Антифриз или вода? Что лучше использовать для отопления?

При проектировании системы отопления, часто возникает вопрос, что лучше использовать в качестве теплоносителя, воду или антифриз? Давайте попытаемся разобраться с этим вопросом.

В чём же суть проблемы использования антифризов?

Большинство изготовителей теплотехники не рекомендуют, или даже можно сказать запрещают использование антифризов, в качестве теплоносителя. Почему они это делают?

По своим физико-химическим свойствам, вода лучше всего подходит для теплоносителя систем отопления. Но у неё есть один минус – замерзание при низких температурах! И по этому антифризы могли бы прийти на «выручку» воде, но существует одно но…

Ниже, я постараюсь перечислить все препядствия для использования антифризов:
* Во-первых. Ни один производитель не даст вам гарантии на его оборудование ( так как, используя антифриз в качестве теплоносителя вы нарушаете гарантийные условия ), а это очень существенно, ведь вся теплотехника довольно дорого стоит.

* Во-вторых. Антифриз имеет иные физические свойства, чем вода.У антифризов теплоёмкость на 15 — 20% меньше чем у воды, а вязкость, этой незамерзающей жидкости, наоборот больше чем у воды в два, три раза. Отличается и коэфициент расширения, он больше на 40 — 60%, чем у воды. Существуют также и другие важные отличия антифризов от воды, как температура кипения ( вопрос о том, какое она имеет значение, мы затронем чуть ниже ), теплопроводность и многое другое. Что это нам даёт? А то, что все расчёты системы отопления под воду, не годятся для работы на антифризе. Необходимо будет увеличивать проектную мощность котла и колличество секций радиаторов соответственно на 40 — 60%; увеличить объём расширительного бака на 5- 60%; учесть производительность и напор насоса и другие параметры!

* Третий момент. По поводу температуры кипения воды и антифриза.Что произойдёт, если антифриз нагреть больше, чем допускает производитель антифриза? А произойдёт следущее: разложение этиленгликоля и входящих в состав антифризов присадок. При этом образуются кислота и выпадает твёрдый осадок. Как вам такая перспектива? О последствиях от этого можно даже не сомневаться. Всё это приводит к различным нежелательным химическим реакциям, которые разъедают уплотнения, паронитовые прокладки и др. и к появлению течей в системе отопления!
* Четвёртый момент. У антифризов более выше свойство текучести, тоесть, чем больше различных соединений , тем больше шансов на утечки в системе отопления. Все стыки и соединения должны быть доступны для визуального контроля ( о скрытых в стенах или в полу трубах не может быть и речи! ). А так как антифриз на основе этиленгликоля токсичен (одноразовая смертельная доза составляет всего 100-300 мл), то его нельзя использовать для систем горячего водоснабжения. При утечках в системе отопления пары антифризов могут произвести к отравлениям.

ВЫВОД: Стоит ли то, что система отопления не разморозится при минусовой температуре, таких рисков и возможных последствий ? Ответить на этот вопрос нужно вам самим !

Плотность антифриза 65 (ГОСТ 159–52) и его свойства

В таблице приведена плотность антифриза 65 и значения его теплофизических свойств в зависимости от температуры. Антифриз 65 (водный раствор этиленгликоля или тосол ГОСТ 159–52) имеет температуру замерзания -65°С.

В таблице представлены следующие свойства антифриза: давление пара антифриза Р, кинематическая вязкость ν, плотность антифриза ρ, коэффициент объемного расширения

β, удельная теплоемкость C_p, коэффициент теплопроводности λ, температуропроводность a, число Прандтля Pr.

Свойства антифриза в таблице даны в зависимости от температуры (в интервале от -60 до 120°С).

В процессе нагрева антифриза его плотность, а также кинематическая вязкость, температуропроводность и число Прандтля уменьшаются. По данным таблицы при росте температуры особенно заметно уменьшение значений таких свойств антифриза, как кинематическая вязкость и число Прандтля.

Коэффициент объемного расширения антифриза при увеличении температуры имеет слабую тенденцию к росту, то есть антифриз при нагревании расширяется более заметно.

Плотность антифриза при увеличении его температуры снижается. Например, при температуре 20°С антифриз, согласно таблице, имеет плотность 1089 кг/м³, а при нагревании до 120°С плотность антифриза уменьшается до значения 1011 кг/м³. Плотность антифриза 65 в нормальных условиях больше плотности воды на 10%, а при температуре выше 120°С приближается к этому значению.

Теплопроводность антифриза слабо зависит от температуры. Удельная теплоемкость антифриза при повышении температуры увеличивается.

Источник:
Тепломассообмен влажного воздуха в компактных пластинчато-ребристых теплообменниках : монография / А.В. Чичиндаев. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2009. – 298 с.

АНТИФРИЗЫ на основе этилен- и пропиленгликолей и ВОДА. Температуры замерзания. Вязкости. Плотности. Теплоемкости.

АНТИФРИЗЫ на основе этилен- и пропиленгликолей и ВОДА. Температуры замерзания. Вязкости. Плотности. Теплоемкости. Антифризы это — жидкости, применяемые для охлаждения двигателей внутреннего сгорания, радиоэлектронной аппаратуры, промышленных теплообменников и других установок, работающих при температурах ниже 0°С. Основные требования к антифризам: низкая температура замерзания, высокие теплоемкость и теплопроводность, небольшая вязкость при низких температурах, малая вспениваемость, высокие температуры кипения и воспламенения. Кроме того, антифризы не должны вызывать разрушения конструкционных материалов, из которых изготовлены детали систем охлаждения. Наиболее распространены антифризы на основе водных растворов этиленгликоля и пропиленгликоля (см.ниже). Однако такие растворы вызывают значительную коррозию металлов, поэтому в них добавляют ингибиторы коррозии — Na2HPO4, Na2MoO4, Na2B4O7, KNO3, декстрин, бензоат К, меркаптобензотиазол и другие. В ряде случаев, в качестве антифризов используют водные растворы солей; наиболее широко распространен раствор СаСl2. Недостатки таких антифризов – исключительно высокая коррозионная активность и кристаллизация солей при испарении воды. СВОЙСТВА АНТИФРИЗОВ НА ОСНОВЕ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ СОЛЕЙ (справочная таблица для интереса, такие антифризы практически вышли из употребления) Соль Содержание соли, % по массе Температура замерзания, °С NH4Cl 18,7 -15,8 NaCl 22,4 -21,2 MgCI2*6H2O 20,6 -33,6 CaCl2*6H2O 29,9 -55,0 К2С03*1,5Н20 39,9 -16,5 ЭТИЛЕНГЛИКОЛЬ (1,2-этандиол) НОСН2СН2ОН, бесцветная вязкая гигроскопичная жидкость без запаха, сладковатого вкуса; температура плавления -12,7 °С, температура кипения 197,6 °С. При растворении этиленгликоля в воде выделяется теплота и происходит уменьшение объема. Водные растворы замерзают при низких температурах. Этиленгликоль токсичен при попадании внутрь, действует на центральную нервную систему и почки; смертельная доза 1,4 г/кг. ПДК в воздухе рабочей зоны 5 мг/м 3. ПРОПИЛЕНГЛИКОЛИ (пропандиолы) С3Н6 (ОН)2 Известны 2 изомера: 1,2-П. СН3СНОНСН2ОН (1,2-пропандиол) и 1,3-П. СН2ОНСН2СН2ОН. Пропиленгликоли бесцветные вязкие гигроскопичные жидкости сладковатого вкуса, без запаха. Для 1,2-П. температура плавления -60 °С, температура кипения 189 °С. Для 1,3-П. температура плавления -32°С, температура кипения 213,5°С. 1,2-П. растворим в воде, диэтиловом эфире, одноатомных спиртах, карбоновых кислотах, альдегидах, аминах, ацетоне, этиленгликоле, ограниченно растворим в бензоле. При смешении его с водой или аминами резко снижается температура замерзания растворов. Токсичность 1,2-П. (ЛД50 34,6 мг/кг, крысы) ниже, чем у этиленгликоля. Уровни безопасности для усредненных сроков хранения (биохимической активности) продуктов при добавлении в них 0,2% массового количества хладоносителя приведены ниже. Показатель оценивается по пятибалльной шкале. Пятерка не означает, что продуктом нельзя отравиться в принципе. Антифриз Показатель Расшифровка Вода 5 Нейтрален Этанол 5 Нейтрален Пропиленгликоль 5 Нейтрален Хлорид натрия 5 Нейтрален Формиат калия 4 Слабо опасен Ацетат калия 4 Слабо опасен Метанол 3 Умеренно опасен Этиленгликоль 3 Умеренно опасен Глицерин 3 Умеренно опасен Аммиак 3 Умеренно опасен Хлорид магния 2 Опасен Хлорид кальция 1 Очень опасен Температура замерзания водных растворов этиленгликоля и пропиленгликоля Массовая концентрация гликоля % ЭТИЛЕНГЛИКОЛЬ ПРОПИЛЕНГЛИКОЛЬ ° C ° C 10 -3 -3 15 -5 -5 20 -8 -7 25 -11 -10 30 -14 -13 40 -22 -21 50 -34 -33 60 -48 -51 Физические свойства водного раствора этиленгликоля. Присадки антифризов могут несколько изменить параметры, подстрахуйтесь. Объемная доля в смеси % Минимальная рабочая температура t, °C Температура раствора t, °C Плотность кг/м3 Теплоемкость КДж/кг*K Теплопроводность Вт/м*K Динамическая вязкость сПуаз=мПа*с=10-3*Н*с/м2 Кинематическая вязкость сСт=мм2/с=10-6м2/с 20 -10 -10 1038 3,85 0,498 5,19 5,0 0 1036 3,87 0,500 3,11 3,0 20 1030 3,90 0,512 1,65 1,6 40 1022 3,93 0,521 1,02 1,0 60 1014 3,96 0,531 0,71 0,7 80 1006 3,99 0,540 0,523 0,52 100 997 4,02 0,550 0,409 0,41 34 -20 -20 1069 3,51 0,462 11,76 11,0 0 1063 3,56 0,466 4,89 4,6 20 1055 3,62 0,470 2,32 2,2 40 1044 3,68 0,473 1,57 1,5 60 1033 3,73 0,475 1,01 0,98 80 1022 3,78 0,478 0,695 0,68 100 1010 3,84 0,480 0,515 0,51 52 -40 -40 1108 3,04 0,416 110,8 100 -20 1100 3,11 0,409 27,50 25 0 1092 3,19 0,405 10,37 9,5 20 1082 3,26 0,402 4,87 4,5 40 1069 3,34 0,398 2,57 2,4 60 1057 3,41 0,394 1,59 1,5 80 1045 3,49 0,390 1,05 1,0 100 1032 3,56 0,385 0,722 0,7 Физические свойства водного раствора пропиленгликоля ( 1,2-Пропиленгликоль C3H6(OH)2) Присадки антифризов могут несколько изменить параметры, подстрахуйтесь. Объемная доля в смеси % Минимальная рабочая температура t, °C Температура раствора t, °C Плотность кг/м3 Теплоемкость КДж/кг*K Теплопроводность Вт/м*K Динамическая вязкость сПуаз=мПа*с=10-3*Н*с/м2 Кинематическая вязкость сСт=мм2/с=10-6м2/с 25 -10 -10 1032 3,93 0,466 10,22 9,9 0 1030 3,95 0,470 6,18 6,0 20 1024 3,98 0,478 2,86 2,8 40 1016 4,00 0,491 1,42 1,4 60 1003 4,03 0,505 0,903 0,9 80 986 4,05 0,519 0,671 0,68 100 979 4,08 0,533 0,509 0,52 38 -20 -20 1050 3,68 0,420 47,25 45 0 1045 3,72 0,425 12,54 12 20 1036 3,77 0,429 4,56 4,4 40 1025 3,82 0,433 2,26 2,2 60 1012 3,88 0,437 1,32 1,3 80 997 3,94 0,441 0,897 0,9 100 982 4,00 0,445 0,687 0,7 47 -30 -30 1066 3,45 0,397 160 150 -20 1062 3,49 0,396 74,3 70 -10 1058 3,52 0,395 31,74 30 0 1054 3,56 0,395 18,97 18 20 1044 3,62 0,394 6,264 6 40 1030 3,69 0,393 2,978 2,9 60 1015 3,76 0,392 1,624 1,6 80 999 3,82 0,391 1,10 1,1 100 984 3,89 0,390 0,807 0,82 Физические свойства воды. Присадки водоподготовки (и санитарные) могут несколько изменить параметры, подстрахуйтесь. Температура t,(°C) Давление насыщенных паров 103*Па Плотность кг/м3 Удельный объем (м3/кг)x10—5 Теплоемкость КДж/кг*K Энтропия КДж/кг*K Динамическая вязкость сПуаз=мПа*с=10-3*Н*с/м2 Кинематическая вязкость сСт=мм2/с=10-6м2/с Коэффициент объемного расширения K-1*10-3 Энтальпия КДж/кг*K Число Прандтля 0 0,6 1000 100 4,217 0 1,78 1,792 -0,07 0 13,67 5 0,9 1000 100 4,204 0,075 1,52     21,0   10 1,2 1000 100 4,193 0,150 1,31 1,304 0,088 41,9 9,47 15 1,7 999 100 4,186 0,223 1,14     62,9   20 2,3 998 100 4,182 0,296 1,00 1,004 0,207 83,8 7,01 25 3,2 997 100 4,181 0,367 0,890     104,8   30 4,3 996 100 4,179 0,438 0,798 0,801 0,303 125,7 5,43 35 5,6 994 101 4,178 0,505 0,719     146,7   40 7,7 991 101 4,179 0,581 0,653 0,658 0,385 167,6 4,34 45 9,6 990 101 4,181 0,637 0,596     188,6   50 12,5 988 101 4,182 0,707 0,547 0,553 0,457 209,6 3,56 55 15,7 986 101 4,183 0,767 0,504     230,5   60 20,0 980 102 4,185 0,832 0,467 0,474 0,523 251,5 2,99 65 25,0 979 102 4,188 0,893 0,434     272,4   70 31,3 978 102 4,190 0,966 0,404 0,413 0,585 293,4 2,56 75 38,6 975 103 4,194 1,016 0,378     314,3   80 47,5 971 103 4,197 1,076 0,355 0,365 0,643 335,3 2,23 85 57,8 969 103 4,203 1,134 0,334     356,2   90 70,0 962 104 4,205 1,192 0,314 0,326 0,698 377,2 1,96 95 84,5 962 104 4,213 1,250 0,297     398,1   100 101,33 962 104 4,216 1,307 0,281 0,295 0,752 419,1 1,75 105 121 955 105 4,226 1,382 0,267     440,2   110 143 951 105 4,233 1,418 0,253     461,3   115 169 947 106 4,240 1,473 0,241     482,5   120 199 943 106 4,240 1,527 0,230 0,249 0,860 503,7 1,45 125 228 939 106 4,254 1,565 0,221     524,3   130 270 935 107 4,270 1,635 0,212     546,3   135 313 931 107 4,280 1,687 0,204     567,7   140 361 926 108 4,290 1,739 0,196 0,215 0,975 588,7 1,25 145 416 922 108 4,300 1,790 0,190     610,0   150 477 918 109 4,310 1,842 0,185     631,8   155 543 912 110 4,335 1,892 0,180     653,8   160 618 907 110 4,350 1,942 0,174 0,189 1,098 674,5 1,09 165 701 902 111 4,364 1,992 0,169     697,3   170 792 897 111 4,380 2,041 0,163     718,1   175 890 893 112 4,389 2,090 0,158     739,8   180 1000 887 113 4,420 2,138 0,153 0,170 1,233 763,1 0,98 185 1120 882 113 4,444 2,187 0,149     785,3   190 1260 876 114 4,460 2,236 0,145     807,5   195 1400 870 115 4,404 2,282 0,141     829,9   200 1550 863 116 4,497 2,329 0,138 0,158 1,392 851,7 0,92 220             0,149 1,597   0,88 225 2550 834 120 4,648 2,569 0,121     966,8   240             0,142 1,862   0,87 250 3990 800 125 4,867 2,797 0,110     1087   260             0,137 2,21   0,87 275 5950 756 132 5,202 3,022 0,0972     1211   300 8600 714 140 5,769 3,256 0,0897     1345   325 12130 654 153 6,861 3,501 0,0790     1494   350 16540 575 174 10,10 3,781 0,0648     1672   360 18680 526 190 14,60 3,921 0,0582     1764

