Environmental amelioration through enhanced heat transfer with nanofluids
Authors: Τερτσινίδου Γεωργία 
Published: September 2021

Η μελέτη του φαινομένου της επαύξησης της φαινόμενης θερμικής αγωγιμότητας ενός συμβατικού ρευστού, με την προσθήκη σε αυτό στερεών σωματιδίων (ένα δεύτερο συστατικό και μια δεύτερη θερμοδυναμική φάση), υπήρξε ελκυστική για περισσότερο από έναν αιώνα. Η διασπορά, όμως, στερεών σωματιδίων σε διαστάσεις της τάξεως των νανομέτρων (νανοσωματίδια), γνωστό και ως «νανορευστό», εξετάστηκε σοβαρά σε εφαρμογές μεταφοράς θερμότητας από το 1995 και έπειτα, όταν οι Choi et al.[1] υποστήριξαν ότι η χρήση νανορευστών με αιωρούμενα νανοσωματίδια χαλκού, προκαλεί «δραματική μείωση της ισχύος άντλησης ενός εναλλάκτη θερμότητας». Η παρουσίαση αυτή, αναφέρονταν ακόμη και σε νανορευστά με θερμική αγωγιμότητα «3 φορές μεγαλύτερης από αυτήν του συμβατικού ρευστού»! Το 2001 οι Choi et al.[2] επέκτειναν τον ισχυρισμό τους, δημοσιεύοντας την «ανώμαλη επαύξηση της θερμικής αγωγιμότητας νανοσωλήνων», με τον όρο «ανώμαλη» να σημαίνει ότι η φαινόμενη θερμική αγωγιμότητα του συστήματος δύο φάσεων είναι σημαντικά διαφορετική από εκείνη που υπολογίζονταν με βάση τις τότε γνωστές θεωρίες μεταφοράς θερμότητας. Αν και έχουν περάσει περισσότερα από είκοσι χρόνια από τότε, τα αποδεικτικά στοιχεία υπέρ ή κατά της ύπαρξης μιας τέτοιας «ανώμαλης» συμπεριφοράς είναι, στην καλύτερη περίπτωση, όπως θα αποδείξουμε, συγκεχυμένα. Στην παρούσα μελέτη, εξετάζονται διεξοδικά τα πειραματικά δεδομένα μετρήσεων μεταφοράς θερμότητας που αναφέρονται σε συστήματα δύο ή και τριών συστατικών. Η μελέτη αυτή, διακρίνεται σε δύο κύρια τμήματα: -Στο τμήμα Α (που αποτελείται από τα κεφάλαια 1 έως 5), μελετάται διεξοδικά η επαύξηση της θερμικής αγωγιμότητας των νανορευστών.-Στο τμήμα Β (που αποτελείται από κεφάλαια 6 έως 8), διερευνάται η επίδραση τόσο της επαυξημένης θερμικής αγωγιμότητας όσο και του επαυξημένου ιξώδους των νανορευστών, στην μεταφορά θερμότητας. Πιο συγκεκριμένα, Στο Κεφάλαιο 1 δείχνεται ότι, οι βιβλιογραφικές πειραματικές μετρήσεις της φαινόμενης θερμικής αγωγιμότητας ενός ρευστού όταν προστίθενται σε αυτό νανοσωματίδια, παρουσιάζουν αποκλίσεις μεταξύ τους που υπερβαίνουν κατά πολύ τις αμοιβαίες αβεβαιότητες τους. Αποδεικνύεται επιπλέον, για πρώτη φορά ότι, αυτό οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στο γεγονός ότι πολλοί ερευνητές είτε δεν εφάρμοζαν σωστά την μέθοδο του θερμαινόμενου σύρματος σε μη μόνιμη κατάσταση ή ότι εφάρμοζαν λανθασμένα άλλες τεχνικές. Για το λόγο αυτό, στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται αναλυτικά το θεμελιώδες θεωρητικό υπόβαθρο που