Untersuchung der Wärmeleitfähigkeit und Wärmeleistung von Wärmerohren durch strukturell gestaltetes, mit Copolymer stabilisiertes ZnO-Nanofluid

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 14219 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die vorliegende Studie konzentrierte sich auf die Abschätzung der Wärmeleitfähigkeit, Stabilität, Effizienz und des Widerstands eines Wärmerohrs für Wärmetauscher, die für viele industrielle Anwendungen unerlässlich sind. Um dies zu erreichen, wurde ein Copolymer aus amphiphilem Poly (Styrol-co-2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure) Poly (STY-co-AMPS) durch eine radikalische Polymerisationstechnik synthetisiert. Das Dispergiermittel wurde zur homogenen Lösung und Stabilisierung von ZnO-Nanofluiden verwendet. Die Wirkung des Dispergiermittels auf die Wärmeleitfähigkeit von Nanoflüssigkeiten wurde mit einem KD2 Pro-Analysegerät für thermische Eigenschaften analysiert. Es gibt einen signifikanten Anstieg der Flüssigkeitsleitfähigkeit, der nichtlinear mit dem Volumenanteil zusammenhängt. Die maximale Verbesserung wurde bei einer optimierten Konzentration des Dispergiermittels von 1,5 Vol.-% beobachtet. Gleichzeitig wurde der Einfluss des Dispergiermittels auf die Wärmeleitfähigkeit von Nanoflüssigkeiten mit linearen Polyelektrolyten verglichen. Darüber hinaus wurden die experimentellen Werte mit den bestehenden klassischen Modellen verglichen, basierend auf der sinnvollen Kombination, dass die vorbereiteten Nanoflüssigkeiten als Arbeitsmedium verwendet wurden. Das herkömmliche Siebgewebe-Wärmerohr und die Temperaturverteilung zum Wärmewiderstand des Wärmerohrs wurden experimentell untersucht. Das Ergebnis zeigt, dass die optimale Konzentration von Dispergiermitteln auf Nanopartikeln im Vergleich zu den Basisflüssigkeiten eine verbesserte Wärmeeffizienz aufweist. Darüber hinaus zeigen der Wärmewiderstand und die Temperaturverteilung ein verringertes Verhalten durch Erhöhung des Partikelvolumenanteils und der Dispergiermittelkonzentration.

In den letzten zwei Jahrzehnten waren Energiespeicherung, Energieübertragung und Wärmeerzeugung die wichtigsten Forschungsbereiche, für die 90 % des globalen Energiebudgets aufgewendet wurden. Die rasanten Entwicklungen wurden in der Forschung zu fortschrittlichen thermischen Materialien und Technologien aufgegriffen. Daher besteht ein Bedarf, die thermophysikalischen Eigenschaften der Arbeitsflüssigkeiten zu verbessern, was zu einer Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung der Geräte führen kann. Aufgrund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit, die sich auf die Leistung der Wärmeübertragungsgeräte auswirkt, wurden hauptsächlich Motoröl, Ethylenglykol und Wasser als herkömmliche Flüssigkeiten zur Wärmeübertragung verwendet. Da das Wärmerohr ein zweiphasiges Wärmeübertragungsgerät ist, das Wärme mit einem sehr geringen Temperaturabfall von einem Ort zum anderen überträgt. Aufgrund ihrer effektiven Kühleffizienz werden diese häufig in verschiedenen Wärmeübertragungsanwendungen eingesetzt. Das Wärmerohr ist in vielen thermischen Anwendungen ein gängiges Kühlsystem, da das Arbeitsmedium durch einen kapillaren Druckgradienten zirkuliert. Der Phasenübergang und die Verdampfung/Kondensation des Arbeitsmediums führen zu erheblichen Schwankungen der Wärmeübertragungseigenschaften. Die Wirksamkeit von Wärmerohren basiert auf der Qualität/Abmessung des Materials, den Flüssigkeitseigenschaften und den Dochtstrukturen1. Die thermische Anwendung umfasst beispielsweise Solarsysteme2, Gassensorik3, elektronische Kühlung4, Optoelektronik5, Luft- und Raumfahrt6 und Wärmetauscher7,8.

Für Wärmeübertragungsanwendungen wurden Nanoflüssigkeiten als Arbeitsflüssigkeiten verwendet, die die Nachteile herkömmlicher Flüssigkeiten überwinden können. Die stabile Dispersion thermischer Nanofluide ist erforderlich, um das Potenzial auszuschöpfen und die Industriestandards zu verwirklichen9. Der Hauptnachteil von NP wäre die Phasentrennung und die Ausfällung aus den Flüssigkeiten. Während des Wärmeübertragungsprozesses würden die aggregierten Nanoflüssigkeiten zu Verstopfungen und Abriebproblemen in bestimmten mikroelektronischen Systemen führen10. Das Erreichen der Dispersion thermischer Nanofluide ist eine der größten Herausforderungen, und es wurden viele Ansätze versucht, die die Hinzufügung von Oberflächenladungen bzw. die Nutzung chemischer Oberflächenmodifikationen mit Tensiden umfassen. Ultraschallbehandlung, mechanisches Rühren usw.

