Вплив концентрації наночастинок, їх розміру і форми

1.2. Вплив концентрації наночастинок, їх розміру і форми

Максимальна зростання наведеної теплопровідності склав 30-40% для різних базових рідин. Як правило, з ростом концентрації наночастинок наведена теплопровідність збільшувалася, проте в роботі Лі і Петерсона [11] ефект впливу наночастинок на наведену теплопровідність зменшувався при збільшенні концентрації від 6 до 10%. Результати роботи Тимофєєвої та співавт. [13] для цього ж діапазону концентрацій показують протилежний результат.

Аналіз впливу розміру і форми наночастинок на наведену теплопровідність з опублікованих робіт не дозволяє знайти не тільки закономірності, але і навіть тенденції такого впливу. Цей висновок ілюструє рис. 2.2, на якому представлені результати вимірювань з наночастками розміром від 13 до 80 нм (базова рідина - етиленгліколь).

Мал. 2.2. Вплив розмірів наночастинок на наведену теплопровідність нанофлюідов на основі етиленгліколю
1-15 нм [3], 2-35 нм [5], 3-40 нм [13], 4-80 нм [3]

Частина опитаних даних показує, що з ростом розміру наночастинок наведена теплопровідність при фіксованій концентрації зростає, інші дані призводять до протилежних висновків. Практично у всіх публікаціях вказана сферична форма наночастинок.

1.3. Вплив температури

Результати деяких досліджень впливу температури на наведену теплопровідність наведені на мал. 2.3.

Мал. 2.3. Вплив температури на наведену теплопровідність нанофлюідів
1, 2, 3 - дані [2] при х = 1,25%, 2,75% і 4,25%; 4, 5 - дані [8]
при х = 1% і 4%; 6 - дані [11] при х = 2%.

Як видно з цього мал., Результати цих вимірювань прямо протилежні - частина з них показує зменшення ефекту впливу наночастинок на теплопровідність базової рідини з ростом температури, інша частина - збільшення цього ефекту. Можливо, це пов'язано зі збільшенням рухливості молекул і розпадом кластерів (конгломератів) наночастинок. До такого ж висновку прийшли Мёрст і ін. [15], вивчаючи вплив добавки сурфактанта на зростання наведеної теплопровідності при різних температурах.

1.4. Вплив методів проведення експерименту.

Методика підготовки нанофлюіда до досліджень, що забезпечує його стабільність, і методика проведення експерименту по теплопровідності, адаптована до специфіки вивчення властивостей нанофлюідов (вплив конвективного, дифузійної та радіаційної складових) мають першорядне значення.

При вимірі теплопровідності нанофлюідов використовувалися як стаціонарні (метод плоского горизонтального шару), так і нестаціонарні (метод нагрітої нитки, метод «короткій» нагрітої нитки, метод нагрітої мікрополоскі, метод температурних коливань, так званий «3ω» метод, метод фототермічна радіометрії, метод теплового компаратора), а також неінвазивні оптичні методи вимірювань. В рамках цієї роботи немає можливості проаналізувати всі зазначені методи вимірювань теплопровідності нанофлюідов з точки зору їх точності, однак слід відзначити їх деякі характерні особливості.

Найбільший обсяг експериментальних даних до теперішнього часу отримано за допомогою нестаціонарного методу нагрітої нитки. Цей метод використовувався багатьма авторами для дослідження теплопровідності різних однофазних рідин. Таке широке застосування нестаціонарного методу нагрітої нитки пояснюється наявністю ряду переваг перед іншими методами досліджень: відносна простота конструкції вимірювального вузла; метод забезпечує достатню точність для однофазних середовищ і вельми експресивний (процес вимірювання займає не більше кількох секунд). Теорія цього методу заснована на одновимірному вирішенні рівняння Фур'є для лінійного джерела теплоти, який являє собою нескінченно довгу і тонку нитку, що розсіює тепло в нескінченну середу. Разом з тим, вплив граничних умов, конвективного, дифузійної та радіаційної складових в дослідах з нестаціонарним методом нагрітої нитки для нанофлюідов не вивчено.
Ряд удосконалень нестаціонарних методів був зроблений в більш пізніх роботах. Наприклад, Xie, Zhang і ін. [3,12] використовували нестаціонарний

метод «короткій» нагрітої нитки, теорія якого заснована на двомірному вирішенні рівняння Фур'є для лінійного джерела теплоти з тим же відношенням довжини до діаметра, що і зразок нанофлюіда. На думку авторів, така методика дозволяє враховувати крайові ефекти.

До недоліків методу слід віднести складність виготовлення вимірювальної комірки (вибір матеріалу нитки і трубки, її виготовлення, ізоляція при високих температурах, підведення газу), труднощі вимірювання температури внутрішньої поверхні трубки і неможливість точного розрахунку градієнта температури в стінці капіляра (це особливо істотно при дослідженні речовин , що мають високий коефіцієнт теплопровідності), наявність значних градієнтів температури біля поверхні нагрітої нитки, помітний вплив температурного стрибка і можливість появи конвекції, вплив якої важко врахувати. Методом нагрітої нитки не можна досліджувати гази, які, контактуючи з поверхнею нитки, можуть змінювати її електричні властивості.

Спробу уникнути агрегації наночастинок і їх осадження зробив Mintsa [7], який помістив пристрій для перемішування нанофлюіда поруч з вимірювальним пристроєм, що реалізує нестаціонарний метод нагрітої нитки. У деяких роботах нагрівач і датчик температури були відокремлені один від одного (в якості нагрівача використовувався лазерний промінь, а в якості датчика температури - термометр опору), однак це не призвело до збільшення точності отриманих результатів.

В останні роки активно розроблялися оптичні методи вимірювання
теплопровідності [19-26], в яких датчик температури і нагрівач відокремлені один від одного, забезпечуючи потенційно більш точні
дані. Вимірювання в такому пристрої відбуваються протягом декількох мікросекунд, тобто набагато швидше, ніж при вимірах за допомогою «класичного» варіанту нестаціонарного методу нагрітої нитки. На думку авторів цих робіт, вплив природної конвекції в таких умовах дуже малий.

Порівняння результатів вимірювань теплопровідності нанофлюідов на основі наночастинок Al2O3 різними методами наведено на мал. 2.4.

Мал. 2.4. Вплив методів вимірювання на наведену теплопровідність
1-метод плоского шару [4], 2-нестаціонарній метод нагрітої нитки [6], 3-метод температурних коливань [8], 4-3ω метод [16].

Як видно з цього графіка, розбіжності даних різних авторів значно перевершують заявлену ними похибка. Причини таких розбіжностей неочевидні, проте зрозуміло, що найбільшої довіри заслуговують результати, отримані при варіюванні основних факторів, що впливають.