Технические науки / 5. Энергетика

Сироткина А.Л.

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Перспективы использования наножидкостей в качестве теплоносителей

Введение

На протяжении всего технического развития (что особенно ярко проявилось в 20-21 вв) человечество стремилось к тому, чтобы производимые им устройства имели все более увеличивающуюся мощность при наименьших размерах. Именно поэтому постоянно велись и ведутся работы по поиску новых типов теплоносителей с принципиально улучшенными свойствами. К таким теплоносителям относятся и нанодисперсные жидкости (наножидкости) – чаще всего водные (либо на основе различных органических жидкостей) дисперсии наночастиц (частиц, хотя бы одно из измерений которых менее 100 нм).

Впервые «наножидкости» («nanofluids») упоминаются в исследовании S.U.S. Choi (ANL, USA) в 1995 году [1]. Большое внимание исследователей по всему миру они привлекли благодаря особенным свойствам – по сравнению с чистыми жидкостями НЖ обладают:

- повышенной теплопроводностью;

- более интенсивном теплообменом при конвекции и кипении;

- существенно увеличенным критическим тепловым потоком при кипении.

Вообще, дисперсии исследователями изучаются достаточно давно, однако до недавнего времени минимально достигнутым порядком размера частиц был микрометр. В отличие от коллоидов подобного рода, наножидкости (далее – НЖ) более стабильны, что ярко проявляется при их долговременном наблюдении, не подвержены седиментации [2]; их использование сопровождается меньшим эрозивным износом поверхностей, меньшими потерями давления, меньшей вероятностью засорения каналов [3].

Разрозненные экспериментальные данные и попытки их обобщения и анализа показывают, что методы классической термодинамики и принятые для коллоидов с микрочастицами соотношения и корреляции не могут правильно описать свойства и поведение НЖ. Прежде всего, причиной этому называют яркое проявление размерных, волновых и когерентных эффектов. Для НЖ не удается корректно применить термодинамические характеристики типа равновесия, а также уравнения переноса массы, энергии и импульса в их классическом представлении [4].

Об аномальной эффективной теплопроводности наножидкостей

Говоря об особенных свойствах наножидкостей, прежде всего, упоминают теплопроводность. Уже на ранних этапах экспериментальных работ было отмечено, что теплопроводность НЖ при увеличении концентрации НЧ резко отличается от предсказанной согласно теории Максвелла для коллоидов (например, см. рис.1):

Рисунок 1 - Зависимость относительного увеличения теплопроводности НЖ от объемной концентрации, %, для различного времени выдержки НЖ
(данные [3])

Подобное расхождение, видимо, объясняется неприменимостью к наножидкостям допущений, положенных в основу теории Максвелла, а именно: нельзя считать наночастицы неподвижными в жидкости; имеется отклонение от сферичности частиц; уравнения кондуктивной передачи тепла в их классическом виде некорректны [3].

H.Xie [и др.] в комплексной экспериментальной работе «Discussion on the thermal conductivity enhancement of nanofluids» [5] исследовалось практически все доступные сочетания базовых жидкостей и наночастиц при различных способах приготовления НЖ, различных концентрациях, добавках и т.д. В результате было выявлено, что на эффективную теплопроводность НЖ оказывают влияние следующие факторы:

- тип и объемная концентрация НЧ (наибольшее значение – для НЖ с неоксидными частицами, например углеродными нанотрубками CNT; чем больше концентрация, тем больше эффективная теплопроводность);

- температура (выделились две группы – НЖ с абсолютно независящей от температуры теплопроводностью и НЖ с теплопроводностью, увеличивающейся с ростом температуры; авторы [5] утверждают, что причина этому – различие в базовых жидкостях);

- тип и характеристики базовой жидкости (интересно, что при увеличении теплопроводности базовой жидкости эффективная теплопроводность НЖ падает);

- размер частиц, или удельная эффективная площадь SSA (теплопроводность растет с увеличением SSA – следовательно, с уменьшением размеров частиц);

- добавление поверхностно-активных веществ (несмотря на увеличение стабильности НЖ и уменьшения склонности к агломерации, добавление ПАВ снижает теплопроводность).

Конвекция в наножидкостях

Для практического использования наножидкостей в качестве теплоносителей крайне важно четкое представление механизма конвекции, особенно вынужденной.