Viele Forscher haben versucht, die thermische Leistung von Nanoflüssigkeiten zu verbessern, indem Kang et al.11 die Wirkung von Silber-Nanoflüssigkeiten auf ein gesintertes Wärmerohr untersuchten. Ihren Erkenntnissen zufolge sinkt die Eingangsleistung der Wandtemperatur um 30–50 W. Darüber hinaus zeigten Nanoflüssigkeiten als Arbeitsmedium in Wärmerohren eine höhere thermische Leistung von bis zu 70 W im Vergleich zu Wasser als Basisflüssigkeit12. In ähnlicher Weise untersuchten Rosari et al.13 die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmeleistung des Wärmerohrs von Nanoflüssigkeiten auf ZnO-Ethylenglykol-Basis bei geringeren Partikelvolumenanteilen. Ihrer Beobachtung zufolge nehmen die Temperaturverteilung und der Wärmewiderstand der Wärmerohre ab, wenn der Partikelvolumenanteil und die Kristallgröße zunehmen. Jian et al.14 hingegen berichteten über den Vergleich der thermischen Leistung von oszillierenden Wärmerohren (OHP) mit SiO2-Wasser- und Al2O3-Wasser-Nanoflüssigkeiten bei einer Massenkonzentration von Nanopartikeln (0–0,6 Gew.-% SiO2 und 0–1,2 Gew.-% Al2O3). Es wurde beobachtet, dass die Änderung der Oberflächenbedingungen am Kondensator und Verdampfer hauptsächlich auf unterschiedliche Partikel zurückzuführen ist, die sich auf die thermische Leistung oder die Verschlechterung der Wärmerohre auswirken15. Darüber hinaus führten Kumaresan et al.16 eine vergleichende Untersuchung von gesinterten und netzartigen Dochtwärmerohren auf CuO-Nanofluiden durch. In ihrer Studie zeigt der alleinige Effekt von Heatpipes mit gesintertem Docht eine verbesserte thermische Leistung und thermische Beständigkeit von Heatpipes im Vergleich zu Heatpipes mit Dochtmaschen bei 70 W.

Suresh et al.17 stellten unter Verwendung eines Dispergiermittels – Natriumlaurylsulfat (SLS) – ein Hybrid-Nanofluid aus Al2O3-Cu/DI-Wasser (Gewichtsverhältnis 90:20) her. Experimentell wurden die Wärmeleitfähigkeit und die Viskosität von Hybrid-Nanofluiden untersucht und es wurde festgestellt, dass die maximale Wärmeleitfähigkeit 12,11 % bei einer Volumenkonzentration von 2 % beträgt. Hamidesh et al.18 entwickelten funktionalisierte CNT-Wasser-Nanoflüssigkeiten unter Verwendung von Oxidationsmitteln, um die Kühlkapazität elektronischer Geräte zu verbessern. Im Thermosiphon schnitten Nanoflüssigkeiten mit einem hochfunktionalisierten Natriumanteil hinsichtlich höherer thermischer Effizienz und geringerem thermischen Widerstand besser ab. Nanoflüssigkeiten agglomerieren aufgrund ihrer großen spezifischen Oberfläche leicht und die Aufrechterhaltung der Stabilität ist zu einem schwierigen Problem geworden19. Darüber hinaus neigen die aggregierten Nanoflüssigkeiten dazu, sich abzusetzen, was die thermischen Eigenschaften der Nanoflüssigkeiten verschlechtert20. In den meisten Fällen muss eine große Menge an Tensiden zugesetzt werden, um eine gute Stabilität zu erreichen, was zu einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit und Viskosität führt. Allerdings erfordert die hohe Viskosität von Nanoflüssigkeiten mehr Energie, um die Flüssigkeit von einem Punkt zum anderen zu transportieren, was den Einsatz dieser Nanoflüssigkeiten in praktischen Anwendungen behindert. Um die Stabilitätsprobleme zu überwinden, wurden Polymerdispergiermittel als Stabilisatoren verwendet, um die Langzeitstabilität der Nanoflüssigkeiten zu verbessern. Basierend auf der Literaturrecherche wurde weniger an Polymerdispergiermitteln für die Wärmeleitfähigkeit und experimentellen Wärmerohrtechniken gearbeitet.

In letzter Zeit haben funktionalisierte Copolymere aufgrund ihres breiten Eigenschaftsspektrums, das durch die Abstimmung/Ersetzung der Strukturmerkmale wie Sulfonyl, Carbonsäure, Amide, Aldehyde, Anhydride, lösliche Polymerseitenketten usw. bereitgestellt wird, erhebliche Bedeutung erlangt. Dadurch entsteht eine wirksame elektrostatische Barriere, die die Agglomeration der Partikel verhindert und die Dispersionsstabilität erhöht21. Die Oberflächeneigenschaften von NPs können durch Amid-funktionalisierte Copolymere modifiziert werden, indem ihre Lösungseigenschaften wie Oberflächenladung und kolloidale Stabilität geändert werden22.

In der vorliegenden Arbeit wurde amphiphiles Poly(STY-co-AMPS)-Copolymer als Dispergiermittel synthetisiert. AMPS ist ein hydrophiles Sulfonsäure-Acrylmonomer, das hochreaktiv ist und eine gute thermische Stabilität aufweist23. Das funktionalisierte Copolymer verfügt über ein hydrophobes Rückgrat, dh eine Styroleinheit, die zu einer einfachen Adsorption auf der kationischen Oberfläche der NPs führt. Andererseits erzeugt die hydrophile AMPS-Einheit einen elektrostatischen Effekt für die ordnungsgemäße Verteilung der NPs in den Flüssigkeiten. Der Einbau von STY- und AMPS-Einheiten in die amphiphile Polymerstruktur hat sich als geeignet für die Dispersion von NPs in wässrigen Medien erwiesen. Hydrophile, hochfunktionalisierte Sulfonyl- (–SO3), Amid- (–NH2) und Hydroxylgruppen (–OH) weisen einen hohen Ionisierungsgrad auf, der zu einer Verbesserung der Dispersionseigenschaften der NPs führt. Wir demonstrieren das Potenzial wasserlöslicher amphiphiler Polymere mit der -SO3-Gruppe als Dispergiermittel für eine gleichmäßige Dispersion von NPs in den Flüssigkeiten. Dieser Ansatz bietet eine bequeme Möglichkeit, die Nanoflüssigkeiten mithilfe einer modifizierten Technik in Gegenwart von strukturell gestalteten funktionellen Copolymeren auf den thermophysikalischen Eigenschaften von ZnO-Nanoflüssigkeiten für Wärmeübertragungsanwendungen zu stabilisieren.

Die Chemikalien [(AMPS – 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure), (AIBA – Azobisisobutyronitril), (STY – Styrol)] wurden von Sigma Aldrich mit einer Reinheit von 99 % gekauft und Styrol wurde nach dem Reinigungsprozess verwendet. Die Lösungsmittel (Diethylether und Dimethylformamid) wurden von Merck, Indien, bezogen und im Lieferzustand verwendet. Zur Herstellung der Dispersionen wurde doppelt destilliertes Wasser verwendet.

