Комплексное экспериментальное исследование теплофизических свойств нанофлюидов изопропиловый спирт/al 2O 3 на линии кипения

УДК532.11: 532.612: 532.133: 536.223: 536.632: 536.652

В. П. Железный, В. З. Геллер, Н. А. Шимчук, Н.Н. Лукьянов, А. Г. Никулин

КОМПЛЕКСНОЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАНОФЛЮИДОВ ИЗОПРОПИЛОВЫЙ СПИРТ/А1203 на линии кипения

Ключевые слова: нанофлюид, изопропиловый спирт, теплофизические свойства.

Проведено исследование влияния примеси наночастиц Л12О3 на теплофизические свойства изопропилового спирта. В результате исследования был сделан вывод, что наибольшее влияние наночастицы оказывают на вязкость и теплопроводность изопропилового спирта. Примеси наночастиц Л12О3 способствуют понижению поверхностного натяжения и увеличению давления насыщенных паров изопропилового спирта. В работе показано, что изменение давления насыщенных паров, изученных нанофлюидов функционально связано с изменением поверхностного натяжения.

Keywords: nanofluid, isopropyl alcohol, thermophysical properties.

The effect of impurity of Л12О3 nanoparticles on thermal properties of isopropyl alcohol was investigated. As a result, the study concluded that the greatest impact nanoparticles have on the viscosity and thermal conductivity of isopropyl alcohol. Impurity Л12О3 nanoparticles reduce the surface tension and increase the vapor pressure of isopropyl alcohol. It is shown that the change in vapor pressure of nanofluids functionally related to the change of surface tension.

Введение

Влияния наночастиц на теплофизические свойства веществ и теплообменные характеристики рабочих тел и теплоносителей в последние годы привлекает пристальное внимание исследователей. Несмотря на обилие опубликованных работ, посвященных изучению нанофлюидов в настоящее время преждевременно говорить о решении таких важных вопросов как корректная физическая интерпретация полученных данных, моделирование теплофизических свойств и процессов теплообмена.

С учетом изложенного, в качестве объекта исследования были рассмотрены модельные системы: чистый изопропиловый спирт (ИПС) и приготовленные на его основе нанофлюиды с различными массовыми концентрациями наночастиц AI2O3. Образцы приготавливались путем добавления чистого (99,8%) изопропилового спирта CAS 67-63-0 к исходному нанофлюиду (CAS 134428-1 - 20% наночастиц AI2O3 в изопропиловом спирте). Средний размер наночастиц в приготовленных нанофлюидах составлял 50 нм.

В докладе представлены результаты исследования влияния наночастиц AI2O3 на давление насыщенных паров, поверхностное натяжение, вязкость, теплопроводность,

теплоемкость и температуру плавления изопропилового спирта.

Исследование давления насыщенных паров нанофлюидов

Для исследования давления насыщенных паров нанофлюидов был использован статический метод. Выполненный анализ погрешности показывает, что доверительный интервал погрешности измерения давления насыщенных паров в исследованном интервале температур не превышает 0,3%. Результаты выполненного исследования представлены в таблице 1, в которой показаны отклонения давления насыщенных паров наноспирта и чистого спирта при различных

температурах.

Из приведенной в таблице 1 информации следует, что примеси наночастиц А12О3 в изопропиловом спирте при температурах до 80С способствуют повышению давления насыщенных паров. При более высоких температурах относительный эффект присутствия наночастиц А12О3 незначителен.

Исследование поверхностного натяжения нанофлюидов

Поверхностное натяжение нанофлюидов измерено на установке, реализующей дифференциальный капиллярный метод. Выполненный анализ погрешности показывает, что доверительный интервал погрешности измерения поверхностного натяжения в исследованном интервале температур не превышает 1%. Результаты выполненного исследования представлены в таблице 1.

Анализируя приведенную в таблице 1 информацию можно констатировать, что примеси наночастиц А12О3 в изопропаноле при массовых концентрациях до 0.5% приводят к понижению поверхностного натяжения. При дальнейшем увеличении концентрации наночастиц до Х= 0.8% поверхностное натяжение наноспиртов начинает возрастать. Следует заметить, что давление насыщенных паров функционально связано с поверхностным натяжением нанофлюидов.