Вода Тосол Антифриз — ВолгаПитер

В этой статье я расскажу о жидкостях, применяемых в системе охлаждения  автомобиля.  Умышленно не пишу слово «двигателя» — на современных автомобилях зачастую система охлаждения работает не только с двигателем, но и с коробкой передач.

Начнем мы разбираться с самой простой и во многом этим заманчивой жидкостью, обычной водой. Ну или необычной- дистиллированной водой.

Мне можно возразить, сказав, что это «не модно». Возможно, вы и правы, но есть моменты, когда без воды не обойтись.  До сих пор есть автолюбители старой закалки, использующие авто только летом и полностью отвергающие любую жидкость для охлаждения, кроме воды.  Если взглянуть на эту привычку, то трудно не согласиться, что в принципе свою функцию вода в системе выполняет, но как всегда есть свои «НО». Давайте взглянем на них.

«+»

Безусловно, это халявность  (можно и из канавы зачерпнуть)

Машина дольше набирает температуру до закипания

Вода менее гигроскопична, чем другие жидкости.

«-»

Главный — это конечно переход в твердое агрегатное состояние (замерзает и разрывает все, что ей мешает замерзать.)

Замечательный катализатор для окисления металлов

Полное отсутствие смазывающих свойств

Образование отложений (не относится к дистиллированной воде)

Посредственная теплопроводность

Как видите, минусов больше, чем плюсов-  использование воды, тем более в современных двигателях, ведет к затратным ремонтам.

В то же время нельзя не упомянуть, что вода  обязательно входит в состав охлаждающих жидкостей, а некоторые из антифризов производятся в виде концентратов и разбавляются исключительно дистиллированной водой.

Теперь мы обратим свой взор на антифриз и тосол.

Прежде всего, разберемся, что это за «звери».

Как известно, прогрессом движет лень. В недалеком прошлом люди решили, что сливать каждый зимний день воду из системы охлаждения совсем не интересно.

Выход из ситуации был один — найти то, что не замерзает.  Покопавшись в «холодильнике»,  нашли спирт. Но спирт отлично горит, что превращало автомобиль при аварии  в замечательную вакуумную бомбу.  Пришлось обратиться к химикам – так и получили на выходе этиленгликоль как составляющую для охлаждающей жидкости (на историческую справку не претендую, но в промышленности этиленгликоль использовался для получения взрывчатых компонентов).

Как всегда, самое прогрессивное досталось военным. В концентрированном виде, как охлаждающая жидкость, этиленгликоль поставлялся только в армию. Поскольку он имел, скажем мягко, повышенную опасность для человеческого организма (яд),  в гражданскую сферу его не пустили. Процессом адаптации стало развитие жидкостей, получивших название на западе антифриз, а у нас тосол.

Википедия

Антифриз (от греч. ἀντι- — против и англ. freeze — замерзать) — общее название для жидкостей, не замерзающих при низких температурах. Применяются в установках, работающих при низких температурах, для охлаждения двигателей внутреннего сгорания, в качестве авиационных противообледенительных жидкостей. В качестве базовых жидкостей антифризов используются смеси этиленгликоля, пропиленгликоля, глицерина, одноатомных спиртов и других веществ с водой.

«Тоcол» — торговое обозначение незамерзающей охлаждающей жидкости, разработанной в СССР.

Слово «ТОСОЛ» образовано из аббревиатуры «ТОС» — «Технология органического синтеза», отдела НИИ органической химии и технологии, где работали создатели, и окончания «-ол», применяемого для обозначения спиртов (этиленгликоль — это двухосновный спирт). Для примера: «этанол» — этиловый спирт, «этан-1,2-диол» — этиленгликоль. По другой версии, «ОЛ» — сокращение Отдельной Лаборатории, разработавшей вещество.

<o:p> </o:p>

Теперь появляется вопрос «Чем они отличаются?».

Ответ прост — ничем. Конечно, утрирую, но все что они делают идентично, их состав схож.

На рынке автохимии на данный момент превалируют антифризы.

 Объяснить  это просто:

 Главным образом из-за стремления купить «их», ведь «наше» всегда хуже.

Все иномарки, а сейчас и отечественные авто с завода заполняются антифризом.

Тосол сильно подпортил себе имидж  в 90-е попаданием на рынок «паленки» которая с аппетитом съедала до дыр алюминиевые головки блока.

И наконец, тосол не соответствует современным требованиям производителей автомобилей.

Огромный плюс тосола в его совместимости, если на канистре написано «ТОСОЛ», значит можно не задумываясь добавлять его в двигатель, в котором система охлаждения заполнена тосолом.

У антифриза этот фокус может закончиться плачевно.

Антифризы, имея одно название, разделяются по цвету. Это сделано для того, чтобы не допускать смешивания.  Производители антифризов использовали каждый свои присадки, что порой при смешении давало химическую реакцию с выпадением  осадка. Все это могло привести к ремонту. Плюс цвет говорил о наличии или отсутствии определенных свойств — антикоррозийных, повышенной температуры закипания, сниженных промывочных свойств. Все это можно почитать на сайтах производителей антифриза.  В последнее время все большие компании тестируют свои жидкости на совместимость с конкурентами. Но смешивание разных производителей, и тем более разных цветов антифризов не рекомендовано.

Как узнать, что залито в системе? Откройте расширительный бачок и взгляните туда. Правда, здесь есть небольшая проблема — если в систему залита охлаждающая жидкость достаточно давно, вы не сможете различить её цвет.  Порой выходом может быть лишь её замена целиком с предварительной промывкой системы дистиллированной водой.

Не забывайте, что и эта жидкость имеет свой срок работы.

Надеюсь, что эта статья поможет Вам разобраться в некоторых особенностях автомобиля. Все вопросы по статье и обсуждения Вы можете оставить или почитать по ссылке под статьей, на нашем форуме.

 

Важность плотности охлаждающей жидкости и ее определение| Нектон Сиа

Важность плотности охлаждающей жидкости и ее определение

05.03.2019

Знать плотность залитого в автомобиль антифриза очень важно, поскольку она указывает на качество охлаждающей жидкости и влияет на работу системы охлаждения. «Бывалые» водители скажут, что нормальный «Тосол» с температурой замерзания -40°С должен иметь плотность 1,075 г/см3.

Антифризы бывают разных видов («Тосол» — один из них), которые отличаются составом и рабочими характеристиками. Потому и плотность у каждой охлаждающей жидкости несколько отличается от аналогов. Данный параметр находится в зависимости от таких факторов:

• ингредиенты, используемые в антифризе;
• концентрация моноэтиленгликоля;
• состав и содержание присадок.

От плотности антифриза зависят его теплоемкость и теплопроводность. Если этот показатель не соответствует норме, система охлаждения перестает справляться со своими функциями, а от этого зависит нормальная работа всего двигателя. В этом случае необходимо как можно быстрее произвести замену охлаждающей жидкости, иначе мотор может сильно пострадать, и тогда без его ремонта не обойтись.

Измерение плотности «Тосола»

Определить плотность «Тосола» (или любой другой охлаждающей жидкости) можно в домашних условиях с помощью специального прибора — ареометра. Процедура определения этого параметра для любого антифриза достаточно проста, нужно лишь обзавестись измерительным устройством и четко следовать дальнейшей инструкции:

1. Открыть капот автомобиля.
2. Открыть расширительный бачок и набрать необходимое количество охлаждающей жидкости с помощью ареометра. Для забора антифриза в приборе имеется пипетка и груша. Количество жидкости должно быть таким, что поплавок свободно плавал в ней.
3. По шкале ареометра определить плотность охлаждающей жидкости.

Соотношение антифриза и воды в системе должно быть таким, чтобы жидкость не замерзала при температуре -35°С. Если это условие не выполняется, нужно долить в бачок антифриз и понизить температуру замерзания.

Что делать, если измерение показало, что данная концентрация охлаждающей жидкости позволяет эксплуатировать транспортное средство лишь при температуре не ниже -10°С? Конечно, можно все оставить как есть, если точно известно, что температура не опустится ниже. Но если это не так, следует выполнить такие действия:

1. Открыть сливное отверстие системы охлаждения.
2. Подождать, пока около 1,5 л антифриза выльется из системы.
3. Закрыть сливное отверстие.
4. Залить в расширительный бачок около 1,5 л антифриза.

Также нужно знать о негативном влиянии повышенной концентрации антифриза. Если его содержание в растворе с водой превысит 60%, это ухудшит охлаждающие свойства жидкости.

Нормальный уровень плотности «Тосола»

Плотность охлаждающей жидкости относится к ее ключевым параметрам, потому ее нормальный уровень необходимо знать. Зависит он не столько от состава жидкости, сколько от рабочей температуры. Если следовать действующему ГОСТу, то плотность «Тосола» должна находиться в пределах 1,065-1,085 г/см3. По специальной таблице можно установить уровень плотности охлаждающей жидкости в зависимости от температуры замерзания и концентрации в «Тосоле» гликоля.

Теплоноситель инженерных систем: вода, глицерин или гликоли?

Для длительной работы дорогостоящего климатического оборудования важно использовать качественные и проверенные теплоносители, подходящие для эксплуатации в заявленных условиях. Это касается не только жилых сооружений, но и торговых комплексов, административных зданий, медицинских и оздоровительных учреждений, производственных цехов, складских помещений и других объектов.

Если вы хотите обеспечить оборудованию бесперебойную и слаженную работу в любое время года, к выбору теплоносителя следует подойти с максимальной ответственностью. Нужен состав, который не только обеспечит эффективный обогрев помещения, но и сделает возможной эксплуатацию оборудования при отрицательных температурах. В условиях российского климата этот аргумент становится едва ли не ключевым. Конечно, большое значение имеют многие теплофизические свойства рабочей жидкости – вязкость, теплоемкость и теплопроводность, коррозионная активность, инертность в отношении к материалам уплотнителей трубопроводов и многое другое. Какую именно жидкость следует использовать, какие недостатки имеются у воды и глицерина – расскажут специалисты.

2.1.Вода или антифриз

Для любого типа инженерных систем выбор заключается между обычной котловой или деминерализованной водой и специальными жидкостями с низкой температурой кристаллизации – антифризами. В качестве основы для промышленных антифризов используются водные растворы различных соединений – солей неорганических кислот, глицерина, гликолей или эфира.

Сначала подробно рассмотрим целесообразность использования воды в качестве рабочей жидкости для инженерных систем. Это наиболее доступный, экологически безопасный и эффективный с точки зрения передачи тепла вариант, имеющий несколько существенных недостатков. В составе воды имеются примеси солей, хлора, железа, щелочных и щелочноземельных металлов. Помимо высокой коррозионной активности, которую реально снизить за счет деминерализации и введения специальных присадок, вода имеет высокую температуру замерзания. В результате климатическая система должна постоянно находиться в зоне положительных рабочих температур, иначе это приведет к разрушению системы за счет объемного расширения жидкости при замерзании. Для использования ее в качестве рабочей жидкости отопительных систем необходимо деминерализация и введения специальных антикоррозионных присадок.