Die radikalischen Polymerisationen von STY und AMPS werden in einem typischen Dreihals-Rundkolben durchgeführt, der mit einem Umkehrkühler, einem N2-Gaseinlassrohr, einem Rührer und einem Thermistor bei 70 °C bis 80 °C mit AIBN ausgestattet ist der Radikalinitiator in einer N2-Atmosphäre. Die Mischung wird etwa 24 Stunden lang gerührt. Darüber hinaus wurde Diethylether zur Ausfällung des hergestellten Copolymers verwendet, das dann unter Vakuum bei 60 °C auf ein konstantes Gewicht getrocknet wurde. Das Reaktionsschema ist in Abb. 1 dargestellt. FTIR-, 1H- und 13C-NMR-Spektroskopie wurden verwendet, um die Struktur und Zusammensetzung der Copolymere zu bestimmen.

Schematische Darstellung zur Synthese von Poly (STY-co-AMPS)-Copolymer.

Die Synthese und Charakterisierung von ZnO-NPs wurden in der vorherigen Veröffentlichung24,25 beschrieben. In dieser vorliegenden Studie wurden die gleichen ZnO-NPs verwendet. Um eine gleichmäßige Partikelverteilung zu gewährleisten, wurde der Basisflüssigkeit ein bestimmtes Volumen an ZnO-NPs zugesetzt und eine Stunde lang beschallt. Die resultierende Mischung wurde dann etwa 2 Stunden lang bei Umgebungstemperatur unter Verwendung eines Ultraschallgeräts (Hersteller: Dakshin Ultrasonics, Indien) mit einer festen Frequenz von 22 kHz und einer Ausgangsleistung von 240 W etwa 2 Stunden lang bei Raumtemperatur mit Ultraschall behandelt. Mit dem gleichen Verfahren wurde eine zweite Charge von Nanoflüssigkeiten hergestellt, die verschiedene STY-co-AMPS-Copolymerketten eines amphiphilen Polymers als Dispergiermittel enthielten.

Um eine gleichmäßige Mischung des Dispergiermittels in den Grundflüssigkeiten zu gewährleisten, wurden die unterschiedlichen Konzentrationen des Dispergiermittels zunächst in der Grundflüssigkeit dispergiert und eine Stunde lang ständig gerührt. Nach der Mischung aus Dispergiermittel und Basisflüssigkeit wurde die gemessene Volumenkonzentration der NPs hinzugefügt. Es folgte der gleiche Prozess wie zuvor erwähnt. Anschließend wurden die thermophysikalischen Eigenschaften wasserbasierter ZnO-Nanofluide untersucht.

Der Wärmeeigenschaftenanalysator KD2 Pro ((Decagon Devices, USA) wurde zur Bewertung der Wärmeleitfähigkeit von ZnO-Nanoflüssigkeiten verwendet. Er umfasst eine 60-mm-Sonde, die sowohl als Wärmequelle als auch als Temperatursensor fungiert. Für den Betrieb und die Durchführung der Messungen Die Sonde ist an einen Mikrocontroller angeschlossen. Das Gerät wurde mit dem im Lieferumfang enthaltenen Glyzerin kalibriert, um die Genauigkeitsspanne des Experiments zu bestimmen.

Wie in Abb. 2 dargestellt, umfasst der Versuchsaufbau ein Wärmerohr, ein Kühlsystem, eine Datenerfassung und einen Computer. Wärmerohre mit einem Außendurchmesser von 19,5 mm und einer Länge von 350 mm wurden entworfen, um die vorhergesagte thermische Effizienz mit experimentellen Erkenntnissen zu vergleichen. Das Wärmerohr enthält vier Lagen 100-Mesh-Kupferdraht-Siebdocht (0,009 mm Drahtdurchmesser). Um den Docht vollständig zu sättigen, werden nach dem Aufbau des Wärmerohrs 12 cm³ Arbeitsflüssigkeit auf das Wärmerohr geladen.

Grafische Ansicht (a) Versuchsaufbau (b) Position des Thermoelements.

Als Arbeitsflüssigkeit werden im aktuellen Experiment dispergierungsmittelstabilisierte ZnO-Nanofluide verwendet. Der Heizteil hat eine maximale Leistungskapazität von 1000 W. Der Verdampfer bezieht seine Energie aus einem Wechselstromnetz. Um einen thermischen Widerstand zwischen den Oberflächen von Heizgerät und Verdampfer zu verhindern, wird eine Paste mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufgetragen. Um Wärmeverluste zwischen Verdampfer und Heizfläche zu vermeiden, wird ein 40 mm dickes Glasfasermaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,04 W/mK verwendet. Der Kondensator der Heatpipe besteht aus Acrylmaterial, der Kühler liefert eine konstante Durchflussrate von 320 ml/min Kühlwasser in den Kühlmantel bei einer konstanten Temperatur von 25 ± 0,5 °C.

Der Durchfluss des Kühlwassers wird mit einem Durchflussmesser gemessen. Es wurde festgestellt, dass die Kühlwasserdurchflussrate 2 % unsicher ist. Die Temperaturen der Wärmerohrwände und des Kühlwassers am Ein- und Austritt des Kondensators werden mit OMEGA-T-Thermoelementen mit einer Genauigkeit von 0,1 °C gemessen. Das Wärmerohr ist horizontal positioniert. Der im Experiment verwendete Wärmeeintrag liegt zwischen 50 und 400 W. Mit einem Datenlogger von Agilent werden während des Experiments in Intervallen von 30 Sekunden stationäre Temperaturmessungen durchgeführt. Die stationären Temperaturmessungen werden dann zur weiteren Verarbeitung und Datenreduzierung im Computer gespeichert.