Анализ приведенных в таблице 2 результатов измерений показывает, что присутствие наночастиц существенно увеличивает вязкость исследованных образцов нанофлюидов (примерно на 50% на 1% концентрации наночастиц). Приведенная вязкость в таблице 2 — это отношение вязкости изопропилового спирта с добавками наночастиц к вязкости чистого изопропилового спирта.

Таблица 1 — Относительные отклонения давления насыщенных паров (АР) наноспирта от давления насыщенных паров чистого изопропилового спирта, а также поверхностное натяжение (о) при различных температурах (1) и концентрациях (ХА^03) нанофлюидов

ха1_203 мас.% г, °С АР, % ха1_203 мас.% г, °С мН/м

26.07 5.17 11.95 22.01

33.38 3.52 19.98 21.39

50.70 1.04 30.05 20.61

0.108 52.57 0.87 0 39.98 19.83

61.69 0.28 50.11 19.03

70.28 0.03 60.04 18.23

81.57 0.09 70.06 17.41

89.82 0.37

30.17 10.31 11.95 21.40

50.20 2.85 19.98 20.75

59.01 1.24 30.05 20.01

0.051 70.06 0.29 0.5 39.98 19.35

78.74 0.22 50.11 18.51

88.32 0.75 60.04 17.31

70.06 16.53

26.33 2.99 19.95 21.29

30.36 2.70 30.02 20.32

50.93 1.55 39.91 19.46

0.506 60.74 1.14 0.86 50.07 18.72

68.36 0.89 59.94 17.73

80.11 0.57 70.03 16.87

89.17 0.38

Таблица 2 — Вязкость (у) и приведенная вязкость (у/у0) изопропилового спирта при разных температурах (1) и концентрациях (Хдь203) наночастиц А1203

ха1_203, об.% V, мм2/с v/Vo

0 20 3.118

30 2.349

50 1.393

70 0.898

0.030 30 2.418 1.029

50 1.453 1.042

70 0.948 1.056

1.190 20 5.319

30 4.176 1.777

50 2.333 1.644

70 1.373 1.529

2.640 30 6.003 2.555

50 3.393 2.335

70 1.912 2.129

Исследование теплопроводности нанофлюидов

Для экспериментального исследования теплопроводности системы изопропиловый спирт/наночастицы А120з были разработаны два измерительных устройства, которые реализуют стационарный и нестационарный метод нагретой нити (диаметр нити-нагревателя составил 0,1 мм, толщина слоя среды - 0,55 мм).

Результаты измерений теплопроводности для системы изопропиловый спирт/Л120з, показывают (см. рис. 1 и 2), что эффект влияния наночастиц А1203 на теплопроводность изопропилового спирта достигает примерно 4% на 1% объемной концентрации наночастиц А1203.

0Л6

:ол5

н СП

'0,14

ОЛЗ

Х=2.64об.%

• Х=1 р19об.%

♦ Данные [1] Данные [2]

20 _ 40 _ 60 80

Температура, °С

Рис. 1 - Температурная зависимость теплопроводности нанофлюидов изопропиловый спирт/ А1203. при разных концентрациях наночастиц

1Л2

1,08

о

\-г=) 5°С 2-^40°С

1,04

1.0 1.5 2.0

Концентрация, об.%

Рис. 2 - Концентрационная зависимость приведенной теплопроводности при

различных температурах, где -

теплопроводность изопропилового спирта

Исследование теплоемкости нанофлюидов и температуры фазового перехода

Измерения теплоемкости нанофлюидов и температуры фазового перехода твердая фаза -жидкость выполнено методом непосредственного нагрева в калориметре переменной температуры с изотермической оболочкой. Измерение изобарной теплоемкости проведено для нанофлюида, который

имел массовую концентрацию наночастиц 0.1%. Выполненный анализ показывает, что погрешность полученных данных для изобарной теплоемкости не превышает 0,75%. Полученные результаты демонстрирует рис. 3.