2.2.Глицерин как антифриз для климатической системы

Первая низкозамерзающая охлаждающая жидкость для инженерных систем появилась практически 100 лет назад и была изготовлена именно на основе глицерина – трехатомного спирта. Тогдашние антифризы представляли собой водный раствор глицерина с концентрацией примерно 65 %. Такая рабочая жидкость обладала температурой замерзания в 40 градусов ниже нуля и температурой кипения + 280 градусов. Практически с начала использования антифриза проявились некоторые недостатки – недостаточная текучесть состава, этотт недостаток пытались исправить за счет введения в раствор солей, метанола и этанола. Уже в 30-х годах прошлого века появилась альтернатива глицерину – водно-гликолевая смесь на основе раствора этиленгликоля. В СССР и других развитых странах мира глицериновые антифризы практически везде были вытеснены этиленгликолевыми. Несмотря на этот факт, некоторые производители до сих пор пытаются доказать исключительность глицерина и продолжают выпуск составов для климатических систем именно на его основе.

Если проанализировать свойства глицерина, или тригидроксипропана, или пропантриола, то это представитель предельных трехатомных спиртов. Физические свойства: бесцветная вязкая жидкость со сладковатым вкусом, температурой плавления 7,9 градуса, температурой кипения 245 градусов и плотностью 1,26 грамма на кубический сантиметр. Жидкость растворяется как в органических растворителях, так и в воде.

Тщательное изучение недостатков глицерина показывает, что несмотря на допустимость их использования в технике, применение таких антифризов может стать губительным для дорогостоящего климатического оборудования, а также представляет серьезную опасность для здоровья человека и состояния окружающей среды. В пользу этого мнения говорят факты.

2.3.Перечень основных недостатков глицерина

Уже самые первые антифризы на основе глицерина обладали настолько высокой вязкостью, что справиться с перекачкой жидкости по трубопроводу могли лишь самые мощные насосы. Циркуляция в системах отопления и охлаждения была недостаточной, поэтому производителям пришлось разбавлять рабочий состав другими органическими соединениями, в частности, метиловым спиртом.

Важно помнить, что глицерин неустойчив, при нагревании до температуры 80 градусов и выше (отопительное оборудование функционирует именно в таком диапазоне рабочих температур) он склонен распадается с образованием ацетона и акролеина. Такие примеси не только резко снижают температуру вспышки до 112 градусов, но и являются токсичными и взрывоопасными. При использовании антифризов на основе глицерина постоянно возникали проблемы с работоспособностью насосного оборудования, повышенной пожароопасностью и отравлением людей парами акролеина.

После открытия промышленных способов получения растворов пропилен- и этиленгликоля глицериновые антифризы отошли на второй план. Сегодня ни один крупный производитель не занимается выпуском таких рабочих жидкостей. Исключением являются некоторые отечественные изготовители, которые пытаются продать изначально некачественный состав с максимальной выгодой для себя.

Ищем альтернативу

Экономия на стоимости антифриза не стоит той опасности, которую представляют глицериновые составы для здоровья людей и работоспособности оборудования. Отечественный рынок теплоносителей давно располагает богатым выбором альтернативных составов, которые в разы лучше по эксплуатационным параметрам и гораздо безопаснее для человека и окружающей среды.

В качестве успешного примера можно привести водно-гликолевые смеси от компании «ТЕХНОФОРМ», которые имеют низкую температуру кристаллизации, длительный рекомендуемый срок эксплуатации и минимальную коррозионную активность за счет применения карбоксилатных присадок европейского производства. При постоянном мониторинге качества теплоносители на основе раствора этилен- или пропиленгликоля могут сохранять первоначальные характеристики на протяжении более 5 лет.

Вам могут быть интересны следующие товары

Вам могут быть интересны услуги

Этиленгликоль — Вода. Плотность, температура замерзания, теплоемкость Cp, теплопроводность, водного раствора этиленгликоля = monoethylenglycol — основного антифриза и теплоносителя для систем отопления и центрального кондиционирования в РФ.

Этиленгликоль — Вода. Плотность, температура замерзания, теплоемкость Cp, теплопроводность, водного раствора этиленгликоля = monoethylenglycol = MEG= C 2H4(OH)2 — основного антифриза=теплоносителя для систем отопления / центрального кондиционирования в РФ. Объемная доля в смеси % Минимальная рабочая температура ( замерзания), °C Температура раствора °C Плотность r кг/м3 Теплоемкость Cp кДж/(кг*К) Теплопроводность Вт/(м*К) Динамическая вязкость 10-3 (Н*с/м2) Кинематическая вязкость 10-6(м2/с)=мм2/с=cSt 20 -10 -10 1038 3,85 0,498 5,19 5,0 0 1036 3,87 0,500 3,11 3,0 20 1030 3,90 0,512 1,65 1,6 40 1022 3,93 0,521 1,02 1,0 60 1014 3,96 0,531 0,71 0,7 80 1006 3,99 0,540 0,523 0,52 100 997 4,02 0,550 0,409 0,41 34 -20 -20 1069 3,51 0,462 11,76 11,0 0 1063 3,56 0,466 4,89 4,6 20 1055 3,62 0,470 2,32 2,2 40 1044 3,68 0,473 1,57 1,5 60 1033 3,73 0,475 1,01 0,98 80 1022 3,78 0,478 0,695 0,68 100 1010 3,84 0,480 0,515 0,51 52 -40 -40 1108 3,04 0,416 110,8 100 -20 1100 3,11 0,409 27,50 25 0 1092 3,19 0,405 10,37 9,5 20 1082 3,26 0,402 4,87 4,5 40 1069 3,34 0,398 2,57 2,4 60 1057 3,41 0,394 1,59 1,5 80 1045 3,49 0,390 1,05 1,0 100 1032 3,56 0,385 0,722 0,7

Теплопроводность смесей этиленгликоль-вода

В компании Thermtest измеритель теплопроводности жидкости с горячей проволокой для переходных процессов (широко известный как THW-L2) используется в качестве измерительной системы для определения теплопроводности жидкостей и паст. Эта система соответствует стандарту ASTM D7896, международному стандарту измерения теплопроводности. Можно ожидать уверенности в результатах, поскольку THW-L2 имеет отличную повторяемость, обычно лучше 2%, и высокую точность, обычно лучше 5%.

В статье Теплопроводность, плотность, вязкость и числа Прандтля смесей этиленгликоль-вода (Bohne, Fischer, & Obermeier, 1984), теплопроводность, плотность и вязкость этиленгликоля (EG) — воды смеси были измерены. Для этого исследования теплопроводность была измерена с помощью устройства с концентрическим цилиндром в диапазоне температур от -20 ° C до 180 ° C при давлении насыщения. Был использован абсолютный метод, и эффекты конвекции удалось избежать за счет вращения концентрических цилиндров вокруг своих горизонтальных осей.

Эти значения были определены путем получения индивидуальных значений теплопроводности чистых жидкостей. Другое уравнение использовалось для расчета теплопроводности смесей по значениям теплопроводности чистой жидкости. После использования квадратных уравнений были определены коэффициенты теплопроводности смесей ЭГ — вода. На рисунке 1 показан график измеренных значений теплопроводности смесей ЭГ — вода в зависимости от температуры, при которой они были обнаружены (Bohne, Fischer, & Obermeier, 1984).

Рисунок 1: Теплопроводность смесей этиленгликоль-вода

В отличие от методов, использованных в статье, THW-L2 может определять теплопроводность жидкости или пасты гораздо более простым способом. Это достигается приготовлением небольшого образца жидкости или пасты, заливкой его в держатель образца и вертикальной вставкой датчика на место внутри держателя. Затем проводится эксперимент, и результаты могут быть сохранены, распечатаны или экспортированы в Microsoft Excel для дальнейшего использования.Нет необходимости предпринимать какие-либо дополнительные действия, а результаты по теплопроводности можно получить мгновенно, нажав кнопку на передней панели прибора или с помощью компьютерного программного обеспечения на базе Windows.

Недавно исследователи из Thermtest провели измерения теплопроводности водных смесей с различными концентрациями этиленгликоля. Изучение термических свойств ЭГ важно, поскольку это один из наиболее часто используемых растворителей. EG чаще всего используется в качестве антифриза или охлаждающей жидкости в транспортных средствах, и полезно знать его теплопроводность в различных условиях, концентрациях и температурах.

Рис. 2: Сравнение измеренных значений теплопроводности, полученных Bohne et al. и THW-L2

Из этих сравнений можно заметить, что все значения теплопроводности отличаются друг от друга не менее чем на 5%. Такая близкая точность и соответствие экспериментальных и эталонных значений демонстрируют превосходную точность системы THW-L2, что делает ее идеальным выбором для обеспечения точных и точно измеренных значений теплопроводности жидкостей.

Как упоминалось ранее, Бон, Фишер и Обермайер избегали эффектов конвекции в своих измерениях, заставляя концентрические цилиндры вращаться вокруг своих горизонтальных осей. Измерения теплопроводности, выполненные с помощью THW-L2, также не включали никаких конвективных эффектов. THW-L2 использует нестационарный подход к измерениям и быстрое время тестирования (менее 2 секунд), чтобы ограничить конвективные эффекты для образцов с широким диапазоном вязкости. При использовании этого метода измерения теплопроводности главными приоритетами являются простота эксплуатации и скорость, поэтому точные измерения гарантируются с учетом этих параметров.

Список литературы

Боне Д., Фишер С. и Обермайер Э. (1984). Теплопроводность, плотность, вязкость и числа Прандтля смесей этиленгликоля и воды. Бер. Bunsenges. Phys. Chem. 88, 739-742.

Похожие сообщения:

Теплопроводность воды ДИУФ

Гликоль

или вода — какая охлаждающая жидкость лучше?

Удельная теплоемкость водных растворов на основе этиленгликоля меньше, чем у чистой воды; в 50-процентном растворе удельная теплоемкость этиленгликоля по сравнению с чистой водой уменьшается по крайней мере на 20 процентов при 36 градусах и примерно на 17 процентов при 200 градусах.Еще одна распространенная охлаждающая жидкость — пропиленгликоль — имеет еще более низкую удельную теплоемкость. Предполагая расход охлаждающей жидкости 100 галлонов в минуту и ​​потери энергии через систему охлаждающей жидкости 189,5 л.с., повышение температуры воды составит 10 градусов, смесь этиленгликоля и воды повысится на 20 градусов, а пропиленгликоль — на 33,3. градусов.

Для компенсации пониженной теплоемкости смесей охлаждающая жидкость / вода потребуется циркуляция большего количества жидкости через систему. При фиксированном количестве циркулирующей жидкости и емкости радиатора проточная 100-процентная вода будет наиболее эффективной охлаждающей жидкостью с точки зрения ее способности проводить тепло с минимальным повышением температуры.Другими словами, из всех обычных жидкостей воде требуется больше всего тепловой энергии для изменения своей температуры.

Однако есть также различия в точке парообразования трех разных охлаждающих жидкостей. Этиленгликоль и пропиленгликоль имеют более высокие точки парообразования и поэтому могут поглощать тепло при более высоких температурах без кипения. Тем не менее, даже с более низкой точкой парообразования, вода по-прежнему несет больше тепла на единицу.

Не забывайте, что охлаждающая жидкость — это лишь часть общей системы охлаждения.«Вы можете повысить эффективную точку парообразования воды, используя крышку радиатора с более высоким давлением. На каждый фунт повышенного давления в системе точка кипения воды повышается на 3 градуса. Более высокие точки кипения также снижают потери на испарение, кавитацию водяного насоса и теплоотдачу. вымачивание после закипания. Вы можете обойтись без более высокого давления в системе, используя качественный алюминиевый радиатор, который рассчитан на более высокое давление, чем латунный / медный радиатор. Алюминиевые радиаторы могут выдерживать большее давление, потому что их прочность на разрыв выше, чем у латуни — это позволяет В алюминиевом блоке используются трубы с большим поперечным сечением и более тонкими стенками.Трубка большего размера также имеет большую площадь поверхности стенки, что приводит к улучшенной теплопередаче.

Итог: алюминиевый радиатор с большими трубками, заполненный чистой водой и использующий колпачок с давлением не менее 20 фунтов на кв. Дюйм, безусловно, является лучшей системой теплопередачи, при условии, что автомобиль не подвергается воздействию низких температур. При работе с чистой водой обязательно добавляйте ингибитор коррозии.

Обзор жидких охлаждающих жидкостей для охлаждения электроники

Введение

Охлаждение электронных компонентов стало серьезной проблемой в последнее время из-за достижений в разработке более быстрых и компактных компонентов.В результате были разработаны различные технологии охлаждения для эффективного отвода тепла от этих компонентов [1, 2]. Использование жидкого хладагента стало привлекательным из-за более высокого коэффициента теплопередачи по сравнению с воздушным охлаждением. Охлаждающие жидкости используются как в однофазных, так и в двухфазных системах. Однофазный контур охлаждения состоит из насоса, теплообменника (холодная пластина / мини- или микроканалы) и радиатора (радиатор с вентилятором или жидкостно-жидкостной теплообменник с водяным охлаждением) [3 ].Источник тепла в системе электроники прикреплен к теплообменнику. Жидкие хладагенты также используются в двухфазных системах, таких как тепловые трубы, термосифоны, системы кипячения с переохлаждением, распылительное охлаждение и системы прямого погружения [2, 4].

Требования к охлаждающей жидкости для электроники

К жидкостному хладагенту для электроники предъявляется множество требований. Требования могут различаться в зависимости от типа приложения. Ниже приводится список некоторых общих требований:

• Хорошие теплофизические свойства (высокая теплопроводность и удельная теплоемкость; низкая вязкость; высокая скрытая теплота испарения для двухфазного применения)
• Низкая точка замерзания и точка разрыва (иногда требуется защита от разрыва при -40 ° C или ниже при транспортировке и / или хранении)
• Высокая температура кипения при атмосферном давлении (или низкое давление пара при рабочей температуре) для однофазной системы; узкая желаемая точка кипения для двухфазной системы
• Хорошая химическая и термическая стабильность в течение всего срока службы электронной системы
• Высокая температура вспышки и температура самовоспламенения (иногда требуется негорючесть)
• Не вызывает коррозии конструкционных материалов (металлов, полимеров и других неметаллов)
• Отсутствуют или минимальные нормативные ограничения (экологически чистые, нетоксичные и, возможно, биоразлагаемые)
• Экономичный

Лучшая охлаждающая жидкость для электроники — это недорогая и нетоксичная жидкость с отличными теплофизическими свойствами и длительным сроком службы.Желательны высокая температура вспышки и температура самовоспламенения, чтобы жидкость была менее восприимчива к возгоранию. Хорошие теплофизические свойства требуются для получения высоких коэффициентов теплопередачи и низкой мощности откачки, необходимых для протекания жидкости через трубку или канал.

