Michał Drzazga

Michał Drzazga
Politechnika Śląska
[email protected]
Badania właściwości cieplno-przepływowych nanopłynów na bazie CuO i Al2O3
domieszkowanych wybranymi substancjami typu DRA
Nanopłyny są zawiesinami nanocząstek, tj. cząstek, których co najmniej jeden z rozmiarów
liniowych jest mniejszy od 100 nm. Ze względu na swoje rozmiary nanocząstki mogą
wykazywać właściwości, które nie są typowe dla większych cząstek. Głównym obszarem
zastosowania nanopłynów jest intensyfikacja procesów wymiany ciepła. Już pod koniec XIX
w. przeprowadzano badania nad wpływem dodatku cząstek ciała stałego na poprawę
właściwości cieplnych. Jednakże, w związku z dużymi rozmiarami stosowanych wówczas
cząstek rzędu mikro- i milimetrów w celu uzyskania zadowalających efektów należało
stosować duże stężenia cząstek stałych. Zawiesiny takie nie są stabilne i bez poddawania
ciągłej recyrkulacji szybko sedymentowały. Duże stężenie ciała stałego powoduje efekty
abrazyjne i szybkie niszczenie elementów instalacji takich jak pompy, czy rury. Dopiero wraz
z końcem XX w. i odkryciem metod otrzymywania nowych materiałów (nanomateriałów)
powrócono do tej koncepcji. Nanozawiesiny wykazują większą stabilność niż zawiesiny
większych cząstek, nie sedymentują tak szybko, dzięki czemu można je przechowywać przez
dłuższy czas bez konieczności recyrkulacji. Już dla małych stężeń nanocząstek można
uzyskać zadowalającą poprawę właściwości cieplnych. Efekty te są lepsze niżby to wynikało
z modelów teoretycznych dla zawiesin większych cząstek.
Drugim ważnym aspektem stosowania płynów w procesach wymiany ciepła są ich opory
przepływu, które wprost przekładają się na zużycie energii koniecznej do wymuszania
przepływu i na moc pomp stosowanych w instalacjach. W trakcie II wojny światowej odkryto,
że dodatek niewielkiej ilości wielkocząsteczkowego polimeru do cieczy bazowej wpływał na
zauważalną redukcję oporów przepływu. Zjawisko to niedługo potem znalazło zastosowanie
w rurociągach transportujących ropę naftową, umożliwiając wzrost ich przepustowości, czy
ograniczenie zużycia energii potrzebnej do pompowania. W latach 60. XX w. odkryto, że
także dodatek niewielkiej ilości surfaktantów do cieczy bazowej wpływa na zmniejszenie jej
oporów przepływu. W tym przypadku za efekt ten odpowiedzialne są micele, czyli agregaty
cząsteczek surfaktantów, w szczególności te o wydłużonych kształtach. Zachowują się one
podobnie do cząsteczek polimeru, jednakże są bardziej odporne na duże naprężenia.
Po przepływie przez pompę cząsteczki polimeru ulegają nieodwracalnemu zniszczeniu,
pocięciu na mniejsze fragmenty, przez co nie nadają się do zastosowań w układach
zamkniętych. W przypadku surfaktantów po przepłynięciu przez pompę micelle także ulegają
rozpadowi, to jednak następnie ma miejsce ich samoodbudowanie. Już dodatek niewielkiej
ilości surfaktantu, czy polimeru, rzędu kilkuset części na milion, może wpływać na redukcję
oporu przepływu sięgającą 30-40%.
Nanopłyny mogą znaleźć zastosowanie wszędzie tam, gdzie wymagane jest znaczne
usprawnienie procesów wymiany ciepła. Dzięki poprawieniu właściwości cieplnych można
osiągnąć ten sam poziom wymiany ciepła przy zastosowaniu mniejszej powierzchni wymiany
ciepła, czy też mniejszej ilości płynu. Umożliwia to zmniejszenie rozmiarów wymienników
ciepła. Jest to szczególnie istotne w związku z postępującą miniaturyzacją urządzeń
elektrycznych
i
elektronicznych,
np.
postępujący
wzrost
wydajności
procesorów
komputerowych pociąga za sobą redukcję ich rozmiarów i wzrost zapotrzebowania na energię
elektryczną. Innym potencjalnym obszarem zastosowań nanopłynów jest motoryzacja, gdzie
nanopłyny można by zastosować jako płyny chłodnicze, umożliwiając efektywniejsze
chłodzenie silnika przy mniejszych rozmiarach układów chłodzących, a także przemysłowe
obiegi chłodnicze. Dodatkowo, zastosowanie niewielkiego dodatku substancji typu DRA
(ang. drag reducing agents, środki redukujące opory przepływu), czyli polimerów lub
surfaktantów pozwala na zmniejszenie zużycia energii niezbędnej do przepompowania cieczy
chłodniczej. Obecnie rozwiązania stosujące nanopłyny, w szczególności z dodatkiem środków
redukujących opory przepływu nie są powszechnie stosowane. Dalsze badania nad
właściwościami cieplno-przepływowymi nanopłynów z dodatkiem DRA mogą przyczynić się
do lepszego poznania zjawiska, opracowania optymalnego składu, obniżenia kosztów
zastosowania takiego rozwiązania w praktyce.
Celem moich badań, jest określenie wpływu dodatku substancji typu DRA na właściwości
nanopłynu, w szczególności jego właściwości cieplnych takich jak przewodnictwo cieplne
i wnikanie ciepła oraz właściwości przepływowych, w szczególności oporów przepływu.
W badaniach planowane jest określenie wpływu dodatku różnych rodzajów DRA, w tym
także innych typów surfaktantów (niejonowe, anionowe, zwitterjonowe) na właściwości
cieplno-przepływowe nanopłynu na bazie wody i nanocząstek tlenków metali, a także
porównanie zakresu redukcji oporów przepływu w wodzie i nanopłynie z dodatkiem DRA.