Der Wärmeeintrag in der aktuellen Studie wird anhand der Voltmeter- und Amperemeterwerte wie folgt geschätzt:

Die auf das Kühlwasser übertragene Wärmemenge lässt sich aus der Temperaturdifferenz zwischen Eintritts- und Austrittswasser unter Berücksichtigung des Wassermassenstroms und der spezifischen Wärme berechnen26,

wobei \(\Delta T=\)(\({T}_{out}\) − \({T}_{in}\)), \({T}_{out}\) und \({ T}_{in}\) sind die Temperaturen der Kühlflüssigkeit an ihrem Austritt bzw. Eintritt. m und Cp sind der Massendurchsatz bzw. die Wärmekapazität des Kühlmittels.

Der Verdampfer-Wärmeübergangskoeffizient der Wärmerohre27 wird mithilfe von Gl. berechnet. (3)

Um die thermische Leistung eines Wärmerohrs zu bewerten, ist es besonders wichtig, die Temperaturunterschiede zwischen Verdampfer und Kondensator zu berücksichtigen. Der Gesamtwärmewiderstand des Wärmerohrs wird wie folgt beschrieben:

wobei \(\Delta T={T}_{e}-{T}_{c}\) , \({T}_{e}\) und \({T}_{c}\) die sind durchschnittliche Verdampfer- bzw. Kondensatorwandtemperaturen. Der Wärmewiderstand des Verdampfers und Kondensators wird mit den Gleichungen berechnet. (5) und (6)28.

Die durchschnittliche Wandtemperatur in der Dampfleitung wurde als Sättigungs- oder Dampftemperatur \({T}_{vap}\) betrachtet.

Der thermische Wirkungsgrad der Wärmerohre wird auf der Grundlage des Gesetzes der Thermodynamik29,30 unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet. (7).

wobei \({\eta }_{th}-\mathrm{thermischer Wirkungsgrad }, \frac{{Q}_{out}}{{Q}_{in}}\) – Wärmeabgabe bzw. Wärmezufuhr. Die berechneten Werte sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Jeder Parameter als gemessener Fehler. Nach den obigen Berechnungen wurden die Unsicherheiten des gemessenen Wärmeübertragungskoeffizienten und des gesamten Wärmewiderstands mithilfe der folgenden Gleichungen berechnet. (7–10)27,28 .

Die Unsicherheit der Wärmeübertragungsrate wird berechnet als:

wobei \(\Delta m\) – Fehler in der Massendurchflussmessung, \(\Delta t\) – Fehler in der Temperaturdifferenz der Kühlflüssigkeit und \(\frac{\Delta Q}{Q}\) darstellt Unsicherheit bei der Schätzung der Wärmeübertragungsrate.

Die Unsicherheit des Wärmeflusses wird berechnet als:

Die Unsicherheit des Wärmewiderstands wird berechnet durch

wobei \({\Delta T}_{hp}\) und \(\frac{\Delta R}{R}\) der Fehler in der Temperaturdifferenz bzw. die Unsicherheit im Wärmewiderstand der Wärmerohre sind.

Die Unsicherheit des Wärmeübertragungskoeffizienten wird berechnet als:

Die Unsicherheiten bei der Messung des Wärmestroms, des Wärmewiderstands und der Messung sind in den Tabellen 2 und 3 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die Unsicherheiten bei den Messungen des Wärmestroms, des Gesamtwiderstands und der Wärmeübertragungskoeffizienten mit zunehmender Wärmezufuhr von 50 auf 400 W zunehmen .

Für den Vergleich der effektiven Wärmeleitfähigkeit der Nanofluide wurden zahlreiche mathematische Modelle erstellt31,32. Um die Wärmeleitfähigkeit von ZnO-Nanofluiden zu berechnen, verwendeten wir die Modelle Hamilton Crosser, Pak und Cho sowie Timofeeva (Gl. 13, 14 und 15) und verglichen die Ergebnisse mit experimentellen Beobachtungen. Es wurde festgestellt, dass ZnO-NPs eine Wärmeleitfähigkeit von 23,413 W/mK haben.

Nach dem Modell von Hamilton und Crosser (H–C) (1962)33,34, das zur Bestimmung der effektiven Wärmeleitfähigkeit einer Zweiphasenmischung entwickelt wurde,

wobei \({\mathrm{k}}_{\mathrm{p}}\) – Wärmeleitfähigkeit der NPs, \(\mathrm{\varphi }\) – NPs-Volumenanteil, \({\mathrm{k} }_{\mathrm{bf}}\) – Wärmeleitfähigkeit von Grundflüssigkeiten, Sphärizität ist definiert als das Verhältnis der Oberfläche einer Kugel mit einem Volumen, das dem des Partikels entspricht, zur Oberfläche des Partikels und n ist der empirische Formfaktor, der durch n = 3/\(\varphi \) bestimmt wird. Das H-C-Modell schätzt das Wärmeleitfähigkeitsverhältnis k nf/k bf für Werte im Bereich von 0,5 bis 1,5.

Für Al2O3- und TiO2-Nanoflüssigkeiten erstellten Pak und Cho35 ein Wärmeleitfähigkeitsmodell, das wie folgt geschrieben wurde

Die Hypothese des effektiven Mediums wurde von Timofeeva et al.36 vorgeschlagen, um das Wärmeleitfähigkeitsverhältnis für stark leitende kugelförmige Partikel zu bestimmen. Das Modell geht von der unrealistischen Annahme aus, dass die Teilchen stationär sind.

In Abb. 3. FTIR für Poly(STY-co-AMPS)-Copolymer: Charakteristische Peaks bei 2919–3000 cm–1 (Ar –CH des Benzolrings), 1436 und 1406 cm–1 (Schwingung der –C–C-Bindungen in des Benzolrings), 3418 und 1665 cm–1 (–NH-Streckung und C=O-Streckung), 1406 cm–1 (–C–N-Streckung) und 1016 cm–1 (Streckschwingung von SO3H). In Abb. 4. 1H-NMR (400 MHz, DMSO): δ = 2,32–2,56 (–CH und –CH2), 7,05–7,96 (Ar –CH), 1,42 (CH3 in der Seitenkette –C(CH3)2), 1,25–1,89 (–CH und –CH2 für AMPS), 2,68 (–CH2–SO3H), 6,15–6,78 (breit, NH-Amid) und 8,22 (–OH) für AMPS. 13C NMR (400 MHz, DMSO): δ = 125,61–129,19 (p-, o-, m-, Ar –CH), 168,18 (C=O-Anhydrid und Amid, überlappend), 51,54–53,93 (C–(CH3) 2), 25,62–42,54 (–CH–CH2), 58,05 (CH2–SO3H) sind entsprechende Signale, die die Bildung des Copolymers bestätigen, wie in Abb. 5 dargestellt.