Электропроводность (не указанная в списке) охлаждающей жидкости становится важной, если жидкость вступает в прямой контакт с электроникой (например, при прямом погружном охлаждении), или если она вытекает из охлаждающего контура или проливается во время обслуживания и поступает. контактирует с электрическими цепями [5].В некоторых приложениях диэлектрическая охлаждающая жидкость является обязательной, тогда как во многих других применениях она не является обязательной из-за очень малой вероятности утечки охлаждающей жидкости (или в случае утечки охлаждающая жидкость не контактирует с электроникой).

Таблица 1: Свойства различных химических составов охлаждающей жидкости при 20 ° C

В следующих разделах различные химические составы охлаждающей жидкости разделены на диэлектрические и недиэлектрические жидкости, и их свойства обсуждаются более подробно (см. Также Таблицу 1).

Диэлектрические жидкие хладагенты

Ароматические соединения: Синтетические углеводороды ароматической химии (например, диэтилбензол [DEB], дибензилтолуол, диарилалкил, частично гидрогенизированный терфенил) являются очень распространенными теплоносителями и охлаждающими жидкостями, используемыми в различных областях [6]. Однако эти соединения нельзя отнести к категории нетоксичных. Кроме того, некоторые из этих жидкостей (например, алкилированный бензол) имеют сильный запах, который может раздражать персонал, работающий с ними.

Сложный силикатный эфир: Этот химический состав (например, Coolanol 25R) широко использовался в качестве диэлектрического хладагента в бортовых радиолокационных и ракетных системах ВВС и ВМФ. Эти жидкости вызывают значительные, а иногда и катастрофические проблемы из-за их гигроскопичности и последующего образования легковоспламеняющихся спиртов и силикагеля. Поэтому эти жидкости были заменены более стабильными и диэлектрическими алифатическими химическими веществами (полиальфаолефины или ПАО) [7].

Алифатика: Алифатические углеводороды парафинового и изопарафинового типа (включая минеральные масла) используются в различных системах прямого охлаждения электронных компонентов, а также в охлаждающих трансформаторах [6].Многие алифатические соединения на нефтяной основе соответствуют критериям Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) и Министерства сельского хозяйства США (USDA) в отношении случайного контакта с пищевыми продуктами. Эти жидкости на нефтяной основе не образуют опасных побочных продуктов разложения. Большинство этих жидкостей имеют незаметный запах и нетоксичны в случае контакта с кожей или проглатывания. Как упоминалось ранее, жидкости на основе алифатических полиальфаолефинов заменили жидкости на основе силикатно-сложных эфиров в различных системах охлаждения военной электроники (и авионики) за последнее десятилетие.

Силиконы: Еще один класс популярных химикатов охлаждающих жидкостей — это диметил- и метилфенилполи (силоксан) или обычно известное как силиконовое масло [6]. Поскольку это синтетическое полимерное соединение, молекулярную массу, а также теплофизические свойства (точку замерзания и вязкость) можно регулировать путем изменения длины цепи. Силиконовые жидкости используются при температурах от -100 ° C до 400 ° C. Эти жидкости имеют отличный срок службы в закрытых системах в отсутствие кислорода.Кроме того, известно, что нетоксичные силиконовые жидкости практически не имеют запаха и удобны для рабочих мест. Однако низкое поверхностное натяжение придает этим жидкостям тенденцию протекать вокруг трубопроводной арматуры, хотя низкое поверхностное натяжение улучшает смачиваемость. Подобно алифатическим соединениям, силиконовые масла с высоким молекулярным весом также нашли применение в охлаждающих трансформаторах.

Фторуглероды: Фторированные соединения, такие как перфторуглероды (например, FC-72, FC-77), гидрофторэфиры (HFE) и простые перфторуглероды (PFE), обладают определенными уникальными свойствами и могут использоваться в контакте с электроникой [4, 8].Прежде всего, эти жидкости негорючие и нетоксичные. Некоторые фторированные соединения обладают нулевым озоноразрушающим потенциалом и другими экологическими свойствами. Во-вторых, некоторые из этих жидкостей имеют низкие точки замерзания и низкую вязкость при низких температурах. Однако эти жидкости очень дороги, имеют плохие термические свойства, некоторые из них обладают потенциалом глобального потепления (парниковый эффект), а из-за чрезвычайно низкого поверхностного натяжения могут возникать утечки вокруг фитингов.

Жидкие хладагенты без диэлектрика
Жидкие хладагенты без диэлектрика часто используются для охлаждения электроники из-за их превосходных тепловых свойств по сравнению с диэлектрическими хладагентами.Не диэлектрические охлаждающие жидкости обычно представляют собой растворы на водной основе. Поэтому они обладают очень высокими удельной теплоемкостью и теплопроводностью [9]. Деионизированная вода — хороший пример широко используемой охлаждающей жидкости для электроники. Некоторые другие популярные недиэлектрические химические составы охлаждающей жидкости обсуждаются ниже:

Этиленгликоль (EG): Обычно EG используется в качестве антифриза при охлаждении автомобильных двигателей, а также во многих промышленных системах охлаждения. Общие области применения включают технологическое охлаждение при более низких температурах.Этиленгликоль бесцветен, практически не имеет запаха и полностью смешивается с водой. При правильном ингибировании он имеет относительно низкую коррозионную активность. Однако эта охлаждающая жидкость классифицируется как токсичная и требует осторожного обращения и утилизации. Качество воды, используемой для приготовления раствора гликоля, очень важно для системы. Обычно рекомендуется вода с низкой концентрацией хлорид- и сульфат-ионов (<25 частей на миллион). Кроме того, следует поддерживать график мониторинга, чтобы избежать истощения ингибитора и обеспечить постоянство pH раствора.После того, как ингибитор израсходован, рекомендуется удалить старый гликоль из системы и установить новую заправку.

Пропиленгликоль (PG): В ингибированной форме PG обладает теми же преимуществами низкой коррозионной активности, что и этиленгликоль. Кроме того, пропиленгликоль считается нетоксичным. Помимо отсутствия токсичности, он не имеет преимуществ перед этиленгликолем, поскольку он дороже и более вязкий.

Метанол / Вода: Это недорогой раствор антифриза, который находит применение в холодильной технике и в тепловых насосах с грунтовым источником.Как и в случае с гликолями, это можно предотвратить, чтобы остановить коррозию. Эту жидкость можно использовать при температурах до -40 ° C из-за ее относительно высокой скорости теплопередачи в этом диапазоне температур. Его основными недостатками как теплоносителя являются токсикологические соображения. Он считается более вредным, чем этиленгликоль, и поэтому нашел применение только в технологических процессах, расположенных на открытом воздухе. Кроме того, метанол является легковоспламеняющейся жидкостью и, как таковой, представляет потенциальную опасность возгорания там, где он хранится, обрабатывается или используется.

Этанол / вода: Это водный раствор денатурированного зернового спирта. Его главное преимущество в том, что он не токсичен. Таким образом, он нашел применение на пивоваренных заводах, винных заводах, химических заводах, заводах по заморозке пищевых продуктов и тепловых насосах с грунтовым питанием. Как легковоспламеняющаяся жидкость, она требует определенных мер предосторожности при обращении и хранении.

Раствор хлорида кальция: Водные растворы хлорида кальция находят широкое применение в качестве циркулирующих охлаждающих жидкостей на пищевых предприятиях. Он негорючий, нетоксичный и термически более эффективен, чем растворы гликоля.29% (по массе) раствор хлорида кальция имеет температуру замерзания ниже -40 ° C. Основным недостатком этой охлаждающей жидкости является то, что она вызывает сильную коррозию даже в присутствии ингибиторов коррозии.

Раствор формиата / ацетата калия: Водные растворы солей формиата и ацетата калия негорючие и нетоксичные, а также гораздо менее агрессивны и термически более эффективны, чем раствор хлорида кальция [5]. Поэтому, даже имея более высокую цену, чем хлорид кальция, они нашли большое количество применений в последние годы.Хотя в основном эти жидкости применяются в пищевых продуктах, напитках, фармацевтике, химических и климатических камерах, недавно эти жидкости были исследованы для однофазного конвекционного охлаждения микропроцессоров.

Жидкие металлы: В последнее время жидкие металлы, относящиеся к химическому составу Ga-In-Sn, использовались в магнитно-жидкостном динамическом (MFD) насосе [2]. Он использует высокую теплопроводность и плотность металлического сплава для отвода очень высокого теплового потока от микропроцессоров.

Другая химия экзотических охлаждающих жидкостей

Помимо химического состава, описанного выше, есть некоторые новые разработки в области жидкого хладагента. Наножидкости (дисперсии наночастиц, таких как оксид металла, металл, углеродные нанотрубки или алмаз в охлаждающей жидкости для увеличения теплопроводности) были исследованы как метод улучшения тепловых характеристик существующих химических соединений [10].

Количество журнальных публикаций в этой области за последние годы выросло в геометрической прогрессии.Тем не менее, существует еще большое количество неизвестных факторов (например, долговременная надежность, агломерация, оседание и закупорка микроканалов), существующих при использовании наночастиц в охлаждающей жидкости. Материалы с фазовым переходом (PCM) в их микро- или наноинкапсулированной форме используются в охлаждающей среде для увеличения удельной теплоемкости. Опять же, надежность была проблемой при их использовании.

Ионные жидкости (жидкие соли комнатной температуры) также продемонстрировали некоторый потенциал стать охлаждающими жидкостями следующего поколения на основе их термической стабильности, чрезвычайно низкого давления пара и других свойств.В настоящее время их применение ограничено растворителями в химических реакциях и экстракциях. Потребуется несколько лет, чтобы эти химические составы стали технически и экономически конкурентоспособными с существующими охлаждающими жидкостями.

Выводы

В продаже имеется несколько охлаждающих жидкостей (как диэлектрических, так и недиэлектрических). Однако выбор лучшей охлаждающей жидкости для конкретного применения требует правильного понимания всех характеристик и теплофизических свойств этих жидкостей.Диэлектрические жидкости могут использоваться в контакте с электроникой, тогда как не диэлектрические охлаждающие жидкости используются с охлаждающей пластиной. В будущем могут появиться охлаждающие жидкости с лучшими свойствами (теплопроводность, удельная теплоемкость, термическая стабильность), но их популярность будет зависеть от их надежности и экономичности.

Список литературы

1. Incropera, F., Жидкостное охлаждение электронных устройств с помощью однофазной конвекции, Нью-Йорк: John Wiley & Sons, 1999, стр. 1-14.
2. Ласанс, К. и Саймонс, Р., «Достижения в области высокоэффективного охлаждения для электроники», ElectronicsCooling, Vol. 11, No. 4, 2005, pp. 22-39.
3. Шмидт Р., «Жидкостное охлаждение возвращается», ElectronicsCooling, Vol. 11, No. 3, 2005, pp. 34-38.
4. Chrysler, GM, Chu, R., and Simons, RE, «Струйное вскипание диэлектрической охлаждающей жидкости в узких зазорах», IEEE Transactions CHMT-Part A., Volume 18, No. 3, 1995, pp. 527-533 .
5. Мохапатра, С. и Лойкиц, Д., «Достижения в технологиях жидкого хладагента для охлаждения электроники», Труды 21-го симпозиума IEEE Semiconductor по измерению температуры и управлению, Сан-Хосе, Калифорния, 2005 г., стр.354-360.
6. Мохапатра, С., «Выбор теплоносителей для низкотемпературных применений», «Прогресс химической инженерии», август 2001 г., стр. 47-50.
7. Ghajar, A., Tang, W. и Beam, J., «Сравнение гидравлических и тепловых характеристик жидких охлаждающих жидкостей на основе PAO и Coolanol 25R», 6-я совместная конференция по теплофизике и теплопередаче AIAA / ASME, Колорадо-Спрингс, Колорадо, 20 июня -23, 1994, с. 1-14.
8. Мэддокс Д.Э. и Мудавар, И., «Критический тепловой поток при кипении переохлажденного потока фторуглеродной жидкости на смоделированном электронном чипе в прямоугольном канале», Международный журнал тепло- и массообмена, том 32, 1989 г., стр.379-394.
9. Основы справочника ASHRAE, Атланта: Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, Inc, 2001.
10. Маркиз, Ф. и Чибанте, Л., «Улучшение теплопередачи наножидкостей и наносмазочных материалов с помощью углеродных нанотрубок», JOM, 57 (12), стр. 32-43, 2005.

Лучшие теплоносители для жидкостного охлаждения

В то время как пищевая промышленность с большей вероятностью выберет PGW, а не EGW для теплопередачи, в силовой электронике, лазерной и полупроводниковой промышленности предпочтение будет отдано диэлектрическим жидкостям, а не воде.Диэлектрическая жидкость не является проводящей и поэтому предпочтительнее воды при работе с чувствительной электроникой. Перфторированные угли, такие как диэлектрическая жидкость Fluorinert ™ от 3M, негорючие, невзрывоопасные и термически стабильны в широком диапазоне рабочих температур. Хотя деионизированная вода также не является проводящей, Fluorinert ™ менее агрессивен, чем деионизированная вода, и поэтому может быть лучшим выбором для некоторых применений. Однако вода имеет теплопроводность примерно 0.59 Вт / м ° C (0,341 БТЕ / час фут ° F), в то время как Fluorinert ™ FC-77 имеет теплопроводность всего около 0,063 Вт / м ° C (0,036 БТЕ / час фут ° F). ⁵ Fluorinert ™ также намного дороже, чем деионизированная вода.

