Методическое пособие 769

Рис.10.11 Значение относительной те лопроводности наножидкости в зависимости от концентрации частиц [2 ]: 1 – выд ржанная наножидкость;

2– свежеприготовленная наножидкость;

–наножидкость с а сидантом для исключения обр зования агломератов

На основании многочисленных исследований по изучению теплопроводности наножидкостей было проведено обобщение резул татов. Качественная картина изменения коэффициента теплопроводности представлена на рис. 1012. Базовыми жидкостями служи и вода, этиленгликоль, нефть и композитные материалы на основе полимеров.

теплопроводность последних и напрямую связано с материалом наночастиц и их объем ной дол й в исходной жидкости.

В целом можно отметить, что использование наночастиц с более высоким коэффициентом теплопроводности приводит к более существенному росту теп-

15

лопроводности наножидкости. При этом к наножидкостям, за редким исключением, не применимы закономерности, характерные для суспензий.

Ряд исслед вателей отмечает, что теплопроводность наножидко тей имеет ярко выраженный нелинейный характер от температуры идкости, концентрации и размера наночастиц. На рис. 10.13 представлена такая зависимость для наножидкости на основе масла и углеродных нанотрубо . Нелинейное поведение характерно и для жидкостей со сфе ическими наночастицами.

Однако наряду с этим ряд наножидкостей демонстрирует зависимость от темпера уры, но при этом зависимость носит линейный характер (рис. 10.14).

теплопроводности: свобо ными электронам и (электронная теплопро одность) и атомными колебаниями (фононная или решеточная тепло роводность). Фононная теплопроводность преобладает в диэлектриках, к к торым относится большинство жидкостей, в том числе чистая вода, а электронная – в металлах.

В настоящее время рассматривается несколько основных механ змов переноса теплоты в наножидкостях:

- образование перех дного м лекулярного слоя;

-баллистический механизм;

-образование кластеров наночастиц.

Вопрос о роли броуновского движения в теплопроводности наножидкости остается нерешенным до настоящего времени. Ряд исследователей полагают, что теплопроводность зависит от микроскопического взаимодействия частиц, ряд исследователей – что вкладом такого взаи одействия можно принебречь. При этом броуновское движение может вносить свой вклад дву мя способами: в результате диффузии нан частиц интенс фикации микроконвекции жидкости в окру ении на очастиц.

В целом стоит отме ить, что влияние броунов кого движения н перенос теплоты достаточно мало. Ряд экспериментов (рис. 10.15) показал, что наблю-

15

дается слабая зависимость теплопроводности наножидкости от вяз ости исходной жидкости и ее темпертур . Это служит доказательством малой роли диффузии частиц в переносе тепло ы.

Рис. 10.15. Влияние свойств базовой жидкости на интенсификацию теплопереноса в алюминиевых наножидкостях [25]

Ряд исследователей рассматр ивали модель ра делительного межфазного слоя на границе жидкость-наночастица для объяснения сущ ественного роста коэффициента теплопроводности. Суть модели заключалась в предположении, что молекулы ж дкости поверх ости твердых наночастиц выстраиваются в упорядоченную структуру, что ведет к изм нению эффектив ого объема наночастиц является механ измом повышения теплопроводности нанож идкости. Такая ги потеза используется на сегодняшн ий день в ряде макроскопических моделей теплопроводности.

Баллистический перенос теплоты связан с большой скоростью распространен я теплового потока и отсутствием бокового рассеивания. Теоретически

стью порядка звуковой и выше. Источником переноса при этом выступают нелинейные тепловые волны , не испытывающ ие при распространении заметного ослабле ия или затухания. Послед ее указывает на наличие высокой теплопроводност и в наножидкости. Отмечено, что им енно этот механизм характерен для наножидкостей на основе углеродных нанотрубок.

Специфику баллистического переноса тепло ы составляют о сутствие

баллист ческого переноса теплоты в нанот убках является превышение длины свободного пробега фонона относительно рассеяния на других фононах или не-

15

однородностях материала по сравнению с длиной нанотрубки. Именно поэтому в ряде материалов такой механизм будет преобладающим, а в других нет.

Образование кластеров наночастиц связано с переструктурированием наночастиц при попадании в теплоноситель. В результате истинный эффективный объем частиц снижается. Примером может служить наножидкость на основе антифриза и частиц титана. Фактические измерения показали, что в результате образования кластеров размер наночастиц увеличился более чем в 3,5 раза. В связи с этим ряд исследователей считают, что достаточно на основании опытных данных определить кластеризацию частиц и использовать эти результаты в дальнейших расчетах.

