ISIS es el consorcio que investagará el comportamiendo de nanofluidos refrigerantes

seleccionados usando análisis teóricos, simulaciones numéricas, modelos numéricos y

experimentales, para conseguir explicación más profunda del comportamiento de los

Nanohex-nanofluidos refrigerantes.

Un trabajado modelo analítico será concebido para predecir el comportamiento de la

transferencia de calor en refrigerantes nanofluidos seleccionados, con referencia particular de:

-Cálculo de la conductividad térmica.



-Transferencia de calor entre el refrigerante y la pared del canal.

9.1.4 Áreas de aplicación

Muchos negocios están enfocándose duramente en encontrar caminos innovadores para

reducir su consumo de energía y prolongar su rentabilidad, ya las reservas de energía globales

se están agotando y los costes continúan creciendo.

Los sistemas de transferencia de calor convencionales asociados con las industrias como la

microelectrónica, transporte, manufactoración, generación de energía y muchas otras

tecnologías han ido quedándose atrás. La refrigeración prueba un gran cambio para muchas

industrias, donde la operación del equipo puede producir una gran cantidad de calor

superfluo, y este en un futuro podría ser inhibido por la actuación de las futuras tecnologías en

términos de diseño y eficiencia.

Los líquidos suelen ser usados en sistemas de refrigeración para ayudar con la disipación de

calor o mantener una temperatura constante pero un nanofluido refrigerante puede mejorar

significativamente el proceso de refrigeración, beneficiando a una amplia cantidad de

industrias, como son maquinaria industrial, ingeniería eléctrica, equipamiento médico,

generación de energía y los procesos industriales.

Para demostrar una fabricación segura, eficiente, fiable y mejorando los beneficios

refrigerantes de un sistema de transferencia de calor que incorpora un nanofluido frío,

Nanohex desarrollaría demostraciones para las aplicaciones en centros de datos y en energía

electrónica.

Centro de datos Los centros de datos representan un 2% de las emisiones de carbón globales, una cifra igual a

los viajes aéreos. Un sistema de refrigeración eficiente es, sin embargo, esencial para un

centro de datos; reduciendo el rendimiento y la fiabilidad, e incrementando la probabilidad de

descarga electroestática, que puede dañar el equipo.

Como la industria demanda microprocesadores más rápidos y más pequeños, el ritmo de

desarrollo para la producción de chips más potentes ha superado las capacidades de los

sistemas de enfriamiento tradicionales usados en los Centros de Datos.

El avance en los equipos convencionales se acerca a la búsqueda de una mejora de la

transferencia de calor en sistemas de enfriamiento, incrementando la superficie de

transferencia y enfriando activamente los refrigerantes empleados. Esto es en ocasiones

impracticable. Un nuevo nanofluido refrigerante para la mejora de las capacidades de

transporte de calor puede no solo reducir significativamente la energía gastada en centro de

datos sino que también proporciona elementos más compactos, que ayudarán a maximizar el

espacio disponible.



La extracción eficiente del calor de los servidores de ordenador, teclas y cabinas facilitaría la

demanda de aire acondicionado en la habitación de los servidores, reducir el tamaño de las

unidades de frío y mejorar el comportamiento del sistema. Todos estos cambios proporcionan

considerables ahorros. Las reducciones de energía y el reciclo del calor capturado en la

refrigeración podría ayudar a cortar emisiones de carbón y ceder mejores niveles de eficiencia

y sostenibilidad para el desarrollo de nuevos procesos de fabricación y productos.

Power Electronics Los nanofluidos elaborados a través de este proyecto, nanofluidos Nanohex serán aplicados en

los sistemas de refrigeración de Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT), los módulos de

energía electrónica usados para la tracción de los trenes de alta velocidad.

La energía electrónica controla el flujo de energía, compartiendo el voltaje suministrado por

medio de aparatos semiconductores como IGTBs. La energía electrónica puede ayudar a

incrementar la eficiencia energética de los equipos y procesos que utilizan energía eléctrica y

además, los límites de desarrollo de los elementos eléctricos están siendo continuamente

empujados a producir productos más potentes, fiables, duraderos, más pequeños, más

luminosos y que consuman una menor energía electrónica.

Para asegurar que los módulos IGBT pueden satisfacer un periodo de vida operacional de 30

años, factores como el volumen, densidad energética, costes, rentabilidad y temperaturas de

operación son cuidadosamente consideradas en el diseño para tracción en la vía férrea y en la

automoción.

Sin embargo, durante su periodo de vida los módulos IGBT sufren enormes variaciones en la

temperatura, particularmente durante la operación. Esto puede crear situaciones de stress

dentro de los paquetes de energía electrónica que puede conllevar una reducción de la

transferencia de calor desde los chips, incrementando las cargas de calor y disminuyendo la

eficiencia eléctrica.

Los actuales sistemas de refrigeración líquidos están limitados como sabemos por la eficiencia

energética, un comportamiento no deseable desde un punto de vista de coste y fiabilidad. A

través de un incremento de escala de la fabricación de un nanofluido refrigerante y

construyendo una demostración de IGBT y sistema de refrigeración, Nanohex espera ilustrar

cómo aumentan las capacidades de transferencia térmica demostrando que con la producción

de un nanofluido refrigerante se mejoraría considerablemente el proceso de enfriamiento y se

mejoraría el diseño modular contando con algunos beneficios más como la durabilidad y

fiabilidad, además de proporcionar ahorros de coste y de energía significantes.



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