FTIR-Spektrum für Poly(STY-co-AMPS)-Copolymer.

1H-NMR-Spektrum für Poly(STY-co-AMPS)-Copolymer.

13C-NMR-Spektrum für Poly(STY-co-AMPS)-Copolymer.

Eine quantitative Beurteilung der Partikelgrößenverteilung erfolgte mittels DLS-Analyse. Für die Analyse wurde eine frisch zubereitete, verdünnte Probe verwendet, die bei 25 °C durchgeführt wurde. Abbildung 6a. zeigt die Partikelgrößenverteilung des ZnO-Nanofluids. Der Polydispersitätsindex (Verhältnis des massengewichteten durchschnittlichen Partikeldurchmessers zum zahlengewichteten durchschnittlichen Partikeldurchmesser), bestimmt durch DLS-Analyse, beträgt 1,001 und die zahlengemittelte Partikelgröße beträgt 95 nm. Die beobachtete Partikelgröße ist deutlich größer als die gewünschte Nanopartikelgröße (50 nm), was darauf hindeutet, dass sich möglicherweise thermodynamisch stabile Partikelcluster gebildet haben. Dies ist vor allem auf die adsorbierte Schicht aus amphiphilen Copolymer-Dispergiermitteln auf der kationischen Oberfläche der Nanoflüssigkeiten zurückzuführen, die zu größeren Partikeldurchmessern führt. Abbildung 6b. zeigt die mit Poly (STY-co-AMPS) stabilisierte ZnO-Nanofluid-Partikelgrößenverteilung von 221 nm und den Polydispersitätsindex von 0,364.

DLS-Bilder für (a) ZnO-Nanofluid (b) durch Dispergiermittel stabilisiertes ZnO-Nanofluid.

Ein Wert des Polydispersitätsindex von weniger als eins weist auf eine bessere Homogenität und weniger Clusterbildung hin. Dies impliziert, dass die Dispergiermittel aufgrund der elektrostatischen Behinderung zwischen der adsorbierten Schicht des Copolymers und den NPs in der Suspension eine aktive Rolle bei der Dispersion von ZnO-Nanofluiden spielten. Dies wird anhand von Zetapotentialdaten weiter bestätigt.

Das Zetapotential wurde verwendet, um die Stabilität der NP-Dispersion in den in Abb. 7 gezeigten Basisflüssigkeiten zu bewerten. Zeigt den Zetapotentialwert von durch Dispergiermittel stabilisierten ZnO-Nanofluiden mit und ohne Dispergiermittel. Der Zetapotentialwert für ZnO-Nanofluide betrug in Abb. 7a – 6,78 mV in Abwesenheit von Dispergiermittel, und der Potentialwert verschob sich bei Zugabe von Dispergiermittel leicht von negativ nach positiv, d. h. 50,1 mV in Abb. 7b. Dies liegt daran, dass eine adsorbierte Schicht aus Poly(STY-co-AMPS)-Copolymer-Dispergiermitteln auf der Oberfläche von ZnO-NPs eine wirksame elektrostatische Barriere zwischen den Partikeln schafft und so eine größere Stabilität und Dispergierbarkeit gewährleistet37.

Zetapotentialbilder für (a) ZnO-Nanofluid (b) durch Dispergiermittel stabilisiertes ZnO-Nanofluid.

Abbildung 8 zeigt Fotografien von 1 Gew.-% ZnO-Nanofluiden ohne und mit (STY-co-AMPS)-Copolymer als Dispergiermittel in verschiedenen Konzentrationen im Bereich von 0,5 bis 2,0 Vol.-%. Aufgrund der starken Anziehungskraft zwischen den NPs beginnen ZnO-Nanoflüssigkeiten nach 45-minütiger Vorbereitung zu aggregieren und sich am Boden des Fläschchens abzusetzen. Die dispergierungsmittelstabilisierten ZnO-Nanofluide sind bei allen Konzentrationen 10 Tage lang stabil. Darüber hinaus beginnen polymerstabilisierte Nanoflüssigkeiten nach 15 Tagen der Herstellung mit der Phasentrennung und eine vollständige Sedimentation wird nach 20 Tagen beobachtet, mit Ausnahme von mit 1,5 Vol.-% Dispergiermittel stabilisierten Nanoflüssigkeiten, die aufgrund der ausreichend adsorbierten Moleküle, die eine starke elektrostatische Abstoßung erzeugen, fast einen Monat lang stabil sind zwischen NPs und gilt als optimale Konzentration. Während die Konzentration des Dispergiermittels auf 2,0 Vol.-% anstieg, verringerte sich die Stabilität von Nanoflüssigkeiten aufgrund einer Zunahme der adsorbierten Moleküle in der Lösung, was zu Ausflockungen führt38.

Sedimentationsfotos von mit und ohne Dispergiermittel stabilisierten ZnO-Nanofluiden.

Die Wärmeleitfähigkeit von ZnO-Nanoflüssigkeiten bei verschiedenen Volumenanteilen von Dispergiermittel und NPs ist in Abb. 9 dargestellt. Die beste Dispersion und Wärmeleitfähigkeitsverbesserung von Nanoflüssigkeiten wird bei 1,0 Vol.-% ZnO-NPs und 1,5 Vol.-% STY-co-AMPS-Copolymer beobachtet Ein Dispergiermittel führt aufgrund der richtigen Dispersion zu einer stärkeren Wärmeübertragung. Mit 0,931 W/mK boten 1 Gew.-% ZnO-Nanofluide, stabilisiert mit 1,5 Vol.-% Dispergiermittel, die höchste Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit, wie in Abb. 9a dargestellt.

