Экспериментальное исследование теплофизических свойств нанотеплоносителей на основе растворов пропиленгликоль/вода

УДК 536.7

В. П. Железный, Д. А. Ивченко, С. С. Рябикин, Н. А. Шимчук

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАНОТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ РАСТВОРОВ ПРОПИЛЕНГЛИКОЛЬ/ВОДА

Ключевые слова: Теплоноситель, изопропиловый спирт, нанофлюид, наночастицы, теплофизические свойства.

В статье приведены результаты комплексного исследования теплофизических свойств теплоносителей для низкотемпературной техники. Основными компонентами теплоносителей являются пропиленгликоль и вода. Приведены данные по плотности, вязкости, теплопроводности и теплоемкости объектов исследования. В работе анализируется влияние наночастиц TiO2 на теплофизические свойства теплоносителей. На основании проведенных исследований сформулирован вывод о целесообразности применения нанотехнологий при разработке нового поколения низкотемпературных теплоносителей.

Keywords: coolant, isopropyl alcohol, nanofluid, thermophysical properties.

The paper presents the results of a comprehensive study of thermal properties of heat transfer fluids for low-temperature technology. The main components of coolants are propylene glycol and water. Presents data on the density, viscosity, thermal conductivity and heat capacity of the research objects. This paper analyzes the impact of TiO2 nanoparticles on the thermal properties of heat transfer fluids. Based on the performed research conclusion is formulated on the feasibility of nanotechnology in the development of a new generation of coolants.

Введение

Создание систем косвенного охлаждения является одним из способов снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду за счет сокращения прямой эмиссии хладагентов обладающих высоким значением потенциала глобального потепления. В этом типе холодильного оборудования перенос тепла от охлаждаемого объекта к хладагенту осуществляется посредством промежуточной среды - теплоносителя (ТН). Холодильные установки с промежуточным теплоносителем требуют дополнительных финансовых затрат на создание теплообменных аппаратов и энергетических затрат на работу циркуляционного насоса. Эти затраты можно существенно уменьшить или даже полностью компенсировать за счет выбора теплоносителей с оптимальными теплофизическими, физико-химическими и эксплуатационными свойствами.

Проблема выбора теплоносителей обычно решается путем подбора рецептур, способных обеспечить для теплоносителей комплекс свойств отвечающих определенным термодинамическим, физико-химическим, токсикологическим и технологическим параметрам. Помимо этого эмпирического подхода, в настоящее время все большее внимание исследователей привлекают возможности применения нанотехнологий при формировании теплофизических свойств теплоносителей.

Целью настоящей работы является изучение влияния наночастиц на теплофизические свойства широко применяемого на практике теплоносителя ХНТ-40, содержащиеся в литературе данные о теплофизических свойствах для которого весьма противоречивы.

Для того чтобы оценить влияния наночастиц на теплофизические свойства теплоносителя ХНТ-40 необходимо располагать надежными экспериментальными данными о его

теплофизических свойствах. С этой целью были проведены экспериментальные исследования плотности, вязкости, теплопроводности и теплоемкости теплоносителя ХНТ-40.

Экспериментальное исследование теплофизических свойств теплоносителей

В результате проведенного

экспериментального исследования была измерена плотность образца теплоносителя ХНТ-40 в интервале температур 233-353 К. Определение плотности масла выполнено пикнометрическим методом. Колебания температуры в термостате не превышали ± 0,05 К. Погрешность измерения температуры менее 0,2 К. Все измерения проводились многократно с целью уменьшения влияния случайной погрешности измерений. Полученные экспериментальные данные аппроксимированы уравнением

1п р ' = 1п рс + В1

где р - плотность (кг/м3); В1 - амплитуда, характеризующая индивидуальные свойства вещества; т = 1п(ТС/Т) - приведенная температура; р - критический показатель степени, равный 0,3245; Е1(т)=1-1,113^т°'4/1п(т) - универсальная кроссоверная функция.

При аппроксимации получены следующие значения коэффициентов В1, ТС, рс В1, для ХНТ-40 (В1 = 1,705; ТС = 1918 К; рс = 0,284 г/см3); для ХНТ-40(мод), (В1 = 1,5806; ТС = 915,6 К; рс = 0,3572 г/см3).

Выполненный анализ показывает, что погрешность измерения плотности в проведенных исследованиях не превышала 0,05%.

Экспериментальные исследования вязкости хладоносителя ХНТ-40 проведены в интервале температур 233-362 К на экспериментальной установке, основным элементом которой является стеклянный капиллярный вискозиметр с висячим уровнем.

Проведенные исследования показали, что колебания температуры в термостате не превышали ± 0,05 К. Погрешность измерения температуры менее 0,2 К. Все измерения проводились многократно с целью уменьшения влияния случайной погрешности измерений.

Для аппроксимации экспериментальных данных было использовано уравнение Вальтера

М^у + А)) = В +С  Ы

где V - кинематическая вязкость (мм2/с); Т -температура (К). В результате аппроксимации были получены следующие коэффициенты уравнения (2) для ХНТ-40: А=3,609; 5=1,575; С=2,473; ХНТ-40(мод) А=5,39; В=2,355; С=1,636.

Выполненный анализ показывает, что доверительный интервал погрешности измерения кинематической вязкости в исследованном диапазоне параметров не превышал 0,5 мм2/с.

