Θερμική αγωγιμότητα νανορευστών
Creators: name: Μεταξά, Ιφιγένεια Ν.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2006
Subjects: Θερμική αγωγιμότητα
Νανορευστά
Thermal conductivity
Nanofluids

description: Η παρούσα διατριβή αναφέρεται στη µέτρηση της θερµικής αγωγιµότητας των νανορευστών, τα οποία είναι αιωρήµατα νανοσωµατιδίων σε διαφορά ρευστά. Η µέτρηση γίνεται µε τη µέθοδο του Θερµαινόµενου Σύρµατος σε Μη-Μόνιµη Κατάσταση µε διαµόρφωση της διάταξης που σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε στα πλαίσια της εργασίας αυτής. Απαραίτητα στάδια πριν από τη µέτρηση είναι ο χαρακτηρισµός των πρώτων υλών, η παρασκευή των αιωρηµάτων νανοσφαιριδίων ή νανοσωλήνων άνθρακα και ο χαρακτηρισµός των νανορευστών που προκύπτουν. Πιο συγκεκριµένα, στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η νέα κατηγορία ρευστών που µελετήθηκε, τα “νανορευστά”. ∆ίνονται πληροφορίες για τη φύση τους και τους τρόπους παρασκευής τους. Επιπλέον, επισηµαίνονται οι λόγοι που οδήγησαν στη µελέτη των συστηµάτων αυτών, καθώς παρουσιάζουν µοναδικές ιδιότητες και µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε πληθώρα εφαρµογών. Ακόµη, γίνεται ανασκόπηση των µεθόδων που εφαρµόζονται σήµερα για τη µέτρηση της φαινοµενικής θερµικής αγωγιµότητας των νανορευστών. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα κύρια σηµεία της θεωρίας της µεθόδου του Θερµαινόµενου Σύρµατος σε Μη-Μόνιµη Κατάσταση, η οποία χρησιµοποιήθηκε εδώ. Παρουσιάζονται οι βασικές θεωρητικές αρχές του µοντέλου, καθώς και οι αποκλίσεις από αυτό. Ακόµη, περιγράφεται η αναλυτική και η αριθµητική λύση που εφαρµόστηκαν για τον υπολογισµό της θερµικής αγωγιµότητας των νανορευστώ Στο επόµενο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή της νέας διαµόρφωσης της πειραµατικής διάταξης που σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε για τη µέτρηση της θερµικής αγωγιµότητας τόσο απλών ρευστών, όσο και νανορευστών. Η νέα διάταξη έχει το πλεονέκτηµα ότι µε την ίδια συσκευή µπορούν να µετρηθούν υγρά, αλλά και τα αιωρήµατα των νανοδοµών σε υγρά. Παράλληλα, παρουσιάζεται η ηλεκτρονική διάταξη µε δυνατότητα αυτόµατης δειγµατοληψίας των πειραµατικών σηµείων, η οποία χρησιµοποιείται για πρώτη φορά για τον προσδιορισµό της θερµικής αγωγιµότητας νανορευστών. Επιπλέον, παρατίθενται οι εξισώσεις λειτουργίας της πειραµατικής διάταξης, συζητείται η µεθοδολογία υπολογισµού της θερµικής αγωγιµότητας των νανορευστών, καθώς και η ακρίβεια των πειραµατικών µετρήσεων. Στη συνέχεια, στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται η διαδικασία χαρακτηρισµού των πρώτων υλών (νανοσφαιριδίων) που χρησιµοποιήθηκαν για την παρασκευή νανορευστών και ακόλουθα παρατίθεται η µέθοδος που ακολουθήθηκε για την προετοιµασία των αιωρηµάτων των νανοσωµατιδίων. Σηµειώνεται ότι στην παρούσα εργασία µελετήθηκαν ως διασπαρµένη φάση νανοσωµατίδια Cu, SiC και νανοδιαµάντια. Ακόµη, παρατίθεται η διαδικασία χαρακτηρισµού των κολλοειδών συστηµάτων των νανορευστών που παρασκευάστηκαν. Αξίζει να αναφερθεί ότι για το χαρακτηρισµό των νανοσφαιριδίων και των αιωρηµάτων χρησιµοποιήθηκαν τόσο µικροσκοπικές, όσο και φασµατοσκοπικές µέθοδοι. Σε αντιστοιχία µε την προηγούµενη ενότητα, στο πέµπτο κεφάλαιο παρατίθεται ο χαρακτηρισµός των πρώτων υλών (πολυστρωµατικών και ολιγοστρωµατικών σωλήνων άνθρακα), όπως επίσης και ο τρόπος προετοιµασίας των αιωρηµάτων των νανοσωλήνων άνθρακα. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η διαδικασία χαρακτηρισµού των νανορευστών που παρασκευάστηκαν. Σηµειώνεται ότι για το χαρακτηρισµό τόσο των νανοσωλήνων, όσο και των αιωρηµάτων τους, χρησιµοποιήθηκαν και σε αυτήν την περίπτωση µικροσκοπικές και φασµατοσκοπικές µέθοδοι. Το έκτο κεφάλαιο περιέχει τις µετρήσεις θερµικής αγωγιµότητας των νανορευστών µε αιωρούµενα σφαιρικά νανοσωµατίδια. Ως διασπαρµένη φάση χρησιµοποιήθηκαν νανοσωµατίδια Cu, SiC και νανοδιαµάντια, ενώ το συνεχές µέσο ήταν νερό, αιθυλενογλυκόλη ή προπανοδιόλη-1,2. Γίνεται σύγκριση των αποτελεσµάτων µε τις υπάρχουσες µετρήσεις άλλων ερευνητικών οµάδων. Επισηµαίνεται ότι, για τον έλεγχο της καλής λειτουργίας της συσκευής, πριν από την έναρξη της µελέτης των νανορευστών αλλά και σε τακτά χρονικά διαστήµατα µεταξύ των οµάδων πειραµάτων, µετρήθηκε η θερµική αγωγιµότητα του τολουολίου, το οποίο έχει προταθεί από τη ∆ιεθνή Ένωση Απλής και Εφαρµοσµένης Χηµείας (IUPAC) ως πρότυπο ρευστό. Επιπλέον, µετρήθηκε σε τακτά διαστήµατα και η θερµική αγωγιµότητα του νερού, το οποίο επίσης προτάθηκε ως πρότυπο ρευστό από την πρώην Υποεπιτροπή Ιδιοτήτων Μεταφοράς της IUPAC. Το έβδοµο κεφάλαιο περιλαµβάνει τις µετρήσεις θερµικής αγωγιµότητας για τα αιωρήµατα νανοσωλήνων άνθρακα, πολυστρωµατικών και ολιγοστρωµατικών. Ως συνεχές µέσο χρησιµοποιήθηκαν το νερό, η αιθυλενογλυκόλη και το ΤΚΟ-19 Ultra, ενώ ως επιφανειοδραστικά τα SDS, CTAB, Triton X-100, Nanosperse AQ. Επιπλέον, έγιναν δοκιµές µε το CTAB και το σταθεροποιητή PSS. Στην ενότητα αυτή γίνεται σύγκριση των αποτελεσµάτων µε τα πειράµατα άλλων ερευνητών που δραστηριοποιούνται στην περιοχή. Σηµειώνεται ότι ακολουθήθηκε η ίδια διαδικασία ελέγχου της καλής λειτουργίας της συσκευής, όπως και για τις µετρήσεις µε νανοσφαιρίδια, µε µέτρηση της θερµικής αγωγιµότητας του τολουολίου και του νερού σε τακτά διαστήµατα, πριν και µετά από κάθε σειρά πειραµάτων. Το τελευταίο κεφάλαιο αναφέρεται στις επικρατούσες απόψεις για τον τρόπο µετάδοσης της θερµότητας στα νανορευστά. Ακόµη, συζητούνται τα συµπεράσµατα που προκύπτουν για την παρατηρούµενη αύξηση της θερµικής αγωγιµότητας των νανορευστών, από την αξιολόγηση των πειραµάτων της παρούσας εργασίας. Επιπλέον, γίνεται αναφορά σε υπάρχοντα µοντέλα πρόβλεψης και συσχέτισης για τη θερµική αγωγιµότητα των νανορευστών, καθώς και σύγκρισή τους µε τη χρήση µίας αντιπροσωπευτικής οµάδας νανορευστών. Σχολιάζονται τα αποτελέσµατα των προσοµοιώσεων για τα νανορευστά που διενεργήθηκαν από άλλες ερευνητικές οµάδες και αξιολογούνται τα συµπεράσµατά τους. Τέλος, περιγράφεται η προσπάθεια προκαταρκτικών προσοµοιώσεων της µεταφοράς θερµότητας στα νανορευστά µε νανοσωλήνες άνθρακα, η οποία πραγµατοποιήθηκε στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, µε τη µέθοδο των πεπερασµένων στοιχείων σε δύο διαστάσεις. Η διατριβή ολοκληρώνεται µε τα συµπεράσµατα που προκύπτουν από τα αποτελέσµατα των προσοµοιώσεων.
description: The subject of this PhD thesis was the measurement of the thermal conductivity of nanofluids, which are suspensions of nanoparticles in various fluidsw. The goal is to achieve a significant enhancement of the thermal conductivity with the addition of a small amount of nanoparticles. The procedure for the preparation of the nanofluids is described, along with the characterisation procedure for the raw materials and the nanofluids. The thermal conductivity was measured with the transient hot-wire method. The dispersed phase was Cu, SiC nanoparticles, nanodiamonds, C-MWNTs and C-OWNTS. Among the fluids used water, ethylene glycol and pump oil. The dispersants were SDS, CTAB, Triton x-100 and nanosphere AQ. The prepared nanofluids were homogeneous and stable during the measurements and the maximum thermal conductivity enhancement obtained was 39%