PAO — это синтетический углеводород, который часто используется в военной и авиакосмической промышленности благодаря своим диэлектрическим свойствам и широкому диапазону рабочих температур. Например, радары управления огнем на современных истребителях имеют жидкостное охлаждение с использованием PAO. Для тестирования холодных пластин и теплообменников, которые будут использовать PAO в качестве теплоносителя, также доступны рециркуляционные охладители, совместимые с PAO.ПАО имеет теплопроводность 0,14 Вт / м ° C (0,081 БТЕ / час фут ° F). Таким образом, хотя диэлектрические жидкости обеспечивают жидкостное охлаждение электроники с низким уровнем риска, они обычно имеют гораздо более низкую теплопроводность, чем вода и большинство водных растворов.

Вода, деионизированная вода, гликоль / водные растворы и диэлектрические жидкости, такие как фторуглероды и полиальфаолефин, являются теплоносителями, наиболее часто используемыми в высокоэффективных системах жидкостного охлаждения. Важно выбрать жидкий теплоноситель, совместимый с вашим трактом прохождения жидкости, обеспечивающий защиту от коррозии или минимальный риск коррозии и отвечающий конкретным требованиям вашего приложения.При правильном химическом составе ваш жидкий теплоноситель может обеспечить очень эффективное охлаждение вашего контура жидкостного охлаждения. Для получения дополнительной информации о технологиях жидкостного охлаждения и подходящей рабочей жидкости для использования в вашей системе, свяжитесь с Aavid, Thermal Division of Boyd Corporation.

¹ Мохапатра, Сатиш К., «Обзор жидких охлаждающих жидкостей для охлаждения электроники», ElectronicsCooling, май 2006 г., с. 22.

² Компания Dow Chemical, «Важность использования качественной воды в растворах теплоносителя», www.Dow.com, Форма № 180-01396-1099QRP, октябрь 1999 г.

³ Компания Dow Chemical, «Как выбрать правильный теплоноситель», «Технологическое отопление», январь 2008 г., Трой, Мичиган, с. 52.

⁴ The Dow Chemical Company, «Руководство по проектированию и эксплуатации для DOWTHERM SR-1 и DOWTHERM 4000 ингибированных теплоносителей на основе этиленгликоля», www.Dow.com, форма № 180-1190-0901 AMS , Сентябрь 2001 г., стр. 6.

⁵ 3M, «3M Fluorinert ™ Electronic Liquid FC-77», www.3M.com, 98-0212-2309-8 (HB), май 2000 г., стр. 1.

Жидкие охлаждающие жидкости с низкой электропроводностью для охлаждения электроники

1.0 Фон

В последнее время электроника проникла практически во все аспекты современной жизни. Внедрение интегральной схемы (ИС), в которой несколько компонентов, таких как диоды, транзисторы, резисторы и конденсаторы, размещены на одной микросхеме, произвело революцию в электронной промышленности. Количество компонентов, упакованных в один чип, неуклонно увеличивалось до уровня Giga-Scale Integration (GSI) с более чем миллиардом компонентов на чип [1].С уменьшением размеров электронных компонентов произошло резкое увеличение количества тепла, выделяемого на единицу объема, что поставило под угрозу безопасность и надежность электронного оборудования. Частота отказов электронных компонентов удваивается на каждые 10 ° C повышения рабочей температуры. Поэтому терморегулирование становится все более важным при проектировании и эксплуатации электронного оборудования [2].

Воздушное охлаждение было предпочтительным методом охлаждения электронных блоков на протяжении десятилетий.Комбинации методов естественного, принудительного и смешанного конвекционного воздушного охлаждения по-прежнему популярны в большинстве приложений благодаря своей простой конструкции, низкой стоимости, простоте обслуживания и высокой надежности [3]. Однако воздушное охлаждение менее эффективно по сравнению с жидкостным охлаждением из-за низкой теплопроводности и его неэффективности в отношении отвода тепла за счет конвекции. Кроме того, низкая плотность и низкая удельная теплоемкость воздуха по сравнению с жидкостями снижает его тепловую емкость и, следовательно, снижает его способность накапливать тепловую энергию без недопустимого повышения температуры [4].

Ожидается, что комбинация вентилятора и специального радиатора для охлаждения ЦП выдержит тепловой поток около 50 Вт / см ² [5].

1.1 Жидкостное охлаждение

Жидкостное охлаждение используется в приложениях, в которых плотность мощности слишком высока для безопасного рассеивания за счет воздушного охлаждения. Обладая более высокой теплопроводностью по сравнению с газами, жидкости имеют гораздо более высокий коэффициент теплопередачи [1]. Используя высокие скорости и высокое давление, можно использовать жидкостное охлаждение для отвода тепла до 200 кВт / см ² [5].Жидкостное охлаждение можно разделить на различные методы охлаждения. Некоторые из методов:

1,2 Одно- и двухфазное жидкостное охлаждение

Однофазный охлаждающий контур обычно состоит из насоса, теплообменника (холодная пластина / мини- или микроканалы) и радиатора (радиатор с вентилятором или теплообменник жидкость-жидкость с охлаждением охлажденной водой) [6] . При двухфазном охлаждении фазовый переход рабочего хладагента используется для поглощения тепловой энергии электронной схемы [7].Некоторыми из применений двухфазного охлаждения являются тепловые трубы, термосифоны, паровые камеры, системы кипения с переохлаждением, распылительное охлаждение и системы прямого погружения [7, 8, 9].

1.3 Активное и пассивное жидкостное охлаждение

При пассивном охлаждении внешняя энергия не применяется для отвода тепла от электроники. Примерами таких систем являются радиатор с ребрами, системы с фазовым переходом, шасси с высокой проводимостью и тепловые трубки. В активной системе охлаждения для отвода тепла от электроники используется внешняя энергия.Эта система может помочь поддерживать температуру соединения кристаллов независимо от температуры окружающего воздуха. Примерами таких систем являются системы жидкостного охлаждения с насосом, системы фазового перехода с насосом и система сжатия пара.

1,4 Непрямое и прямое жидкостное охлаждение

Жидкостное охлаждение, которое может быть достигнуто с использованием косвенных или прямых средств, используется в электронных устройствах, где плотность тепловой мощности может превышать безопасное рассеивание за счет воздушного охлаждения. Непрямое жидкостное охлаждение — это когда отводящие тепло электронные компоненты физически отделены от жидкости, тогда как в случае прямого охлаждения компоненты находятся в прямом контакте с жидким хладагентом [4].Наиболее желательные жидкие охлаждающие жидкости для систем охлаждения электроники обладают хорошими физико-физическими свойствами, высокой температурой вспышки и температурой самовоспламенения, совместимы с материалами конструкции, хорошей химической и термической стабильностью, недороги, нетоксичны и имеют длительный срок хранения. Хорошие теплофизические свойства жидких теплоносителей необходимы для получения как более высоких коэффициентов конвективной теплоотдачи, так и меньшей мощности накачки [10]. Деионизированная вода — хороший пример широко используемого электронного хладагента для косвенного охлаждения.Другие популярные химические составы охлаждающих жидкостей без диэлектрика, используемые в системах непрямого охлаждения, включают пропиленгликоль, этиленгликоль, этанол / вода, раствор хлорида кальция, раствор формиата / ацетата калия и жидкие металлы, такие как сплав галлия, индия и олова (Ga-In-Sn ) [10].

1,5 Электропроводность при непрямом однофазном активном жидкостном охлаждении

Электропроводность жидкого хладагента становится важной при использовании прямого охлаждения из-за прямого контакта между хладагентом и электроникой [11].Однако при непрямом охлаждении электрическая проводимость может быть важной, если есть утечки и / или проливание жидкостей на электронику. В приложениях непрямого охлаждения, где обычно используются жидкости на водной основе с ингибиторами коррозии, электрическая проводимость жидкого хладагента в основном зависит от концентрации ионов в потоке жидкости. Чем выше концентрация ионов, тем выше электрическая проводимость жидкости. Увеличение концентрации ионов в потоке жидкости с замкнутым контуром может происходить из-за выщелачивания ионов из металлов и неметаллических компонентов, с которыми контактирует охлаждающая жидкость.Во время работы электрическая проводимость жидкости может возрасти до уровня, который может нанести вред системе охлаждения.

Ионообменная смола может использоваться для удаления ионных веществ, которые повышают электрическую проводимость хладагента при охлаждении электроники. Они похожи на шарики полимеров, которые способны обмениваться ионами с ионами в растворе, с которым он контактирует.

В настоящей работе были проведены испытания на ионное выщелачивание различных металлов и полимеров как в сверхчистой деионизированной (ДИ) воде, т. Е.е. вода, обработанная до высочайшего уровня чистоты, и смесь этиленгликоль / вода с низкой электропроводностью, при этом измеренные изменения проводимости сообщаются с течением времени. Кроме того, изменения в электропроводности сверхчистой деионизированной воды в непрямом, однофазном, активном контуре охлаждения, с ионообменной смолой и без нее, охарактеризованы в сообщенных результатах. Наконец, обсуждаются рекомендации по конструкции и оценке срока службы картриджа с ионообменной смолой в контуре охлаждения электроники.

2.0 Эксперименты

В этом разделе описывается экспериментальная установка для измерения электропроводности теплоносителя как в экспериментах по ионному выщелачиванию, так и в экспериментах с непрямым охлаждением с замкнутым контуром.

2.1 Долгосрочный эксперимент по ионному выщелачиванию

Экспериментальная установка, используемая для анализа длительного ионного выщелачивания, показана на рисунке 1. Эксперимент проводился с использованием алюминия (AL3003), латуни (B5665), нержавеющей стали (304L), полиэтилена высокой плотности (HDPE), полипропилена, образцы нейлона, поливинилхлорида (ПВХ), нитрильного каучука (Buna-N), полиуретана и силикона, погруженные в:

• Сверхчистая дистиллированная вода (UP-h3O) с электропроводностью 0.5 мкСм / см и
• Готовая смесь этиленгликоля 50:50 и UP-H ₂ O и неионных ингибиторов (EG-LC).

Жидкость и тестовый образец помещали в контейнер из политетрафторэтилена (ПТФЭ), который очищали дистиллированной водой, спиртом, UP-H ₂ O и сушили в окружающей атмосфере. Контейнеры из ПТФЭ были выбраны вместо боросиликатного стекла, потому что они содержат прочные компактные связи, которые превосходно сохраняют свою первоначальную кристалличность, следовательно, демонстрируют меньшую способность выщелачивания ионов к базовой жидкости.В контейнеры загружали либо UP-H ₂ O, либо EG-LC. Металлические и полимерные купоны промывали дистиллированной водой, спиртом, UP-H ₂ O и полировали для удаления излишков поверхностного мусора. Материалы были помещены в контейнеры и заклеены резьбовой лентой из ПТФЭ и крышками из ПТФЭ. Образцам давали уравновеситься при комнатной температуре в течение двух дней перед регистрацией начальной электропроводности. Во всех испытаниях электропроводность жидкости измерялась с точностью ± 1% с помощью измерителя серии Oakton ^® CON 510 / CON 6, который калибровали перед каждым измерением.Печь предварительно нагревали до 80 ° C в окружающей атмосфере и проверяли на однородность нагрева до ± 1 ° C в различных местах, то есть от змеевиков настенного нагрева до центра печи. Контейнеры для образцов из ПТФЭ затем помещали в печь, когда достигалась установившаяся температура. Испытательную установку вынимали из печи каждые 168 часов (семь дней), охлаждали до комнатной температуры с измерением электропроводности жидкости. Время, на которое образцы охлаждались, измерялись и помещались обратно в печь, обычно составляло менее четырех часов.Электропроводность образца жидкости контролировалась в течение 5000 часов (~ 208 дней).

2.2 Замкнутый контур, экспериментальная установка с непрямым охлаждением

Схема экспериментальной установки показана на рисунке 2. В таблице 1 перечислены используемые компоненты, с которыми охлаждающая жидкость контактировала напрямую. Перед началом каждого эксперимента испытательную установку несколько раз промывали UP-H ₂ O для удаления любых загрязнений. В систему загружали 230 мл UP-H ₂ O и давали возможность уравновеситься при комнатной температуре в течение часа перед регистрацией начальной электропроводности, которая составляла 1.72 мкСм / см. Электропроводность жидкости измерялась с точностью ± 1%. После первоначальных измерений медный охлаждающий блок помещали на нагревательную плиту, работающую при 80 ° C. В процессе эксплуатации температура жидкости в резервуаре поддерживалась на уровне 34 ° C. За изменением электропроводности жидкости следили в течение 136 часов. Жидкость из системы была собрана и сохранена.

Аналогичным образом был проведен тест с замкнутым контуром с ионообменной смолой и использовались те же процедуры очистки.Начальная электрическая проводимость 230 мл UP-H ₂ O в системе составила 1,84 мкСм / см. Картридж с ионообменной смолой (диаметр = 38,1 мм, высота = 50,8 мм), содержащий 20 г смолы со смешанным слоем Dowex, был установлен в контуре жидкости. В таблице 2 показана испытательная матрица, которая использовалась как для ионного выщелачивания, так и для экспериментов с непрямым охлаждением с замкнутым контуром. Было проверено изменение электропроводности образцов жидкости при перемешивании с ионообменной смолой со смешанным слоем Dowex. Для тестирования были использованы следующие пробы жидкости:

• Вода из замкнутого контура, эксперимент с непрямым охлаждением без использования картриджа со смолой и
• NaCl с электропроводностью 11.82 мкСм / см.

0,1 г смолы Dowex добавляли к 100 г проб жидкости, которые были взяты в отдельный контейнер. Смесь перемешивали и каждый час измеряли изменение электропроводности при комнатной температуре.