Wärmeleitfähigkeit von ZnO-Nanofluiden (a) Bei verschiedenen Volumenanteilen (b), unterschiedlichen Temperaturen zusammen mit Fehlerbalken (c) Vergleich zwischen experimentellem und theoretischem Modell.

Abbildung 9b zeigt die Untersuchung des Einflusses der Temperatur auf die Wärmeleitfähigkeit von ZnO-Nanoflüssigkeiten, wobei Fehlerbalken im Diagramm die Standardabweichung bei nachfolgenden Messungen angeben. Die Wärmeleitfähigkeit nimmt mit steigender Temperatur zu und nimmt mit zunehmender Konzentration des Polymerdispersionsmittels aufgrund der Überadsorption von Polymerdispersionsmittel allmählich ab, was die Wärmeübertragung sowie die Brownsche Bewegung von NPs hemmt. Die ionische Wechselwirkung der hochfunktionalisierten hydrophoben Styroleinheit, die auf der kationischen Oberfläche der ZnO-NPs adsorbiert ist, und dem hydrophilen ionisierbaren Sulfonal (\({\mathrm{SO}}_{3}^{-}\)) und Hydroxyl (–OH). ) Funktionalisierte AMPS-Einheiten, die in die Flüssigkeitssuspension verlängert werden, erzeugen eine wirksame elektrostatische Barriere zwischen den NPs in den Basisflüssigkeiten und fördern so eine homogene Dispersion und Stabilisierung, was wiederum die Wärmeübertragung verbessert24,38.

Abbildung 9c bietet einen Vergleich zwischen den theoretischen und experimentellen Wärmeleitfähigkeitswerten von ZnO-Nanofluiden. Die Ergebnisse zeigten, dass die experimentellen Wärmeleitfähigkeiten bei einem geringeren Partikelvolumenanteil (0,5 %) eine leichte Übereinstimmung mit dem Hamilton- und Crosser-Modell und dem Timofeeva-Modell aufweisen. Das Pak- und Cho-Modell prognostiziert jedoch die experimentellen Ergebnisse zu stark.

Die Unsicherheit der Messung der Wärmeleitfähigkeit von Nanofluiden experimenteller Ergebnisse wurde mithilfe des Instruments und des Präzisionsfehlers bestimmt, der durch die Abweichung im experimentellen Datensatz verursacht wurde. KD2 Pro hat einen Gerätefehler von 5 % bei der Messung der Wärmeleitfähigkeit39. Die Waage hat eine Genauigkeit von 0,01 g. Das Folgende ergibt die Unsicherheit der Versuchsdaten40.

wobei \({\mu }_{B}, {\mu }_{p}, {t }_{v, p}\) und SD Bias-Fehler, Präzision oder Zufallsfehler bei der Messung mit p% Wahrscheinlichkeit sind, Wägefunktion \(\vartheta \) Freiheitsgrad bzw. Probenstandardabweichung.

Dabei stellen keff und kf die Unsicherheit bei p % Wahrscheinlichkeit dar, einschließlich Instrumenten- und Präzisionsfehlern im Zusammenhang mit der gemessenen effektiven Wärmeleitfähigkeit bzw. Wärmeleitfähigkeit von Nanoflüssigkeiten. Schließlich wurde festgestellt, dass die Unsicherheit der effektiven Wärmeleitfähigkeit und des TCR (Wärmeleitfähigkeitsverhältnis) zwischen 0,5 und 4,5 % liegt.

In Abb. 10. Basierend auf den Wärmeleitfähigkeitsmessungen wurde das formulierte Nanofluid in das Wärmerohr gefüllt und seine Leistung bewertet. Der Gesamtwärmewiderstand der Wärmerohre zwischen 0° und 90° Winkel bei verschiedenen Wärmeeinträgen (50–400 W) wurde gemessen, um die Auswirkung des Neigungswinkels auf die Wärmeleistung des Wärmerohrs unter Verwendung von Wasser als Basisflüssigkeit abzuschätzen. wie in Abb. 10a dargestellt. Der niedrigste Wärmewiderstand der Grundflüssigkeit wurde bei einem Neigungswinkel von 45° beobachtet, der als Grundneigungswinkel für den gesamten Wärmewiderstand der ZnO-Nanoflüssigkeiten für verschiedene Partikelvolumenfraktionen (0,5–1,5 %) bei 50–400 W Wärme gilt Eingänge in Abb. 10b. Der thermische Widerstand der Heatpipe verringert sich um bis zu 1,0 Vol.-%. Dann nimmt er aufgrund der NP-Agglomeration mit zunehmendem Volumenanteil der ZnO-Nanoflüssigkeiten allmählich zu. Bei allen Neigungswinkeln der ZnO-Nanofluide bei niedrigeren Vol.-% (0,5–1,0) nimmt der gesamte Wärmewiderstand bei Wärmeeinträgen von bis zu 250 W allmählich ab und variiert dann mit zunehmender Wärmeeinbringung.

(a) Optimierung des Neigungswinkels für Basisflüssigkeiten (b) Gesamtwärmewiderstand vs. Partikelvolumenanteil bei verschiedenen Wärmeeinträgen (c) Variation des Gesamtwärmewiderstands bei verschiedenen Wärmeeinträgen.