Для экспериментального исследования теплопроводности ХНТ-40 был использован нестационарный (диаметр нити-нагревателя 0,05 мм) метод нагретой нити. Колебания температуры в термостате не превышали ± 0,05 К. Полученные экспериментальные данные в интервале температур 273-373К аппроксимированы уравнением

I =

В результате аппроксимации были получены следующие коэффициенты уравнения (3): А = 0,2495; В = -10066.

Выполненный анализ показывает, что погрешность измерения температуры в проведенных исследованиях не превышала 0,2 К. Относительная погрешность полученных экспериментальных данных менее 1,8%.

Измерения теплоемкости хладоносителя ХНТ-40 выполнено методом непосредственного нагрева в калориметре переменной температуры с изотермической оболочкой. Полученные экспериментальные данные по теплоемкости в интервале температур 233-383 аппроксимированы уравнением

С„ = А + В • Т + С • Т 2

где Ср - изобарная теплоемкость (кДж/(кг-К)); Т -температура, К; А, В и С полученные при аппроксимации экспериментальных данных коэффициенты: А = 1,5172; В = 0,007149; С = -2,267-10-6.

Выполненный анализ показывает, что погрешность измерения теплоемкости в проведенных исследованиях не превышала 0,7%.

Оценка влияния наночастиц на теплофизические свойства теплоносителя ХНТ-40 проведена для образцов ХНТ-40/изопропанол (сурфактант)/наночастицы ТЮ2 следующих составов: для теплопроводности - 99,45/0,45/0,10 масс.%; теплоемкости - 99,45/0,45/0,10 масс.%; вязкости - 99,5/0,5/0,0; 99,41/0,48/0,11; 97,05/2,4/0,55 масс.%. Размер наночастиц оксида титана не превышал 25 нм.

Полученные результаты демонстрируют рисунки 1-3.

4.24.0-

£3.8-|3.6 »3.43.0-

— Справочные данные [1] -О— Справочные данные [2] О ХНТ-40

Д ХНТ-40 + ИПС

240 260 280 300 320 340 360 380

Т, К

Рис. 1 - Температурная зависимость

теплоемкости ХНТ-40 и нанофлюида

(99,45%ХНТ-40 / 0,45% изопропанол (сурфактант) / 0,1% ТЮ2

Результаты сравнения вязкости и

теплопроводности нанофлюида и ХНТ-40 представлены в приведенной форме на рисунках 2 и 3.

1.2

1.15 1.1

1.05

Н

<? 1

> 0.95 0.9 0.85 0.8

д д п Д

А о

О О 1

д о д 2

д

290

300

310

330

340

350

320

х к

Рис. 2 - Зависимость отношения вязкости исследованных нанофлюидов к вязкости чистого ХНТ-40: 1- ХНТ-40/ИПС 0,50%; 2- ХНТ-40/ИПС 0,48%/ТЮ2 0,11%; 3- ХНТ-40/ИПС 2,40%/Ti02 0,55%

О ХНТ-40

Д ХНТ-40 + ИПС

240 260 280 300 320 340 360 380 Г, К

Рис. 3 - Температурная зависимость теплопроводности хладоносителя ХНТ-40 и нанофлюида ХНТ-40 / ИПС

Выводы

Из представленных рисунков следует, что примеси изопропилового спирта (сурфактанта) в ХНТ-40 приводят к снижению вязкости теплоносителей в области низких температур. В области высоких температур примеси изопропанола в ХНТ-40 приводит к увеличению вязкости. Примеси наночастиц ТЮ2 в растворах изопропилового спирта с ХНТ-40 всегда приводят к увеличению вязкости и теплопроводности хладоносителя. Таким образом, варьируя концентрацией сурфактанта и наночастиц возможно

получение нового поколения теплоносителей обладающих указанной в сертификате вязкостью.

Литература

1. ASHRAE, Handbook Fundamentals, S-I Edition, Atlanta, GA, 1993.

2. M. Conde, Engineering. Thermophysical properties of brines, Zurich, 2011.

3. Ю.А. Желиба, Д.А. Войтко, Промежуточные теплоносители и хладоносители. Феникс, Одесса, 2012. 320 с.

© 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; Д. А. Ивченко - ассистент кафедры, институт холода криотехнологий и экоэнергетики им. Мартыновского, кафедра теплофизики и прикладной экологии, одесская национальная академия пищевых технологий, dmitriy.ivchenko@gmail.com; С. С. Рябикин - аспирант, младший научный сотрудник, институт холода криотехнологий и экоэнергетики им. Мартыновского, кафедра теплофизики и прикладной экологии, одесская национальная академия пищевых технологий, ryabikin90@mail.ru; 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.

© 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; D. O. Ivchenko - assistant of the department, institute of refrigeration, cryotechnology and eco-energy, Department of Thermal Physics and Applied Ecology, Odessa National Academy of Food Technologies, dmitriy.ivchenko@gmail.com; S. S. Riabikin - postgraduate student, scientific assistant, institute of refrigeration, cryotechnology and eco-energy, Department of Thermal Physics and Applied Ecology, Odessa National Academy of Food Technologies, ryabikin90@mail.ru; M. O. Shymchuk - 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.