2. Результаты и обсуждение

2.1 Долгосрочный эксперимент по ионному выщелачиванию

Измеренное изменение электропроводности тестовых жидкостей UP-H ₂ O и EG-LC, содержащих полимер или металл, при погружении на 5000 часов при 80 ° C показано на рисунке 3.Чтобы поместить в контекст результаты измерений, электропроводность питьевой воды обычно составляет менее 500 мкСм / см, речной воды от 50 до 1500 мкСм / см, технической воды менее 10 000 мкСм / см с морской водой обычно менее 50 000 мкСм / см [12 ].

Результаты показывают, что металлы вносят меньше ионов в жидкости, чем пластмассы, в охлаждающих жидкостях на основе UP-H ₂ O и EG-LC. Это может быть связано с тонким слоем оксида металла, который может действовать как барьер для выщелачивания ионов и катионной диффузии.Жидкости UP-H ₂ O и EG-LC, содержащие полипропилен и образцы для испытаний из полиэтилена высокой плотности, показали самые низкие изменения электропроводности. Жидкости, содержащие полипропилен и HDPE, показали самые низкие изменения электропроводности. Это может быть связано с короткими жесткими линейными цепями, которые с меньшей вероятностью вносят ионы, чем более длинные разветвленные цепи с более слабыми межмолекулярными силами. Силикон также хорошо показал себя в обеих испытательных жидкостях, поскольку полисилоксаны обычно химически инертны из-за высокой энергии связи кремний-кислородной связи, которая может предотвратить разложение материала в жидкости.Было замечено, что материалы, содержащие группы азота, такие как каучук Buna-N, полиуретан и нейлон, имели наибольшее увеличение электропроводности. Можно было бы ожидать, что ПВХ даст результаты, аналогичные результатам ПТФЭ и ПЭВП, на основе довольно схожих химических структур материалов, однако в ПВХ могут присутствовать другие примеси, такие как пластификаторы, которые могут повлиять на электрическую проводимость материала. жидкость. Кроме того, хлоридные группы в ПВХ также могут попадать в испытательную жидкость и вызывать повышение электропроводности.

На рис. 4 показаны изображения образцов до и после 5000 часов испытаний металлов и полимеров, которые использовались в эксперименте по ионному выщелачиванию. Каучук Buna-N и полиуретан показали признаки деградации и термического разложения, что позволяет предположить, что их возможное использование в качестве прокладок или клеящего материала при более высоких температурах может привести к проблемам при применении. Полиуретан полностью распался в испытательной жидкости к концу 5000-часового испытания.

2.2 Замкнутый контур, эксперимент с непрямым охлаждением

Измеренное изменение электропроводности UP-H ₂ O в течение 136 часов с ионообменной смолой в контуре и без нее показано на рисунке 5.Электропроводность UP-H ₂ O в петле без картриджа со смолой увеличилась в семь раз с 1,72 мкСм / см до 11,77 мкСм / см к концу 136 часов испытаний, то есть примерно на 1,77 мкСм / см. см в сутки. Это указывает на то, что в ходе эксперимента происходит постоянное выщелачивание ионов из компонентов, когда жидкость находится в контакте. Электропроводность UP-H ₂ O в контуре, содержащем картридж с ионообменной смолой, постоянно оставалась ниже 0.5 мкСм / см, что указывает на то, что ионообменная смола способна удалять ионы, которые выщелачиваются в поток жидкости, поддерживая низкую электрическую проводимость жидкости в течение всего эксперимента.

Тепловые характеристики гибридной охлаждающей жидкости для радиатора

4.1. Физические, химические и морфологические характеристики

Как правило, агломерация и быстрое осаждение частиц являются одними из проблем, с которыми сталкиваются взвешенные частицы в жидкости [45].Хотя улучшение теплопередачи напрямую зависит от высокой прочности и лучшей стабильности взвешенных частиц в жидкости, в настоящей работе процесс обработки ультразвуком использовался для приготовления и контроля стабильности наножидкостей. Duangthongsuk и Wongwises [31] получили более стабильные наночастицы без какой-либо агломерации за счет увеличения времени обработки ультразвуком. Они заметили, что испытательные растворы, содержащие фиксированное объемное соотношение базовой жидкости (EG: W) с различными объемными концентрациями, были очень стабильными в течение более одного месяца.Наблюдение за седиментацией всех образцов, т.е. Al ₂ O ₃ , TiO ₂ наночастица, наноцеллюлоза CNC, гибридная (Al ₂ O ₃ + TiO ₂ ) наночастица и гибрид (Al ₂ O ₃ + CNC) нанокомпозит через шесть недель показаны на.

Таблица 2

Качественная оценка стабильности моно- и гибридных наножидкостей.

Концентрация супернатанта также является важным фактором для контроля стабильности наножидкости.В настоящей работе Al ₂ O ₃ / CNC и CNC были приготовлены без использования какого-либо поверхностно-активного вещества, и мы обнаружили, что растворы оставались стабильными с минимальным осаждением даже через один месяц. Наножидкости также оказались стабильными во время теплофизических исследований и эксперимента по силовой конвекции. Подобные результаты были также получены Рао, Шрирамулу [46], который сообщил, что наножидкости могут оставаться стабильными до трех месяцев за счет увеличения времени процесса ультразвуковой обработки.Ра, Шрирамулу [46] и Махешвари и Немад [47] сообщили о тщательных исследованиях влияния процесса обработки ультразвуком на синтез наножидкостей ZrO ₂ / вода. Они получили некоторые удивительные результаты, в которых наножидкость, направляемая в процесс ультразвуковой обработки, показала лучшее увеличение теплопроводности и была пригодна для применения в системах охлаждения. Кроме того, наблюдение, продолжавшееся более одного месяца, показало, что наножидкость показала небольшое количество седиментации во всех основных жидкостях, что может быть связано с гравитационными силами.Стабильность наночастиц Fe ₃ O ₄ , диспергированных в смеси вода-этиленгликоль, сохраняющаяся до одного месяца, также была описана Сундаром Сингхом [48]. При старении агрегаты частиц могут быть связаны с высокой поверхностной активностью, как сообщили Мохамед, Сагисака [49]. В настоящей работе было замечено, что седиментация образцов произошла через шесть недель.

Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) использовался для получения изображений с высоким разрешением Al ₂ O ₃ , CNC, TiO ₂ , TiO ₂ + Al ₂ O ₃ и Al ₂ O ₃ + CNC в наножидкости с большим увеличением, результаты показаны буквами a – e, соответственно.Однако контраст и разрешение были ограничены при получении изображения Al ₂ O ₃ и ЧПУ, что может быть связано с низкой плотностью электронов и низким профилем [50,51]. a показывает ПЭМ-изображение диспергированных наночастиц TiO ₂ в жидкости смеси этиленгликоль-вода (EG-W), которое показывает, что первичные частицы TiO ₂ имеют почти однородную морфологию и взаимосвязаны друг с другом. Однако казалось, что частицы почти однородно диспергированы в базовой жидкости.Электронно-микроскопическое изображение наночастиц Al ₂ O ₃ , равномерно диспергированных в базовой жидкости, показано на рисунке b, который показывает, что частицы почти равномерно диспергированы в базовой жидкости с очень небольшой агрегацией. Микрофотография ПЭМ наночастиц ЧПУ, диспергированных в базовой жидкости, представлена ​​на c. Хорошо видно, что наночастицы ЧПУ полностью однородно диспергированы в жидкости, что является одним из основных требований настоящей заявки. d, e показаны ПЭМ-микрофотографии гибридных наножидкостей Al ₂ O ₃ / TiO ₂ и Al ₂ O ₃ / CNC соответственно.Можно заметить, что дисперсия наночастиц Al ₂ O ₃ и TiO ₂ приблизительно однородна в базовой жидкости, однако оба типа наночастиц не были полностью связаны друг с другом. Напротив, можно ясно видеть, что гибридные наножидкости Al ₂ O _3/ CNC были равномерно диспергированы в жидкости. Кроме того, наночастицы Al ₂ O ₃ и ЧПУ были полностью связаны друг с другом i.е. агломерированные частицы, которые привели к сильному повышению стабильности. Филип Шима [15] сообщил, что образование агломерированных частиц в наножидкости в основном зависит от поверхностного контакта между частицами. Между агломерированными частицами действует сильная сила Ван-дер-Ваальса, которая очень трудно разбить их на первичные наночастицы.

ПЭМ-изображения, ( a ) TiO ₂ , ( b ) Al ₂ O ₃ , ( c ) ЧПУ, ( d ) Al ₂ O ₃ / TiO ₂ и ( e ) Al ₂ O ₃ / Наножидкости для ЧПУ.

Ультрафиолетовый-видимый спектрофотометр (УФ-видимый) был использован для оценки стабильности наночастиц, диспергированных в базовых жидкостях. УФ – видимый спектр всех приготовленных наножидкостей со всеми объемными концентрациями регистрировали в диапазоне длин волн 200–800 нм, результаты показаны на а – д. Из всех УФ-видимых спектров можно наблюдать, что среди всех концентраций всех наножидкостей, т.е. TiO ₂ , Al ₂ O ₃ , CNC, Al ₂ O ₃ / TiO ₂ и Al ₂ O ₃ / наножидкости для ЧПУ, 0.При концентрации 9% наблюдается максимальный пик поглощения, что указывает на лучшую стабильность суспензии наножидкости. Также было замечено, что максимум поглощения появлялся в диапазоне длин волн 200–400 нм для всех наножидкостей со всеми объемными концентрациями. Однако в случае наножидкостей с ЧПУ со всеми объемными концентрациями этот диапазон оказался на длине волны 200–250 нм. Кроме того, для наножидкостей 0,1% Al ₂ O ₃ / CNC не наблюдалось пика поглощения, который может быть связан с нестабильностью дисперсии наножидкости.Ричардсон и Заки [52] также наблюдали и сообщали о подобном поведении наножидкостей, которое может быть связано с соседней частицей. После образования коллоидной суспензии базовая жидкость создает восходящий поток, который толкает наночастицы и предотвращает их падение из-за ускорения свободного падения. Следовательно, удар восходящего потока сильнее при высокой концентрации, чем при низкой концентрации наножидкости, которая снижает падение поглощения в коллоидной суспензии.

УФ-спектр ( a ) TiO ₂ , ( b ) Al ₂ O ₃ , ( c ) CNC, ( d ) Al ₂ O ₃ / TiO ₂ и ( e ) Al ₂ O ₃ / Наножидкости для ЧПУ с различными концентрациями.

Информация о кристаллической структуре всех образцов была собрана путем записи и анализа полученных рентгенограмм. Диаграммы XRD наночастиц TiO ₂ , Al ₂ O ₃ и наночастиц с ЧПУ показаны соответственно на a – c. Диаграмма XRD TiO ₂ отображается в a, где все характеристические пики, т. Е. При углах 2θ 25,28 °, 37,93 °, 48,37 °, 53,88 ° и 62,72 °, соответствуют (101), (103), (200 ), (105) и (213) соответственно, хорошо согласуются со стандартной рентгенограммой (ICDD No.00-001-0562) и согласуется с тем, что сообщили Аль-Тавил и Сауд [53], что изображено в. b показывает, что фаза оксида алюминия, которая была идентифицирована при значениях 2θ 19,4 °, 37,7 °, 45,8 ° и 66,8 °, которые соответствуют дифракции от плоскостей кристаллов (111), (311), (400) и (440) соответственно ; эти результаты согласуются со стандартной картиной XRD (ICDD, PDF № 01-074-2206 (Al ₂ O ₃ ) 5.3333 Оксид алюминия) согласно [54]. Диаграмма XRD, показанная в c, показывает чистую фазу наночастиц CNC (C ₆ H ₁₀ O ₅ ) _n Cellulose-1ß)), где наиболее интенсивные пики находятся при углах 2θ, равных 16.6 ° и 22,9 ° соответствуют плоскостям кристалла (1, 1, 0) и (2, 0, 0) соответственно, а другие пики хорошо согласуются со стандартной рентгенограммой (№ ICDD 00-056-1718). и в соответствии с Kumar, Negi [55], который показан в.

Рентгенограммы наночастиц ( a ) TiO ₂ и ( b ) Al ₂ O ₃ и ( c ) ЧПУ.

Сравнение рентгенограмм наночастиц TiO ₂ из ( a ) Al-Taweel and Saud et al.[53] и ( b ) текущее исследование. а воспроизводится с разрешения [Al-Taweel, S.S .; Сауд, Х.Р. Новый способ синтеза наночастиц чистого анатаза TiO ₂ с помощью ультразвукового золь-гель метода, опубликованный ( J. Chem. Pharm. Res. ) 2016].

Сравнение рентгенограмм наночастиц с ЧПУ из ( a ) Кумара, Неги [55] и ( b ) текущего исследования. а воспроизводится с разрешения [Kumar, A .; Negi, Y.S .; Чоудхари, В.; Бхардвадж, Н.К. Характеристика нанокристаллов целлюлозы, полученных кислотным гидролизом из жома сахарного тростника как агроотходов, опубликовано в Journal of Materials Physics and Chemistry, 2014].

Спектры FTIR были записаны для исследования химического состава моно- и гибридных наножидкостей, и результаты показаны на a, b, соответственно. Из обоих рисунков можно заметить, что спектры FTIR для всех моно- и гибридных наножидкостей были практически идентичны. Все спектры наножидкостей содержат широкую полосу в диапазоне частот от 3200 до 3650 см ^-1 и одну резкую полосу в области 1640 см ^-1 , которые могут быть отнесены к режиму растяжения и изгиба группы ОН ЭГ и вода соответственно.Полоса около 2950 см ^-1 волнового числа во всех спектрах может соответствовать растяжению C – H групп EG [53,56,57]. Полоса, обнаруженная при 1412 см ^-1 , может соответствовать растяжению CH ₂ EG. С другой стороны, полосу при 2115 см ^-1 можно заметить в спектрах наножидкостей CNC и Al ₂ O ₃ / CNC, которые можно отнести к связям C≡C. Из обоих a, b можно заметить, что полосы для оксида металла (Al ₂ O ₃ и TiO ₂ ) не наблюдались во всех спектрах.Кроме того, все полосы соответствовали только ЭГ с водой и химическому составу ЧПУ. Таким образом, можно сделать вывод, что во время приготовления между основными жидкостями и оксидом металла не происходило химической реакции.