Um die Wärmeübertragungsleistung der mit Dispergiermitteln stabilisierten Nanoflüssigkeiten zu untersuchen, werden Experimente durchgeführt und mit und ohne stabilisierte ZnO-Nanoflüssigkeiten und Basisflüssigkeiten verglichen, wie in Abb. 10c dargestellt. Dadurch ist der thermische Widerstand der ZnO-Nanofluide höher als der von dispergiermittelstabilisierten ZnO-Nanofluiden. Anfänglich zeigten die Wärmewiderstände von Wärmerohren, die Basisflüssigkeiten mit und ohne ZnO-Nanoflüssigkeiten verwenden, einen hohen Wärmewiderstand bei geringeren Wärmeeinträgen und nehmen mit entsprechender Erhöhung der Wärmeeinträge von 50 auf 400 W44 rasch ab. Laut Hopkins et al.44 ist diese Tendenz, dass sich der Wärmewiderstand mit der Wärmezufuhr ändert, ein häufiges Merkmal von Wärmerohren. Gleichung (4) wird zur Berechnung des Wärmewiderstands der Wärmerohre verwendet. Aufgrund der längeren hydrophilen AMPS-Kettenlänge haben polymerstabilisierte Nanofluide einen höheren thermischen Widerstand als ZnO-Nanofluide, was zu einer Verringerung der Wärmeübertragung führt.

In Abb. 11 ist die Wärmeleitfähigkeit der Wärmerohrverstärkung für verschiedene Wärmeeinträge dargestellt. Die Verbesserung könnte auf die Ablagerung von NPs im Dochtnetz zurückgeführt werden. Den FESEM-Bildern zufolge kann die Beschichtungsschicht auf dem Docht aus Siebgewebe dazu beitragen, die Kapillarwirkung der Dochtstruktur zu erhöhen. Die Oberflächenbenetzbarkeit kann verbessert werden, indem der Kontaktwinkel verringert und die Rauheit der Dochtoberfläche erhöht wird, was den kritischen Wärmefluss erhöht41. Kürzlich berichteten Nandy Putra et al.42, dass die Hauptursache für die Verbesserung der thermischen Leistung der Wärmerohre unter Verwendung von Nanoflüssigkeiten die Bildung einer dünnen Beschichtung am Siebgewebedocht der Verdampfungszone war. Da es bei Verwendung eines Dispergiermittels zu weniger Ablagerungen kommt, beginnt die Wärmeleitfähigkeit bei 100 W stark zu sinken. Das Wärmerohr neigt dazu, näher an die Austrocknungssituation zu wandern, da seine maximale Wärmeübertragungskapazität bei etwa 100 W erreicht ist. Der Temperaturunterschied Aufgrund dieser teilweisen Austrocknungssituation steigt die Temperatur zwischen der Verdampferoberfläche und dem Dampf an, was tendenziell zu einer Verringerung des Wärmeübergangskoeffizienten führt43,44. Die maximale effektive Wärmeleitfähigkeit liegt bei 38 % bei 150 W, 29 % bei 100 W und 11 % bei 100 W für ZnO-Nanoflüssigkeiten, polymerstabilisierte Nanoflüssigkeiten bzw. Basisflüssigkeiten.

Effektive Wärmeleitfähigkeit von Nanofluiden im Hinblick auf den Wärmeeintrag.

Abbildung 12 zeigt Fotos von ZnO-Nanofluiden mit und ohne Dispergiermittel, die vor und nach dem Heatpipe-Experiment aufgenommen wurden. Die Fotografie zeigt deutlich, dass die mit Dispergiermitteln stabilisierten Nanoflüssigkeiten nach dem Experiment stabiler waren als die ZnO-Nanoflüssigkeiten.

(a) Vor und nach dem Heatpipe-Experiment von ZnO-Nanofluiden. (b) Vor und nach dem Heatpipe-Experiment von mit Poly(STY-co-AMPS)-Copolymer stabilisierten ZnO-Nanofluiden.

Der Wärmewiderstand am Verdampfer wird mit und ohne NP-Ablagerung geschätzt, um den Einfluss der Ps-Ablagerung im Docht auf die Leistung des Wärmerohrs zu demonstrieren.

wobei \({\mathrm{R}}_{\mathrm{e}}\) – Widerstand im Verdampfer, \({\mathrm{d}}_{\mathrm{o},\mathrm{w}}, { \mathrm{d}}_{\mathrm{i},\mathrm{w}}\) sind die Außen- und Innendurchmesser der Wand, \({\mathrm{d}}_{\mathrm{o},\ upomega} , {\mathrm{d}}_{\mathrm{i},\upomega}\) sind der Außen- und Innendurchmesser des Dochts, \({\mathrm{l}}_{\mathrm{e}},\ ) Länge des Verdampferabschnitts, \({\mathrm{k}}_{\mathrm{Wand}}\) und \({\mathrm{k}}_{\mathrm{Docht}}\) sind die Wärmeleitfähigkeit von Wand bzw. Docht.

Die Kombination aus Nanoflüssigkeit und Docht hat eine effektive Wärmeleitfähigkeit44, die auf geschätzt wird

Die folgende Gleichung wird verwendet, um die Porosität des Vielfachen des Siebmaschendochts (\(\varphi \))28 zu bestimmen.

Dann wird die Porosität der einzelnen Dochtschicht (\({\mathrm{\varphi }}_{1})\) zu 45 berechnet

In Abb. 13 sind die Messungen mit und ohne Ablagerung von NPs am Verdampferabschnitt des Wärmerohrs für verschiedene Wärmeeinträge dargestellt. Der Verdampferabschnitt des Wärmerohrs mit aufgebrachtem Dochtnetz weist einen geringeren Widerstand auf als der entsprechende Abschnitt ohne aufgebrachtes Dochtnetz. Es wurde festgestellt, dass sich durch die NPs in den Flüssigkeiten möglicherweise eine dünne poröse Schicht bildet.

Widerstand am Verdampfer.

Dadurch verringert sich die Fähigkeit der Heatpipes, Wärme zu transportieren. Aufgrund der Adsorption einer Polymerschicht auf der Oberfläche der NPs haben ZnO-Nanofluide einen geringeren thermischen Widerstand als dispergierungsmittelstabilisierte Nanofluide.