Была выявлена особенность, которая способствует переносу тепла в наножидкостях, так называемый эффект Соре. При наличии градиента температуры в многокомпонентной среде возникает перенос компонентов газовых смесей или растворов (термодиффузия). При постоянной разности температур наряду с термодиффузией возникает и классическая диффузия, характеризующаяся градиентом концентраций. При стационарных условиях термодиффузия и диффузия уравновешивают друг друга, возникает разность концентраций, приводящая к разделению компонентов смесей. А, в свою очередь неоднородность концентрации оказывает влияние на эффективную теплопроводность.

В практической работе с наножидкостями возникает вопрос определения коэффциентов вязкости и применимости закона Ньютона для внутреннего трения. Известные зависимости Эйнштейна, Бринкмана и др. для определения вязкости суспензий в данном случае неприменимы. На вязкость наножидкости оказывает влияние состав, размер наночастиц, их объемная концентрация и температура. К примеру, использование частиц окиси алюминия в воде с объемной концентрацией 3 %влечет увеличение вязкости среды на 30%. При этом у суспензии отстутствуют ярко выраженные реологические свойства. Иная ситуация возникает при использовании наножидкостей на основе углеродных трубок, где начинают проявляться реологические свойства жидкости.

Важным вопросом для практики применения наножидкостей является гидродинамическое трение на стенке канала (рис. 10.16).

Полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с известными зависимостями:

153

Рис. 10.16. Зав симость коэффицие нта гидравлического трения для наножидкости

Многочисленные экспериме тальные данные показали, что ис пользование наночастиц в жидкости оказывает незначительное влияние на коэф фициент гидравл ческого сопротивления при ламинарном, п реходном и турбулентном режимах течения при различной температуре среды. Было также выявлено, что добавки полимерных нановолокон ведут к снижению гидра лическо о сопротивления (правда, вследствие малой теплопроводности частиц не происходит интенсификации теплообмена).

Наножидкости с высокой теплопроводностью и реологическими свойствами также могут приводить к изменению идродинамического трения. Изучение еще одного эффекта – снижения трения при течении наножидкостей в микроканал х с супе гидрофобными стенками только начинается.

Рассмотрим результаты исследовани теплоо мена наножидкостей при вынужденной конвекции . Достаточно большой объем опыт ых данных по теплоотдаче при вынужденной кон екции в наножидкости приведен в работе [27]. В качестве аночаст ц использовались окислы алюмини я и титана, оксид меди, чистая медь, графит и многостеночные углеродные нанотрубки MWCNT. Исходны й тепло оситель представлен водой и маслами различных х рактеристик (трансмиссионное и синтетические масла). Среднечисленный размер частиц составляет 1 –130 нм а их об емная концентрация 0,05 – 4,4 %. Для углеродных нанотрубок рассматривалась длина нити 1– мкм. Экспериментальные исследо ания пр водились в диап зоне чисел Рейнольдса от 2 до 10 , т.е. ламинарное течение (Re = 2 – 10) и развитое т рбулентное течение (Re = 105).

На рис. 10.17 представлены экспериментальны е данные зависи мости относител ного безразмерн го коэффициента теплоотдачи от числа Рейнольдса для лам нарного течения теплоносителя, состоящего из окис алюмиия (Al2O3)

15

а – dч 42 нм;1 –xD 63; 0,6%;2 –xD 63; 1%; 3 –xD 63; 1,6%;4 –xD 116; 0,6%;

5 –xD 116; 1%;6 –x D 116; 1,6%;

б –dч 20 нм; xD 116; 1 – 0,2%;2 – 1%; 3 – 2%;4 – 2,5%;5 – 3%

Увеличение концентрации частиц окиси алюминия до 1,6 %позволяет увеличить коэффициент теплопроводности наножидкости на 15 %. В результате коэфф ициент теплоотдачи увеличивается до 40 %. Это позволяет сделать вывод, что увеличение тепл проводности наножидкости при ее течении в канале не является осно ным фактором увеличени теплоотдачи. Соотношение рисунков 10.17 (а) и (б) позволяет сделать вывод, что теплоотдача ущественно зависит от объемной концентрации частиц, мон отонно озрастает при увеличении числа Пекле (Pe), но при этом слабо зависит от числа Рейнольдса. Зависимость числа Нуссельта от числа Пекле является наиболее показательной, поскольку позволяет учитывать изменение свойств наножидкости в зависимости от концентрации частиц.

Аналогичн ый резул тат представлен а рис. 10.18 при исследов нии теплоотдач при вынужденной конвекции в ламинарном потоке для двух наножидкостей разных составов. В обоих случа х очевидна интенсификация теплообмена. Наибольший эффект характерен для углеродных нанотрубок MWCNT в воде, что позво лило ув личить оэффициент теплоотдачи на 40–260 %. Гораздо м ньший эффект достигнут при использовании масла с наночастицами графита. Рост коэффициента теплоотдачи оставил всего 5–20 %. Результаты наглядн показывают, чт применение углеродных нанотрубок в наножидкостях позволяет интенсифицировать теплоот ачу в не колько раз.