В целом, результаты экспериментов по исследованию вынужденной конвекции в наножидкостях демонстрируют увеличение коэффициента теплоотдачи относительно базовой жидкости при подобных условиях, однако зависимость имеет немонотонный характер:

- при числах Рейнольдса более 9000 - оптимум [6];

- при концентрациях НЧ более 3-4% vol. – также оптимум [7].

Интересным является тот факт, что увеличение теплопроводности НЖ относительно базовой жидкости не является превалирующим фактором в случае интенсификации теплообмена при вынужденной конвекции.

Исследования теплообмена при свободной конвекции показали неутешительные результаты – коэффициент теплоотдачи, как правило, ниже, чем в случае базовой жидкости. Причина этому почти однозначно – увеличение вязкости среды.

Кипение и кризис кипения

По своей природе кипение – механизм, позволяющий отвести практические самые большие тепловые потоки от поверхностей нагрева. В данном случае нас интересует пузырьковое кипение и скачкообразный переход пузырькового кипения в пленочное – кризис кипения 1 рода.

Если говорить о теплообмене при пузырьковом кипении, то однозначных результатов в настоящее время нет. Например, авторами [8] был получен значительно больший, чем для базовой жидкости, коэффициент теплоотдачи при кипении НЖ с частицами Al₂O₃ и TiO₂ в большом объеме на диске диаметром 150 мм. Отличные от данных многих исследователей, наблюдавших снижение интенсивности теплообмена, могут быть вызваны:

- противоречивым влиянием теплопроводности и вязкости НЖ – от их соотношения может качественно измениться картина теплообмена;

- стабильностью НЖ и присутствием ПАВ;

- влиянием геометрии нагревателя и исходными характеристиками поверхности нагрева;

- возможно, различием в способах измерения температуры [8].

S.J.Kim [и др.] в работе [9] был получен как раз противоположный результат – снижение коэффициента теплоотдачи при кипении НЖ с частицами Al₂O₃, ZrO₂ и SiO₂ с объемной концентрацией 0,001÷0,1%. Причинами такого явления названы:

- резкое увеличение теплового сопротивления на границе жидкость/нагреватель из-за пленки, образующейся в ходе кипения;

- уменьшение плотности центров парообразования вследствие уменьшения краевого угла смачивания θ.

Вообще, изменение смачиваемости поверхности из-за образования на ней пленки, имеющей иерархическую структуру, является основной причиной аномального поведения наножидкости при кипении и кризисе кипения. Даже при кипении дистиллята на нагревателе, покрытом подобной пленкой, проявляется значительная интенсификация (данные S.B. White [10], рис.2):

а)	б)

Рисунок 2 – Зависимость коэффициента теплоотдачи при кипении от номера эксперимента для воды (а) и НЖ (б) [10]

В настоящее время исследователи сходятся на том, что значение критического теплового потока (КТП) при кипении НЖ значительно выше, чем для базовой жидкости. Причем, как отмечается в работе [11], кризис может не наступить вплоть до точки плавления материала нагреваемой поверхности.

Согласно комплексному анализу данных по кризису кипения в наножидкостях, выполненному H. Kim, на порядок КТП влияют следующие основные факторы [12]:

- концентрация НЧ. Интересной особенностью является то, что резкий прирост КТП наблюдается только при пренебрежимо малых концентрациях частиц (до 0,01-0,1% vol.). Далее наступает «насыщение» - значение остается примерно постоянным;

- геометрия нагревателя. В экспериментах с кипением НЖ на проволоке, как правило, получают более высокие значения КТП, чем в экспериментах с кипением на плоском нагревателе (H. Kim предполагает, что дело в механизме подвода воды к поверхности);

- добавки. Добавление ПАВ к НЖ, несмотря на увеличение ее стабильности, может привести даже к уменьшению КТП относительно базовой жидкости.

Для теоретического описания кризиса кипения НЖ в настоящее время существует четыре основных подхода [8]:

1. Теория гидродинамической нестабильности («hydrodynamic instability theory»). Признается некорректной для вычисления КТП при кипении НЖ, поскольку включает в себя даже не все свойства жидкости; свойства поверхности нагрева не отражены вообще.

2. Теория осушения макрослоя («macrolayer dryout theory»). Расчеты по данной методике позволяют учесть свойства поверхности нагрева, однако по сравнению с экспериментальными данными дают чрезвычайно завышенные результаты.