απαιτείται, για την λήψη ορθών μετρήσεων θερμικής αγωγιμότητας με την μέθοδο του θερμαινόμενου σύρματος σε μη μόνιμη κατάσταση. Σύμφωνα με τα κριτήρια ορθής λειτουργίας του, όπως παρουσιάζονται στον Κεφαλαίο 2, σχεδιάστηκε, κατασκευάστηκε και πιστοποιήθηκε η ακριβής λειτουργία ενός νέου αισθητήρα (Κεφάλαιο 3), ο οποίος χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα μελέτη για την απόλυτη μέτρηση της θερμικής αγωγιμότητας με τη μέθοδο του θερμαινόμενου σύρματος σε μη μόνιμη κατάσταση. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται οι υψηλής ακρίβειας, απόλυτες πειραματικές μετρήσεις -οι οποίες πραγματοποιήθηκαν με την χρήση του νέου αισθητήρα- των παρακάτω συστημάτων: α) αιθυλενογλυκόλης, με την προσθήκη νανοσωματιδίων CuO, TiO2 ή Al2O3 και β) νερού, με την προσθήκη νανοσωματιδίων TiO2, Al2O3 ή πολυστρωματικών νανοσωλήνων άνθρακα (MWCNT). Τα αποτελέσματα αυτών των νέων πειραματικών μετρήσεων επιβεβαίωσαν τα προγενέστερα ευρήματά μας -τα οποία βασίζονταν αποκλειστικά σε μια κριτική αξιολόγηση των χρησιμοποιούμενων τεχνικών μέτρησης- σύμφωνα με τα οποία, υπάρχουν σημαντικά λάθη στην πλειονότητα της αναφερόμενης βιβλιογραφίας όσον αφορά την μέτρηση της φαινόμενης θερμικής αγωγιμότητας των συγκεκριμένων νανορευστών και κατά συνέπεια και πολλών άλλων συστημάτων. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα υφιστάμενα μοντέλα για την πρόβλεψη της επαύξησης της θερμικής αγωγιμότητας, ενώ επίσης συζητούνται οι λόγοι για τους οποίους τα περισσότερα από αυτά είναι μη αποδεκτά. Ακολούθως, εξετάζονται και συγκρίνονται οι πειραματικές μετρήσεις ακριβείας της παρούσας διατριβής ως προς τις προβλέψεις δυο μοντέλων θερμικής αγωγιμότητας, το μοντέλο των Hamilton και Crosser [3] του 1962 και το μοντέλο του Shukla et al.[4] του 2016. Για να διερευνηθεί η χρήση των νανορευστών ως εναλλακτικά ρευστά μεταφοράς θερμότητας, απαιτείται εκτός της θερμικής τους αγωγιμότητας να μετρηθεί και το ιξώδες τους, καθώς η ιδιότητα αυτή επηρεάζει σημαντικά τη μεταφορά θερμότητας. Στο Κεφάλαιο 6, λοιπόν, διερευνάται η ρεολογική συμπεριφορά των προαναφερθέντων συστημάτων νανορευστών και μετράται το ιξώδες τους. Η ποσοστιαία επαύξηση του ιξώδους των νανορευστών είναι σημαντικά μεγαλύτερη από την επαύξηση της θερμικής αγωγιμότητάς τους, με αποτέλεσμα η συνδυαστική επίδραση των φυσικών αυτών ιδιοτήτων να σημαίνει ότι τα πιθανά οφέλη μεταφοράς θερμότητας από την χρήση των νανορευστών σε εναλλάκτη θερμότητας να είναι μάλλον μέτρια (Κεφάλαιο 7). Τέλος, στο Κεφάλαιο 8, εξετάζεται εάν η χρήση νανορευστών μπορεί να επιφέρει τελικά βελτίωση στη μεταφορά θερμότητας και γίνονται προτάσεις για περαιτέρω έρευνα.