FTIR-спектры (a) TiO ₂ , Al ₂ O ₃ , Al ₂ O ₃ / TiO ₂ (гибрид) наножидкостей и ( b ) CNC mono и гибридная наножидкость Al ₂ O ₃ / ЧПУ.

FESEM использовался для исследования морфологических свойств поверхности всех образцов, результаты показаны на a – d. Из изображения наночастиц TiO ₂ , полученного методом FESEM (показано на рисунке a), форма отдельных частиц является сферической с диаметром менее 50 нм. Эти наночастицы объединяются в более крупные частицы, которые выглядят так, как будто они слабо связаны или неправильно агломерированы. Кроме того, анализ EDX (вставка) указывает на присутствие атомов Ti и O в образце.b и вставка представляет изображение FESEM и соответствующий рисунок EDX наночастиц Al ₂ O ₃ соответственно. Изображение FESEM показывает, что первичные частицы имеют почти сферическую форму. Эти наночастицы, соединенные между собой, образуют крупные частицы (микрочастицы) неправильной формы. Мелкие и более крупные частицы имеют диаметр в диапазоне 50–90 нм и 1–5 мкм соответственно. Кроме того, элементный анализ этих частиц подтверждает присутствие Al и O в наночастицах (вставка).С другой стороны, CNC была в гелевой форме, что затрудняло анализ морфологических свойств с помощью FESEM. Поэтому два образца (т.е. пленка и порошок) ЧПУ были приготовлены сушкой для анализа FESEM, и полученные результаты показаны на вставке c, d. Из обоих рисунков видно, что в обоих образцах не видно отдельных наночастиц. Однако частицы, связанные друг с другом, образуют пористую морфологию, которая выглядит как сетка. Тем не менее, анализ EDX (вставка d) подтвердил присутствие атомов C и O в наночастицах CNC.

Микрофотография FESEM наночастиц ( a ) TiO ₂ и ( b ) Al ₂ O ₃ , пленки ЧПУ ( c ) и порошка ( d ) при увеличении × 100000 с соответствующими образцами EDX (вставка).

4.2. Оценка термофизических свойств

Из литературы было отмечено, что теплопроводность наножидкостей значительно увеличивается при увеличении объемной концентрации взвешенных наночастиц в базовой жидкости.Например, увеличение теплопроводности наблюдалось Fani, Kalteh [58] с увеличением объемной концентрации наночастиц. Они сообщили, что столкновение между частицами усилилось, что привело к увеличению броуновского коэффициента диффузии, что привело к увеличению теплопроводности. Теплопроводность TiO ₂ , Al ₂ O ₃ , CNC, Al ₂ O ₃ / TiO ₂ и Al ₂ O ₃ / наножидкостей CNC с различной объемной концентрацией 0.1%, 0,5% и 0,9% были измерены, и результаты показаны в a. Из рисунка видно, что теплопроводность как моножидкостей, так и гибридных наножидкостей увеличивается за счет увеличения объемной концентрации. Было обнаружено, что моножидкость (Al ₂ O ₃ ) демонстрирует более высокое улучшение теплопроводности, чем наножидкости с ЧПУ и TiO ₂ , благодаря лучшим тепловым свойствам Al ₂ O ₃ . Кроме того, было показано, что гибридная наножидкость Al ₂ O ₃ / CNC демонстрирует лучшую теплопроводность, чем любой другой гибрид, а также мононаножидкости.Однако увеличение теплопроводности всех наножидкостей (моно и гибридных) последовало за увеличением добавления наночастиц в базовую жидкость. Следовательно, объемная концентрация 0,9% Al ₂ O ₃ / CNC и Al ₂ O ₃ / TiO ₂ показывает более высокую теплопроводность, чем объемная концентрация 0,5% и 0,1%.

В настоящем исследовании гибридные наножидкости продемонстрировали лучшую теплопроводность, чем моно наножидкости, что может быть связано с высокой кинетической энергией, генерируемой высокими столкновениями частиц.Подобное явление также наблюдали Эсфе, Эсфандех [59] для наножидкостей ZnO / многостенных углеродных нанотрубок (MWCNT) / вода-EG, где теплопроводность на 28,1% выше была получена для гибридной наножидкости с объемной концентрацией 0,1%, чем для однофазных наножидкостей при 50 ° С. Хуанг Ву [24] также исследовал увеличение теплопроводности Al ₂ O ₃ и MWCNT, диспергированных в гибридной наножидкости на водной основе в шевронном пластинчатом теплообменнике, и обнаружил лучший прирост теплопроводности, чем у Al _{. 2} O ₃ наножидкость и вода.Поскольку частицы способны передавать тепло непосредственно друг другу при высокой температуре, следовательно, высокая температура увеличивает скорость теплопередачи. При высокой температуре броуновское движение частиц увеличивается из-за высокой кинетической энергии, которая затем увеличивает теплопроводность. В настоящей работе максимальная теплопроводность достигнута при 60 ° C. Например, при повышении температуры с 30 ° C до 60 ° C теплопроводность гибридной наножидкости Al ₂ O ₃ / CNC увеличилась с 0.От 57 до 0,59 Вт / м.К при объемной доле 0,9% (а). О подобной работе также сообщалось в литературе. Например, Набиль, Азми [60] наблюдали повышение теплопроводности на 22,8% для гибридной наножидкости TiO ₂ -SiO ₂ / вода и EG в объемной доле 3% при температуре 80 ° C, что значительно лучше, чем наблюдалось Хамидом, Азми [61] для SiO ₂ –TiO ₂ / вода и гибридной наножидкости EG (22,1%) при 70 ° C. Кроме того, Хамид, Азми [61] также сообщили, что теплопроводность увеличилась с 13.От 8% до 16% для TiO ₂ –SiO ₂ / вода и гибридной наножидкости EG на объемную долю 1% при повышении температуры от 70 ° C до 80 ° C. Анализатор тепловых свойств KD2 Pro использовался для оценки теплопроводности в соответствии со стандартным методом, озаглавленным «Американское общество по испытаниям и материалам» (ASTM) D7896-14 Стандартный метод испытаний теплопроводности, теплопроводности и объемной теплоемкости охлаждающих жидкостей двигателя и связанных с ними жидкостей. методом нестационарной теплопроводности жидкости с горячей проволокой ».

( a ) График зависимости теплопроводности всех наножидкостей от температуры; ( b ) вязкость по отношению к температуре; ( c ) сравнение плотности как функции температуры и объема; и ( d ) сравнение удельной теплоемкости моно- и гибридных наножидкостей с различными объемными концентрациями.

Была измерена вязкость всех наножидкостей (моно- и гибридных), полученные результаты показаны на b.Из рисунка видно, что вязкость наножидкостей выше, чем у базовой жидкости как для моножидкостей, так и для гибридных наножидкостей. По мере увеличения концентрации увеличивается и вязкость. Было обнаружено, что вязкость наножидкостей Al ₂ O ₃ при различных объемных долях выше, чем у наножидкостей CNC и TiO ₂ . Подобный эффект объемной концентрации вязкости также наблюдали Намбуру, Кулкарни [62] и Феделе, Колла [34].Однако вязкость 0,1% -ной объемной концентрации выше, чем вязкость 0,9% -ной объемной доли наножидкости Al ₂ O ₃ , что не подтверждает предыдущую литературу по вязкости. Точно так же 0,1% наножидкости CNC демонстрирует более высокую вязкость, чем 0,5% наножидкости CNC, поскольку упаковка частиц вызвала ограничение движения, где добавление CNC вызывает снижение вязкости в соответствии с тенденцией, наблюдаемой для Al ₂ O ₃ [ 63]. С другой стороны, когда добавляется больше частиц, гибридные наножидкости, такие как Al ₂ O ₃ / CNC и Al ₂ O ₃ / TiO ₂ , демонстрируют более высокую вязкость, чем моножидкости (Al ₂ O _3, CNC и TiO ₂ ) со всеми объемными концентрациями.Однако наножидкость Al ₂ O ₃ / CNC преобладает над вязкостью Al ₂ O ₃ / TiO ₂ для всех объемных концентраций. Из рисунка также видно, что вязкость уменьшается с повышением температуры. Например, вязкость обоих гибридных (Al ₂ O ₃ / CNC и Al ₂ O ₃ / TiO ₂ ) наножидкостей при всех объемных концентрациях постепенно снижалась с повышением температуры и обнаруживалась минимальной при температура 70 ° C, тогда как моножидкости (Al ₂ O ₃ , CNC и TiO ₂ ) при всех объемных концентрациях, кроме 0.1% и 0,5% TiO _2, показали самую низкую вязкость при температуре 50 ° C, которая показывала тенденцию к увеличению при 70 ° C. Влияние температуры на вязкость наножидкостей было разъяснено Ли, Цзоу [14] на основе молекулярной точки зрения, и он сообщил, что межмолекулярное расстояние увеличивается с повышением температуры, что приводит к ухудшению картины вязкости. Ротационный вискозиметр использовали для измерения вязкости по стандартному методу под названием «ASTM D2196-10, который известен как стандартный метод испытания реологических свойств неньютоновских материалов с помощью ротационного вискозиметра (типа Брукфилда)».

Плотность наножидкости также играет важную роль в теплофизических свойствах наножидкостей и зависит от температуры [64]. Плотность моно и гибрида (TiO _2, Al ₂ O _3, CNC, Al ₂ O ₃ / TiO ₂ и Al ₂ O ₃ / CNC) наножидкости измеряли путем изменения температуры, а также объемной концентрации, и полученные результаты показаны в c. Из рисунка можно заметить, что плотность всех наножидкостей (моно и гибридных) увеличивалась при добавлении наночастиц в базовую жидкость и далее постепенно увеличивалась при увеличении нагрузки наночастиц.Однако только 0,5% -ная объемная доля наножидкости Al ₂ O ₃ показывала более высокую плотность, чем 0,9% наножидкость Al ₂ O ₃ ; это могло произойти из-за его размера и непредсказуемого поведения [65]. Хотя максимальная плотность всех моно- и гибридных наножидкостей наблюдалась при температуре 30 ° C, она постепенно снижалась до достижения температуры 70 ° C. Однако 0,1% наножидкости для ЧПУ имеет немного более высокую плотность при температуре 70 ° C, чем при 50 ° C.Обе гибридные наножидкости (т.е. Al ₂ O ₃ / TiO ₂ и Al ₂ O ₃ / CNC) показали наивысшее значение плотности по отношению к мононанофлюидам (Al ₂ O _{3 ,} TiO _2, и ЧПУ), хотя гибридные наножидкости Al ₂ O ₃ / TiO ₂ имели более высокую плотность, чем другие моножидкости (Al ₂ O _3, TiO _2, и CNC) и гибридные (Al ₂ O ₃ / CNC) наножидкости.Цифровой плотномер использовался для измерения плотности наножидкостей и гибридных наножидкостей в соответствии с процедурой «ASTM D4052-18, который признан стандартным методом тестирования плотности, относительной плотности и плотности в градусах API жидкостей с помощью цифрового плотномера». .

Удельная теплоемкость — еще одно важное теплофизическое свойство наножидкостей для наблюдения за их характеристиками теплопередачи. Измерена удельная теплоемкость Al ₂ O _3, CNC, TiO _2, Al ₂ O ₃ / CNC и Al ₂ O ₃ / TiO ₂ наножидкостей. как функция температуры, а также объемной концентрации и полученные результаты показаны на d.Из результатов было видно, что все наножидкости (моно и гибридные) проявляли низкую и высокую удельную теплоемкость при температуре 30 ° C и 90 ° C, соответственно. Кроме того, гибридная наножидкость Al ₂ O ₃ / CNC показывает самую низкую удельную теплоемкость, чем любые другие гибридные наножидкости. С другой стороны, наножидкости с ЧПУ (все объемные концентрации) показали самую высокую удельную теплоемкость по сравнению с другими моножидкостями. В случае наножидкости для ЧПУ 0,5% наножидкости для ЧПУ показало наивысшее значение удельной теплоемкости по сравнению с остальными концентрациями для ЧПУ.Напротив, наножидкость 0,1% Al ₂ O ₃ демонстрирует наивысшую удельную теплоемкость по сравнению с другими концентрациями наножидкости Al ₂ O ₃ . Из приведенного выше обсуждения было замечено, что эти результаты не соответствовали типичному предложению об исследовании. Однако более высокое значение удельной теплоемкости наночастиц с ЧПУ было неожиданным результатом. Кроме того, наножидкость с наночастицами ЧПУ показала самую высокую удельную теплоемкость по сравнению с наножидкостью с гибридными наночастицами при температуре 30 ° C.В целом, из d было замечено, что удельная теплоемкость прямо и обратно пропорциональна температуре и объемной концентрации. Подобные результаты наблюдали также Чжоу и Ни [28]. По сути, объемная концентрация оказывает большее влияние на измерение удельной теплоемкости, чем температура [66]. Более того, удельная теплоемкость была более эффективной при передаче тепла, чем теплопроводность [67]. Следовательно, для эффективного теплообмена требовалась наножидкость с повышенной удельной теплоемкостью.Оборудование для дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) использовалось для измерения удельной теплоемкости наножидкостей и гибридных наножидкостей в соответствии со стандартным методом испытаний ASTM E1269-11 (2018) для определения удельной теплоемкости с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии.

На основании результатов, обсужденных выше, статистический метод был использован для оптимизации наножидкости, которая будет использоваться в качестве теплоносителя в автомобильной системе охлаждения. В соответствии с процедурой измерения, температура на входе поддерживалась постоянной на уровне 70 ° C, и полученные значения теплофизических измерений с различной объемной концентрацией при 70 ° C сведены в таблицу.

Таблица 3

Теплофизическое измерение переменной объемной концентрации при 70 ° C.