3. Теория горячего/сухого пятна («hot/dry spot theory»). По мнению многих исследователей, данная теория наилучшим образом отражает картину кризиса и дает наиболее точные результаты (расчеты по модели Theofanous и Dinh). Однако в расчетную корреляцию входит константа κ, зависящая от краевого угла смачивания. Постоянное измерение краевого угла представляется весьма неудобным с точки зрения практического использования формулы.

4. Теория взаимодействия паровых пузырей («bubble interaction theory»). Аналогично теории горячего/сухого пятна, данный подход дает результаты, удовлетворительно описывающие реальность, однако требует задания плотности центров парообразования, угла смачивания и т.п.

Из вышесказанного очевидно, что имеется необходимость в разработке удобной расчетной корреляции приемлемой точности, которая включала бы в себя свойства и параметры, доступные для задания «априори» - без проведения непосредственного измерения в ходе эксперимента / использования НЖ.

Наножидкости как перспективные теплоносители

Благодаря своим необыкновенным свойствам (вкратце описано выше) наножидкости рассматриваются как перспективные теплоносители для многих отраслей науки и техники, например:

1. Транспорт

Использование НЖ в качестве теплоносителей в охладителях транспортных силовых установок позволит существенно снизить их объем и вес. Например, в работе [13] моделировалось охлаждение дизельного двигателя автомобиля «Chevrolet Suburban» при использовании в качестве теплоносителя наножидкости на основе воды с частицами CuO: коэффициент теплоотдачи, полученный в латунных трубках радиатора двигателя, выше на 10%, чем для классических теплоносителей.

2. Электроника

Увеличение производительности микропроцессоров и стремление к уменьшению их размеров требует существенной интенсификации охлаждения этих устройств. Воздушное охлаждение достигло своих пределов уже к настоящему времени; перспективным представляется использование НЖ в микроканалах для охлаждения электронных устройств (экспериментальное подтверждение данной возможности приведено в [14], расчетное – в работе [15]). Численное моделирование процессов теплообмена в микроканалах, приведенное в [15], свидетельствует о том, что при повышении концентрации наночастиц от 1 до 4% (объемных) число Нуссельта возрастает на 12 и 17% относительно базовой жидкости соответственно, при том, что потери давления остаются практически неизменными.

3. Солнечная энергетика

В работе [16] A.K. Tiwari [и др.] расчетным путем обосновывают эффективность использования НЖ с частицами Al₂O₃ (объемное содержание – до 1,5%) в солнечных коллекторах. Показано, что переход от воды к НЖ позволит увеличить КПД таких устройств на 30%. Этот факт подтверждается результатами исследования [17], где для солнечного коллектора использовалась НЖ на основе воды с частицами серебра, максимальное объемное содержание – 0,04%: максимальное значение КПД солнечных батарей при использовании НЖ достигает 70%; авторы полагают, что большую роль здесь играет увеличение теплопроводности жидкости.

Об эффективности использования НЖ в солнечных коллекторах, построенных по принципу DASC – «Direct absorption solar collector» - пишут L. Kundan и P. Sharma в работе [18]. Авторами замечено, что наибольшей эффективностью обладает НЖ с крайне малым содержанием НЧ (например, при С_vol = 0,005% эффективность устройства на 2-2,5% выше, чем при С_vol = 0,05%).

4. Атомная энергетика

По мнению A. Chupin, L.-W. Hu и J. Buongiorno, наножидкости могут быть применены для смягчения последствий аварии с потерей теплоносителя (LOCA – loss of coolant accident) – путем охлаждения корпуса реактора с внешней стороны и обеспечения удержания расплава активной зоны внутри («In Vessel Retention strategy») [19]. Также сделано предположение о целесообразности использования наножидкостей в системах аварийного охлаждения активной зоны. Исследование выполнено с помощью численного моделирования CFD («computational fluid dynamics») на примере реакторов АР1000 и APR-1400.

I.Ch. Bang и J.H. Jeong в работе [20] в развитие данных идей рассматривают возможность использования наножидкостей в контуре теплоносителя реакторных установок.

Заключение

В статье рассмотрен вопрос перспектив использования нанодисперсных жидкостей (наножидкостей) в качестве теплоносителей. Вкратце описаны свойства НЖ, варианты применения в различных отраслях промышленности.

Подводя итог, можно заключить, что наножидкости являются безусловно перспективными теплоносителями, с помощью которых станет возможным существенно снизить металлоемкость агрегатов, повысить безопасность их использования в аварийных переходных режимах, сопровождающихся кипением.