Температура,0 С

Рис. 3 - Температурная зависимость приведенной теплоемкости при массовой концентрации наночастиц А!гО3 0.1%

Исследование температуры плавления нанофлюидов

Исследование влияния наночастиц А12О3 на температуру плавления выполнено методом термограмм на калориметре переменной температуры при концентрациях наночастиц А12О3 в изопропаноле: 0,024%; 0,05%; 0,1%; 0,24%; 0,48%; 0,75%. Результаты проведенного исследования демонстрирует рис. 4.

Анализируя полученную

экспериментальную информацию можно констатировать, что примеси наночастиц А12О3 влияют на теплофизические свойства изопропилового спирта. Наибольшее влияния

наночастицы оказывают на вязкость и теплопроводность изопропилового спирта. Примеси наночастиц А12О3 способствуют понижению поверхностного натяжения и увеличению давления насыщенных паров изопропилового спирта. В работе показано, что изменение давления насыщенных паров изученных нанофлюидов функционально связано с изменением поверхностного натяжения.

Концентрация, %

Рис. 4 - Концентрационная зависимость

температуры плавления наноспиртов

Литература

1. Экспериментальные данные

2. Н. Б. Варгафтик, Л.П. Филипов, А.А. Тарзиманов, Е.Е. Тоцкий, Справочник по теплопроводности жидкостей и газов — М.:Энергоатомиздат, 1990, 142-143

3. Randolph C. Wilhoit, Jing Chao, and Kenneth R. Hall, J.Phys. Chem. Ref. Data, Vol. 14, No. 1, 50-54, 1985

4. VDI Heat Atlas (2009) D3, Properties ofPure Fluid Substances: 301-349, Elsevier Bibliography

© В. П. Железный - профессор, доктор технических наук, институт холода криотехнологий и экоэнергетики им. Мартыновского, кафедра теплофизики и прикладной экологии, одесская национальная академия пищевых технологий, vzhelezny@mail.ru; В. З. Геллер - профессор, доктор технических наук, институт холода криотехнологий и экоэнергетики им. Мартыновского, кафедра теплофизики и прикладной экологии, одесская национальная академия пищевых технологий, vladimirgeller11@gmail.com; Н. А. Шимчук - аспирант, младший научный сотрудник, институт холода криотехнологий и экоэнергетики им. Мартыновского, кафедра теплофизики и прикладной экологии, одесская национальная академия пищевых технологий, nikola_collizzey@ukr.net; Н.Н. Лукьянов - аспирант, младший научный сотрудник, институт холода криотехнологий и экоэнергетики им. Мартыновского, кафедра теплофизики и прикладной экологии, одесская национальная академия пищевых технологий, nikolai_lukyanov@ukr.net; А. Г. Никулин - аспирант, младший научный сотрудник, институт холода криотехнологий и экоэнергетики им. Мартыновского, кафедра теплофизики и прикладной экологии, одесская национальная академия пищевых технологий, arteomng@gmail.com

© V. P. Zhelezny - Professor. Dr. Sc, institute of refrigeration, cryotechnology and eco-energy, Department of Thermal Physics and Applied Ecology, Odessa National Academy of Food Technologies, vzhelezny@mail.ru; V. Z. Geller - Professor. Dr. Sc, institute of refrigeration, cryotechnology and eco-energy, Department of Thermal Physics and Applied Ecology, Odessa National Academy of Food Technologies, vladimirgeller11@gmail.com; N. A. Shimchuk - postgraduate student, scientific assistant, institute of refrigeration, cryotechnology and eco-energy, Department of Thermal Physics and Applied Ecology, Odessa National Academy of Food Technologies, nikola_collizzey@ukr.net; M. M. Lukianov - postgraduate student, scientific assistant, institute of refrigeration, cryotechnology and eco-energy, Department of Thermal Physics and Applied Ecology, Odessa National Academy of Food Technologies, nikolai_lukyanov@ukr.net; A. G. Nikulin - postgraduate student, scientific assistant, institute of refrigeration, cryotechnology and eco-energy, Department of Thermal Physics and Applied Ecology, Odessa National Academy of Food Technologies, arteomng@gmail.com.