Объемная концентрация (%)	Теплопроводность (Вт / м · К)	Вязкость (мПа.с)	Плотность (кг / м 3 )	Удельная теплоемкость (Дж / кг ° C)
0,1%	0,54	1,34	1049,34	3758,29
0,5%	0,55	2.06	1061,64	3636,26
0,9%	0,56	2,90	1084,14	3522,95

Полученные значения теплофизических измерений были использованы для определения оптимизатора отклика в программном обеспечении Minitab 17 и Оптимизированная объемная концентрация, полученная с помощью статистического аналитического инструмента, составила 0,4893%, которую можно округлить до 0,5%. Значение индивидуальной желательности (d) определяет оптимальную настройку единственного ответа.Обратный параболический график доказывает, что результаты теплофизических свойств находятся в пределах полученной оптимизированной объемной концентрации. Другими словами, значение, полученное в результате анализа, составило 0,6112, что хорошо согласуется с 0,5% концентрацией анализа. Из литературы было замечено, что увеличение удельной теплоемкости было важным с точки зрения увеличения теплопроводности для применения в автомобильном охлаждении, о чем сообщили Томар и Трипати [68].Поэтому наножидкости CNC и CNC + Al ₂ O ₃ с объемной концентрацией 0,5% были тщательно выбраны в качестве теплоносителей для сравнения с конвекционной смесью этиленгликоль-вода (EG-W).

После завершения оптимальной концентрации наножидкостей были выполнены измерения теплопередачи и характеристик потока обычной смеси EG-W, ЧПУ и гибридной наножидкости (Al ₂ O ₃ / CNC) с использованием изготовленных радиатор испытательный стенд.Конвекционная теплопередача, экспериментальный коэффициент теплопередачи и профиль распределения температуры были измерены в радиаторе для анализа теплопередачи, и очень важно сравнить эти характеристики с теплоносителями. Кроме того, число Рейнольдса, число Нуссельта и коэффициент трения были оценены с использованием формул для анализа поведения потока, что было важно для определения характеристик ЧПУ, Al ₂ O ₃ / CNC и EG-W .Применимость теплопередачи наножидкостей можно сделать, сравнив их характеристики теплопередачи и их поведение потока, как показано в следующих разделах.

(a) Экспериментальный коэффициент теплопередачи : распределение температуры, полученное в результате экспериментов, и измеренная теплопроводность использовались для определения коэффициента теплопередачи с использованием следующего уравнения (8):

h (exp) = m˙ CpAs (Tin − Tout) (Tb − Ts)

(8)

В этой формуле h обозначает коэффициент теплопередачи, C _p — удельную теплоемкость, A _s обозначает открытая площадь поверхности, T _дюйм — температура на входе, T _out — температура на выходе, T _с — температура стенки (сплошной) и T _b — температура жидкости в объеме (жидкость).

Полученный средний экспериментальный коэффициент теплопередачи как функция расхода в (единицы LPM) показан на a. Из рисунка видно, что экспериментальный коэффициент теплопередачи для Al ₂ O ₃ / CNC, CNC и EG-W оказался равным 94,93, 60,28 и 45,84 Вт / м ² ° C при 3,5 л / мин. расход и эти значения уменьшаются до 90,22, 57,98 и 42,5 Вт / м ² ° C при расходе 4,5 л / мин соответственно. Значения экспериментального коэффициента теплопередачи для Al ₂ O ₃ / CNC, CNC и EG – W снижаются до 87.23, 54,23 и 40,02 Вт / м ² ° C при 5,5 л / мин соответственно. Из полученных результатов можно сделать вывод, что экспериментальный коэффициент теплоотдачи напрямую зависит от связи с расходом. Аналогичные результаты наблюдались также Али, Али [69]. Намбуру, Дас [70] также исследовали характеристики теплопередачи на испытательном стенде радиатора для смеси EG-W с диспергированным оксидом меди (CuO) и сообщили, что коэффициент теплопередачи увеличился в 1,35 раза по сравнению с базовой жидкостью при 20 000 Число Рейнольдса.Кроме того, вентилятор произвел резкое увеличение значения коэффициента теплопередачи по сравнению с вентилятором без вентилятора. Аномальное поведение в значении высокого коэффициента передачи наножидкости Al ₂ O ₃ / CNC может лучше коррелировать с высокой удельной теплоемкостью и теплопроводностью Al ₂ O ₃ / CNC скорее. чем ЧПУ и EG-W. Как правило, скорость теплопередачи влияет на применение отвода тепла. Следовательно, наблюдаемое высокое значение относительного коэффициента теплопередачи указывает на то, что лучший отвод тепла может быть получен в Al ₂ O ₃ / CNC, а не в CNC и EG-W при низкой объемной скорости потока.Кроме того, значение коэффициента теплопередачи при воздействии вентилятора имеет более высокое значение, чем в условиях без вентилятора. Действительно, скорость воздуха, используемая во время измерения, увеличивает скорость отвода тепла в испытательном стенде радиатора.

( a ) Экспериментальный коэффициент теплопередачи и ( b ) Конвективная теплопередача как функция скорости потока.

(б) Конвекционная теплопередача : полученные значения конвективной теплопередачи для 0.5% Al ₂ O ₃ / CNC, 0,5% CNC и EG-W как функция расхода показана на b. На рисунке максимальная конвекционная теплопередача составила 880,42, 763,29 и 566,32 Вт для Al ₂ O ₃ / CNC, CNC и EG – W при 5,5 л / мин, соответственно. Другими словами, увеличение конвективной теплопередачи на 55,46% наблюдалось для Al ₂ O ₃ / CNC, а не для EG-W и 15,35%, чем для CNC при расходе 5,5 л / мин. Кроме того, конвективная теплопередача 858.85 Вт для Al ₂ O ₃ / CNC, 729,94 Вт для ЧПУ и 545,78 Вт для EG-W были измерены при скорости потока 4,5 л / мин. Минимальные значения конвективной теплопередачи, т.е. 835,38, 704,32 и 525,02 Вт для Al ₂ O ₃ / CNC, CNC и EG-W, были измерены при расходе 3,5 л / мин. На основании обсужденных результатов можно сделать вывод, что Al ₂ O ₃ / CNC демонстрирует более высокую конвективную теплопередачу, то есть на 15% больше, чем CNC, и на 50% больше, чем EG-W, при всех трех скоростях потока. .Высокая теплопроводность и удельная теплоемкость Al ₂ O ₃ / CNC считались основными причинами высокой конвективной теплопередачи в Al ₂ O ₃ / CNC.

(c) Число Рейнольдса: Число Рейнольдса является важным фактором, и его необходимо рассчитать для определения типа режима потока в испытательном стенде радиатора. Число Рейнольдса было рассчитано с использованием уравнения (9), и рассчитанное число Рейнольдса как функция нанесенного на график скорости потока показано на a.Результаты показали, что максимальное / минимальное число Рейнольдса было рассчитано для Al ₂ O ₃ / CNC, CNC и EG-W, которые составляют 3852,32 / 2433,42, 6234,54 / 4329,43 и 8741,12 / 5483,83 при 5,5 / 3,5 л / мин соответственно. Из результатов видно, что число Рейнольдса для всех вышеупомянутых наножидкостей пропорционально скорости потока, то есть число Рейнольдса увеличивалось при увеличении скорости потока. Таким образом, можно сделать вывод, что режим потока, достигаемый Al ₂ O ₃ / CNC, CNC и EG-W, можно рассматривать как турбулентный и остается аналогичным внутри радиатора при различной скорости потока от 3.5 и 5,5 л / мин. Практически идентичный тренд числа Рейнольдса наблюдался Али, Али [69] для наножидкости ZnO. Кроме того, Херис, Исфахани [9] также исследовали свойства наножидкости Al ₂ O ₃ и получили более низкое значение числа Рейнольдса, чем для базовой жидкости. По сути, низкое число Рейнольдса с большей вероятностью коррелирует с воздействием силы высокой вязкости, чем с силой инерции в наножидкости [71]. Следовательно, низкое значение числа Рейнольдса ЧПУ может быть связано с высоким значением динамической вязкости, а не с EG – W.Кроме того, высокая плотность результатов ЧПУ из-за сильного инерционного воздействия на наножидкость играет важную роль в определении числа Рейнольдса. В связи с этим число Рейнольдса увеличивается с увеличением расхода, что можно объяснить пропорциональной зависимостью числа Рейнольдса от скорости:

где v — скорость потока, ρ — плотность, µ — динамическая вязкость и D — гидравлический диаметр. Эти переменные были измерены с помощью приборов, приведенных в описании установки (раздел 3.1) и оценка теплофизических свойств (раздел 4.2).

( a ) число Рейнольдса в зависимости от расхода и ( b ) число Нуссельта в зависимости от расхода.

(d) Число Нуссельта : число Нуссельта также является одним из важных параметров поведения потока наножидкостей. По сути, это отношение конвективной теплопередачи к теплопроводной через границу. В настоящей работе число Нуссельта было рассчитано для всех вышеупомянутых наножидкостей с использованием уравнения (10), и результаты показаны на b в виде зависимости числа Нуссельта отграфик расхода. В настоящей работе максимальные полученные числа Нуссельта для Al ₂ O ₃ / CNC, CNC и EG-W составили 24,57, 18,34 и 13,64 при 5,5 л / мин, тогда как минимальные значения были 21,86, 15,66 и 10,98 при 3,5 л / мин соответственно. Как видно из графика, число Нуссельта пропорционально расходу. Сильное влияние конвективной теплопередачи на кондуктивную теплопередачу и высокое экспериментальное значение коэффициента теплопередачи можно рассматривать как причину более высокого значения числа Нуссельта, наблюдаемого для ЧПУ, чем для EG-W [26].Следовательно, можно сделать вывод, что значение коэффициента теплоотдачи было прямо пропорционально числу Нуссельта:

где h — коэффициент теплопередачи, D — гидравлический диаметр и k — измеренная теплопроводность различных наножидкостей.

(e) Тепловой анализ наножидкостей : тепловой анализ всех наножидкостей проводился путем захвата изображений теплового распределения жидкости внутри радиатора с использованием модели FLIR тепловой инфракрасной камеры.Внутренняя температура испытательного стенда радиатора находилась в диапазоне 30–70 ° C при съемке изображения. Тепловизионные изображения EG – W, ​​Al ₂ O ₃ / CNC и CNC с объемной концентрацией 0,5%, циркулирующей в радиаторе, показаны в a – e, a – e и a – e, соответственно. Желтоватый или зеленый цвет на изображениях радиатора показывает поглощение тепла во время измерения на испытательном стенде. В связи с этим из рисунка можно увидеть, что наножидкость покрывает максимальную площадь, имеющую низкую температуру (зеленый цвет), однако наибольшее рассеивание тепла происходит в середине радиатора.Среди всех приготовленных наножидкостей было обнаружено, что наножидкость Al ₂ O ₃ / CNC поглощала наибольшее количество тепла.

Тепловизионное изображение основных жидкостей (смесь этиленгликоля и воды (EG – W)) в радиаторе ( a — e ).

Тепловизионное изображение Al ₂ O ₃ / CNC с объемной концентрацией 0,5% в радиаторе ( a — e ).

Тепловизионное изображение ЧПУ с объемной концентрацией 0,5% в радиаторе ( a — e ).

(d) Температура на ребре радиатора: согласно приведенному выше обсуждению, 0,5% объемная концентрация Al ₂ O ₃ / CNC оказался лучше, чем CNC и EG – W с точки зрения тепловых тепловых свойств поэтому он был выбран для дальнейшего анализа. Для измерения были выбраны пять точек на ребре радиатора для анализа температуры при трех различных расходах. Эта температура была выбрана для получения средней температуры на ребрах. Значения температуры на 3.Расходы 5, 4,5 и 5,5 л / мин показаны в a – c соответственно. Было замечено, что точка 5 имеет меньшую температуру по сравнению с точкой 1. Это произошло из-за процесса теплопередачи, происходящего в ребрах, где температура снижена.

Температурный профиль на ребре радиатора при различных расходах, ( a ) 3,5 л / мин, ( b ) 4,5 л / мин и ( c ) 5,5 л / мин.

Благородная компания

Благородная Компания Благородная Компания

• Около
• Новости
• Архитекторы
• Подрядчики
• Магазин товаров для дома
• Контакт

• Продукты
• Видео, детали и схемы
• Идеи и приложения
• Где купить

• Укладка плитки
  • Гидроизоляционные мембраны
  • Сливы
  • Ниши / скамейки
  • Наклонные склоны и душевые поддоны
  • Монтажные изделия
  • Клеи и герметики
  • Полотенца для ванны
• Сантехника
  • Гидроизоляционные мембраны
  • Сливы
  • Ниши / скамейки
  • Наклонные склоны и душевые поддоны
  • Монтажные изделия
  • Клеи и герметики
  • Полотенца для ванны
• Отопление и охлаждение
  • Антифриз / теплоноситель NOBURST®
  • Обслуживание системы
• Пожарный спринклер
  • Антифриз FireFighter®
  • Испытательное оборудование

• Магазин товаров для дома
• Где купить
• Контакт

Каталоги

• Листовой каталог мембранных и душевых продуктов (pdf / 2.1 МБ)
• Руководство по продукту NOBURST® (pdf / 2,4 МБ)
• FireFighter® Руководство по продукту (pdf / 1.2MB)

• Продукты
• Технические ресурсы
• Галерея проектов
• Около
• Новости
• Выставки
• Обязательства по охране окружающей среды

Вопросы?

• (231) 799-8000
• (800) 878-5788
• [адрес электронной почты]

Зарегистрироваться

• Facebook
• Твиттер
• YouTube

• © Copyright 2013 Noble Company ®
• Заявление о конфиденциальности
• Условия использования

• Дом
• Продукты
• Видео, детали и схемы
• Идеи и приложения
• Где купить
• Около
• Новости
• Архитекторы
• Подрядчики
• Магазин товаров для дома
• Контакт

.

No related posts.