Nachdem alle Experimente abgeschlossen sind, werden die Wärmerohre aufgeschnitten und die Dochtstruktur mit dem in Abb. 14 gezeigten FESEM analysiert. Die FESEM-Bilder für die ZnO-Nanofluide stabilisierten sich mit und ohne Zusatz von Copolymer als Dispergiermittel nach dem Wärmerohrexperiment, wie in gezeigt Abb. 14a,b. Es wurde festgestellt, dass sich die NPs in beiden Fällen von Nanofluiden auf der Dochtstruktur ablagern. Allerdings zeigte das mit Copolymer stabilisierte Nanofluid eine geringere Ablagerung als das andere. Dies zeigt deutlich, dass die poröse Schicht auf der Oberfläche zu einer stärkeren Wärmeübertragung führt. Im Vergleich dazu zeigten 1 Vol.-% ZnO-Nanofluide eine höhere Wärmeübertragung als 1 Vol.-% ZnO-Nanofluide, die mit 1,5 Vol.-% stabilisiert waren.

FESEM-Bilder für mit und ohne Dispergiermittel stabilisierte ZnO-Nanoflüssigkeiten (a) Poly (STY-co-AMPS)-Copolymer stabilisiert 1 Vol.-% ZnO-Nanoflüssigkeiten (b) 1 Vol.-% ZnO-Nanoflüssigkeiten nach dem Heatpipe-Experiment.

Die Wärmeleitfähigkeiten von durch Poly(STY-co-AMPS)-Copolymer stabilisierten ZnO-Nanofluiden mit einer geringeren Konzentration an ZnO-NPs wurden in der aktuellen Arbeit experimentell untersucht. Darüber hinaus wurde ein Experiment durchgeführt, bei dem die durch Dispergiermittel stabilisierten Nanoflüssigkeiten als Arbeitsflüssigkeiten in Docht-Wärmerohren verwendet wurden, um den Wärmewiderstand bei verschiedenen Wärmeeinträgen zu messen.

Das strukturell gestaltete Poly(STY-co-AMPS)-Copolymer wurde durch eine radikalische Polymerisationsreaktion synthetisiert und durch FT-IR, 1H-NMR und TGA bestätigt. ZnO-NPs wurden durch Mikrowellenbestrahlung hergestellt, gefolgt von der Herstellung von ZnO-Nanofluiden durch Dispergieren verschiedener Volumenanteile von NPs (0,5–1,5 Vol.-%) und Dispergiermittelkonzentrationen (0,5–2,0 Vol.-%).

Die optimierte Konzentration der Dispergiermittel zeigte die verbesserte thermische Leistung der Nanofluide. Die maximale Wärmeleitfähigkeit von 0,931 W/mK wurde bei 1 Vol.-% ZnO-Nanofluiden beobachtet, die mit 1,5 Vol.-% Dispergiermittel stabilisiert waren.

Die effektive Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit betrug 38 %, 29 % bzw. 11 % für ZnO-Nanoflüssigkeiten, polymerstabilisierte ZnO-Nanoflüssigkeiten bzw. Basisflüssigkeiten. Das experimentelle Ergebnis wurde mit den theoretischen Modellen verglichen, das H-C-Modell weist eine gute entsprechende Übereinstimmung auf die Werte.

Darüber hinaus besteht bei den entsprechenden Nanoflüssigkeiten, die als Arbeitsflüssigkeit in Wärmerohrexperimenten verwendet werden, um den Wärmewiderstand des Wärmerohrs bei verschiedenen Temperaturverteilungen zu bewerten, eine nichtlineare Beziehung zum Volumenanteil und der Dispersionsmittelkonzentration. Die maximale Unsicherheit beträgt 5,41 %.

Die Abnahme des Wärmewiderstands des Wärmerohrs mit zunehmender Konzentration des Dispergiermittels ist auf die adsorbierte Schicht auf der Oberfläche der NPs zurückzuführen. Die durch Dispergiermittel stabilisierten Nanofluide zeigten nach dem Heatpipe-Experiment thermische Stabilität. Dies bestätigt, dass das Polymer bei Hochtemperaturbetrieb stabil ist und als Kühlmittel für Wärmeübertragungsanwendungen verwendet werden kann.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel [und seinen ergänzenden Informationsdateien] enthalten.

Fläche [m2]

Verdampfungswärme [J/kg-K]

Länge [m]

Massenstrom [kg/s]

Wärmeleitfähigkeit [W/mK]

Wärmestrom [W/m2]

Wärmeübertragungsrate [W]

Widerstand [°C/W]

Nummer der Dochtschicht

Crimpfaktor (1,05)

Mesh-Nummer

Temperatur [\(^\circ \mathrm{C}]\)

Temperaturunterschied zwischen Dampf und Kondensator

Temperaturunterschied zwischen Austritt und Eintritt des Kühlmittels

Porosität des mehrschichtigen Dochts

Porosität des einschichtigen Dochts

Dicke (m)

Adiabatisch

Kondensator

Wirksam

Verdampfer

Dampf

Innere

Äußere

Wand

Docht

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Die Autoren danken dem Manipal Institute of Technology, MAHE, Manipal und dem Center for Research in Material Science & Thermal Management, Karunya University, Coimbatore für die Bereitstellung der Forschungseinrichtung.

Abteilung für Chemie, Forschungszentrum, GM Institute of Technology, Davanagere, 577006, Indien

KS Pavithra

Fachbereich Physik, Bapuji Institute of Technology, Davanagere, 577006, Indien

Vinay Parol

Mikro- und Nano-Wärmeübertragungslabor, Fakultät für Maschinenbau, Zentrum für Forschung in Materialwissenschaft und Wärmemanagement, Karunya Institute of Technology and Sciences, Coimbatore, Indien

A. Brusly Solomon

Abteilung für Chemie, Manipal Institute of Technology, MAHE, Manipal, 576104, Indien

Abgeordneter Yashoda

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Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit KS Pavithra oder MP Yashoda.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Pavithra, KS, Parol, V., Brusly Solomon, A. et al. Untersuchung der Wärmeleitfähigkeit und Wärmeleistung von Wärmerohren durch strukturell gestaltetes, mit Copolymer stabilisiertes ZnO-Nanofluid. Sci Rep 13, 14219 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39598-1

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Eingegangen: 30. Dezember 2022

Angenommen: 27. Juli 2023

Veröffentlicht: 30. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39598-1

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