Вступ

Теплопровідність - це здатність матеріалів ефективно сприяти передачі тепла. Незліченна кількість галузей промисловості залежить від матеріалів з високою теплопровідністю для проектування та виготовлення енергоефективних приладів, інструментів та конструкцій. Низька теплопровідність може бути основним обмеженням для проектування теплових технологій, особливо тих, що містять рідини, що передають тепло. Наночастинки з властивостями теплопровідності, що входять до теплоносія, пропонують рішення, яке часто можна використовувати для підвищення теплопровідності сумішей. Наночастинки, як правило, мають більш високі значення провідності, які, коли вони досягають відповідної концентрації, можуть сприяти більш ефективному теплообміну. Експеримент, проведений дослідниками Thermtest, вивчає поведінку щодо тепла та руху розчинника етиленгліколю, змішаного з наночастинками на основі сажі з теплопровідністю.

Матеріал

Сажа - це специфічний тип вуглецю, який утворюється при неповному згорянні та термічному розкладанні газоподібних або рідких вуглеводнів у контрольованому середовищі. Цей процес утворює тонко гранульований порошок, який є однією з 50 найбільш вироблених хімічних речовин у світі. Понад 90% сажі використовується як наповнювач у гумовій промисловості. Однак це важливий компонент багатьох фарб та пігментів. Це речовина, яка має відносну провідність, і використовується в електротехнічній промисловості для виготовлення електродів та вугільних щіток.

Етиленгліколь (CH2OH) 2 - це слабо в’язкий спирт з чітким зовнішнім виглядом, сильно отруйний для людини та тварин при попаданні всередину. Найбільш поширене використання етиленгліколю в автомобільних антифризах. Це також розчинник, який часто використовують як теплоносій. Ця примітка описує, як певні концентрації наночастинок вуглецевої сажі, дисперговані в етиленгліколі, можуть впливати на здатність теплопередачі рідин.

теплопровідність

Рисунок 1: Пляшка зразка етиленгліколю та зразка порошку сажі

Методи та результати теплопровідності

Метод перехідного гарячого дроту (THW) використовували для вимірювання теплопровідності 7 сферичних сумішей сажі та етиленгліколю. Метод THW отримав визнання в науковому співтоваристві як найнадійніший і найточніший метод вимірювання теплопровідності з точністю в межах декількох десятих 1%. Для цього експерименту був використаний рідкий вимірювач теплопровідності THW-L2 фірми Thermest (рис. 2). Концентрація вуглецевої сажі LITX ® у досліджуваних зразках становила 1, 2, 3, 5, 7, 9 та 11 мас.%. Кожну концентрацію поміщали в відцентровий змішувач на 5 хвилин зі швидкістю 2000 об/хв. Суміш класифікували як однорідну, коли зразок виглядав блискучим при нанесенні на папір. Теплопровідність рідини вимірювали при температурах 20 і 30 ° С. У таблиці 1 наведені значення теплопровідності рідин, виміряні у ватах на хвилину на градуси Кельвіна як функція концентрації.

Рисунок 2: Вимірювач теплопровідності рідини THW-L2 з тримачем для зразків, що аналізує теплопровідність рідин та паст.

Масовий відсоток сажі Теплопровідність Вт/мК
0 0,260
1 0,265
два 0,272
3 0,280
5 0,299
7 0,320
9 0,339
одинадцять 0,360

Таблиця 1: Теплопровідність (Вт/мК) рідини на основі сажі та етиленгліколю як функція концентрації.

Рисунок 3: Теплопровідність (Вт/мК) рідини на основі сажі та етиленгліколю як функція концентрації.

Швидкісні методи та результати

Другий тест, проведений на сумішах наночастинок, пов'язаний з їх в'язкопружною поведінкою. "Віско" відноситься до деформації рідини під впливом зовнішньої сили, а "еластичність" описує здатність рідини повертатися до початкової форми після видалення сили. Коли чиста в'язка рідина піддається тиску, результатом є постійне перегрупування частинок. Чиста та еластична рідина під тиском навантажує та розряджає силу, утворюючи криволінійні лінії напруги та напруги. Така поведінка рідин описується в їх реологічних властивостях. Для цілей цієї роботи реологічну поведінку рідин вимірювали за допомогою реометра Бохліна Джеміні та паралельних пластин при постійній температурі 20 ° C.

Експеримент дійшов висновку, що теплопровідність рідини для теплопередачі зростала із збільшенням теплової концентрації сажі. Концентрація сажі 9% або вище спричинила перехід від чистої в'язкої рідини до еластичної. Така поведінка є загальною в тривимірній структурі, розробленій за допомогою нековалентних взаємодій.

Рисунок 4: Взаємозв'язок між потовщенням/витонченням на зсув у порівнянні з ньютонівською стабільністю Джерело: https://www.rheosense.com/applications/viscosity/newtonian-non-newtonian

Завершення

Очікується більше досліджень реологічних властивостей наночастинок сажі, занурених у рідини, з метою подальшого розуміння теплових можливостей цих матеріалів. Модифікація рідин, що передають тепло, для того, щоб стати ефективними теплопровідниками, може призвести до економії коштів та енергії, особливо для галузей, які потребують широкомасштабної передачі енергії.

Список літератури

Милона, С. (2019). Дослідження теплопровідності та швидкості нанотекучих теплоносіїв. Дослідження теплопровідності та швидкості нанотечій теплообміну на основі сажі. 1-а Міжнародна конференція нанофлюїдів, (S7), 460 - 463.

Шенкланд, І., і лекція: 10. Симпозіум з теплофізичних властивостей. Гейтерсбург, доктор медичних наук (США), 20-23 червня 1988 р. (1989). Перехідний метод гарячого дроту для вимірювання теплопровідності газів і рідин. (Перехідний метод гарячого дроту для вимірювання теплопровідності газів і рідин). Міжнародний журнал теплофізики, 10: 3, 673-686.