15

Как было показано р анее, ко ффицие т теплоотдачи имеет максимальное значени и снижается по длине трубы по мере течения.

Нуссельта является функцией от безразмерной коор инаты x/D (x – продольная координата вдоль оси, D – диаметр трубы). Экспери менты были проведены для пяти типов нано атериал в, а в качестве и ходных жидкостей использовались вода и а нтифриз.

Результаты хорошо сочетаются с теорией для чистых жидкостей. По ана-

начального участка. Большие значения ко ффицие та теплоотдачи олучены при использовании в качестве исходной жидкости дистиллированной воды.

15

Аналогичн ые исследования проводились при турбулентном течении жидкости. Результаты представлены на рис. 10.20.

а

способствует росту коэфф ициента теплоот ачи. Дан ный результат характерен при испо льзовании воды в качестве жидкости. Применение масла в качестве базовой жидкости дает слаб ое увеличение коэффициента теплоотдачи при концентрации свыш 2 %.Меньшая концентр ция в ряде работ приводит даже к уменьшению коэффициента теплоотдачи.

Таким образом, можно сделать вывод, что при различных характерах течения использование наножидкости позволяет увеличить коэффциент теплоотдачи. Больший э ффект дает применение уг еродных нанотрубок в сочетании с водой при ламин рном ре жиме течения (рост в 2–3 раза). В турбулентном потоке максимальная интенси икация озволяет увеличить теплосъем лишь на 25 – 30 %. О сновным и факторами, влияющими на величину коэффициента теплоотдачи, вляется состав наножидкости и объемная концентрация наночастиц.

Теплоотдача при естественной конвекции наножидкостей имеет ряд особенностей. Классическая теория теплообмена при естественной конвекции чистых жидкостей и суспензий сильно различаются. Для суспензий неоднородное распределение плотности вызвано как емпературной ст атификацией, так

15

и седиментацией частиц. Экспери ментальные исследования (рис. 10.21, 10.22) проводились для горизонтального цилиндра, нагреваемого с одной и охлаждаемого с другой стороны.

тановлен о, что п и одина овом со тношении длины цилиндра к диаметру (L/D = 1) теплоотдача в наножидкости ниже, чем в чистой жидкости.

Тем не менее в ряде работ, например [28], при численно м моделировании естественной конвекции аножидкости, было установлено, то может наблюдаться как интенсификация теплообмена, так и его подавление. Причем данные эффекты проявляются в зависимости от того, какая применяется модель эффективной вязкости. Таким образом, на сегодняшний день существует противоречие между численными и экспери ентальными данными и вопрос об интенсификации теплообмена при естественной конвекции остается открытым.

Многочисленные исследования тепл обмена при кипении наножидко-

снижение коэффициента еплоотдачи по с авнению с чистой жидкостью. Исследован ия проводились при кипении нанож идкостей на горизонтальных и вертикальн ых, плоских и цилиндрических поверхностях.

На рис. 10.23 представлены д анные по кипению наножидкости а основе окиси альминия воды на горизонтальной поверхности. При этом для частиц с

15

большим размером (47 нм) зафиксировано снижение коэффициента теплоотдачи примерно 10–30 %, а д я частиц с меньшим размеров (30 нм), наоборот, характерно увеличени на 20–40 %. Во всех реультатах при этом отмечается влияние объемной ко центрации на теплообмен.

Рис. 10.23. Теплообмен при кипении наножидкости Al2O3/H2O на горизонтал ной плоскости [25]: 1 – dч 47 нм; 0,5 %; 2 – dч 47 нм; 1%; 3 – d ч 47 нм; 2%;

4 – dч 47 н м; 4%; 5 – dч 30 нм; 0,08%; 6 – dч 30 нм; 0,18%; 7 – dч 30 нм; 0, 24%; 8 – d ч 30 нм; 0,32%

При объемных концентраци х 10-4–10-3 наблюдается максимальное увеличение коэффициента теплоотдачи примерно на 200 – 300 %. Резул таты определен я критического теплового потока показали, что при использовании наножидкостей он увеличив ется примерно в –4,5 раза.

Контрольные вопросы

1.Определите ключев ые направления интенсификации теп лообмена?

2.Каким образом коэффициент теплоотдачи вли ет на интенсификацию теплообмена?

3.В каких случаях применение оребрения неэффективно?

4.Как оценивается эф ективность интенсификации теплообмена?

5.Каким образом форма интенсификатора оказывает влияние на гидравлическое сопротивлен е?

6.За счет чего может быть достигнута турбули ация по ока охладителя в пристеночной области?

7.Как влияет контактн ое терми ческое сопротивление на интенсивность теплообмена?

10. Как влияет концен рация н ночасти ц на коэффициент теплопроводности наножидкости?

15