Развитие науки о наножидкостях находится еще в начальной стадии, поэтому необходимо проведение дальнейших комплексных экспериментальных исследований их свойств, теоретического анализа, составление общих расчетных корреляций.

Литература

1. Choi S.U.S. Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles. Developments and Applications of Non-Newtonian Flows FED, Vol.231/MD-vol.66. ASME, New-York, 1995. Pp 99-105.

2. Рудяк В.Я., Томилина Е.А., Белкин. А.А. О коэффициенте теплопроводности наножидкостей. Письма в ЖТФ, Т.36(14), 2010. С.49-54.

3. Бардаханов С.П., Новопашин С.А., Серебрякова М.А. Исследование теплопроводности наножидкостей на основе наночастиц оксида алюминия. Наносистемы: физика, химия, математика, №3(1), 2012. С. 27-33.

4. Дмитриев А.С. Теплофизические проблемы наноэнергетики. Часть 1. Теплоэнергетика, №12, 2010. С.13-22.

5. Xie H. [et al]. Discussion on the thermal conductivity enhancement of nanofluids [Electronic source]. Nanoscale Research Letters, 6:124, 2011. http://www.nanoscalereslett.com/content/6/1/124.

6. Sanjo George C., Krishnakumar T.S. An experimental investigation on the enhancement of forced convection heat transfer using TiO₂ – water nanofluids in turbulent regime. Proceedings of International Conference on Energy and Environment – 2013 (ICEE 2013): Vol 2, Special Issue 1. Kottayam, Kerala, India, 2013. Pp 598 – 603.

7. Rach S., Patel P., Dr. Deore D.A. Heat transfer enhancement in shell and tube heat exchanger by using iron oxide nanofluid. International Journal of Engineering Development and Research, Vol.2(2), 2014. Pp 2422-2432.

8. Yulong Ding [et al]. Heat transfer intensification using nanofluids. KONA, №25, 2007. Pp 23-38.

9. Kim S.J. [et al]. Surface wettability change during pool boiling of nanofluids and its effect on critical heat flux. International Journal of Heat and Mass Transfer, №50, 2007. Pp 4105-4116.

10. White S.B. Enhancement of boiling surfaces using nanofluids particle deposition: a dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy (Mechanical Engineering). Michigan, USA, 2010. 100 p.

11. Vassallo P., Kumar R., D’Amigo S. Pool boiling heat transfer experiments in silica-water nano-fluids. International Journal of Heat and Mass Transfer, №47, 2004. Pp 407-411.

12. Kim H. Enhancement of critical heat flux in nucleate boiling of nanofluids: a state-of-art review [Electronic source]. Nanoscale Research Letters, 2011. http://www.nanoscalelett.com/content/6/1/415.

13. Bozorgan N., Krishnakumar K., Bozorgan Nar. Numerical study on application of CuO-Water nanofluid in automotive diesel engine radiator. Modern Mechanical Engineering, №2, 2012. Pp 130-136.

14. Gholami H., Ehsani S., Asadi S.K. Optimized channel’s aspect ratio for heat transfer applicant of nanofluid in various fin thickness. Life Science Journal, №10(8s), 2013. Pp 264-267.

15. Li J., Kleinstreuer C. Thermal performance of nanofluid flow microchannels International Journal of Heat and Fluid Flow, №29, 2008. Pp 1221-1232.

16. Tiwari A.K., Ghosh P., Sarkar J. Solar water heating using nanofluids – a comprehensive overview and environmental impact analysis. International Journal of Engineering Technology and Advanced Engineering, Vol.3 (3), 2013. Pp 221-224.

17. Roy S. [et al]. Heat transfer performance of silver/water nanofluid in a solar flat-plate collector. Journal of Thermal Engineering, Vol.1(2), 2014. Pp 104-112.

18. Kundan L., Sharma P. Performance evaluation of a nanofluid (CuO-H₂O) based low flux solar collector. International Journal of Engineering Research, Vol.2(2), 2013. Pp 108-112.

19. Chupin A., Hu L.W., Buongiorno J. Applications of nanofluids to enhance LWR accidents management in in-vessel retention and emergency cooling systems. Proceedings of ICAPP’08: Paper 8043. Anaheim, CA USA, 2008. Pp 1707-1714.

20. Bang I.Ch., Jeong J.H. Nanotechnology for advanced nuclear thermal-hydraulics and safety: boiling and condensation. Nuclear engineering and technology, Vol.43(3), 2011. Pp 217-242.