ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ НАНОЧАСТИЦ МУЛЬТИГРАФЕНА В ТЕПЛОНОСИТЕЛЕ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ СУДОВЫХ И ТРАНСПОРТНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НА ЕГО ВЯЗКОСТЬ
Аннотация
Для интенсификации теплоотдачи в системах охлаждения форсированных судовых и транспортных двигателей внутреннего сгорания в последнее время рассматривается возможность использования теплоносителей, модифицированных высокотеплопроводными твердыми наночастицами. Модифицируя частицами базовые теплоносители, такие как вода, водные растворы этиленгликоля, получают стабильные двухфазные суспензии, имеющие более высокий коэффициент теплопроводности по сравнению с базовыми жидкостями. Рассмотрены известные теоретические модели, описывающие вязкость суспензий«жидкость - твердые частицы», и показано, что добавление высокотеплопроводных твердых наночастиц в базовый теплоноситель приводит к увеличению его коэффициента динамической вязкости. С использованием высокочувствительного реометра, в измерительной ячейке которого реализована конструкция с коаксиально расположенными цилиндрами с двойным зазором, проведены экспериментальные исследования влияния концентрации частиц мультиграфена на коэффициент динамической вязкости суспензий при их различных температурах, в результате чего выявлены соответствующие закономерности. На основе полученных экспериментальных данных и известной модели вязкости выведено уравнение по расчету коэффициента динамической вязкости исследованных образцов теплоносителей при разных их температурах в зависимости от массовой концентрации наночастиц мультиграфена. Модификация базовых теплоносителей со свойствами ньютоновской жидкости мультиграфеном может приводить к изменению реологического поведения получаемой суспензии. Проведены реологические исследования модифицированных мультиграфеном суспензий и получены реологические кривые, выражающие зависимость от скорости сдвига напряжения сдвига и коэффициента динамической вязкости. В результате установлено, что представленные образцы суспензий являются ньютоновскими жидкостями, поэтому для описания закономерностей процессов теплообмена с представленными жидкостями и особенностей движения таких суспензий в полостях системы охлаждения двигателя применимы соответствующие уравнения гидродинамики и уравнения, характеризующие теплообмен на границе «стенка - охлаждающая жидкость». Вследствие значительного увеличения коэффициента динамической вязкости суспензий, модифицированных мультиграфеном, поставлена задача выявить возможность снижения вязкости таких теплоносителей при сохранении эффекта повышенного коэффициента теплопроводности.
Ключевые слова
интенсификация теплоотдачи, система охлаждения двигателя, теплоноситель, наночастицы мультиграфена, коэффициент динамической вязкости, реологические исследования
Читать полный текст статьи: PDF
Список литературы
Безюков О. К. Охлаждающие жидкости транспортных ДВС / О. К. Безюков, В. А. Жуков. - СПб.: Изд-во СПГУВК, 2009. - 263 с.
Безюков О. К. Охлаждение транспортных двигателей внутреннего сгорания: монография / О. К. Безюков. - СПб.: Изд-во ГУМРФ им. адмирала С. О. Макарова, 2015. - 272 с.
Жаров А. В. Теплоноситель с наночастицами мультиграфена для интенсификации процессов теплообмена в системах охлаждения двигателей внутреннего сгорания / А. В. Жаров, Р. В. Горшков, Н. Г. Савинский // Труды НАМИ. - 2018. - № 4 (275). - С. 48-56.
Einstein A. A new determination of molecular dimensions / A. Einstein // Annals of Physics. - 1906. - Vol. 9. - Pp. 289-306.
Brinkman H. C. The Viscosity of concentrated suspensions and solution / H. C. Brinkman // Journal of Chemical Physics. - 1952. - Vol. 20. - Is. 4. - Pp. 571. DOI: 10.1063/1.1700493.
Batchelor G.K. The effect of Brownian motion on the bulk stress in a suspension of spherical particles / G.K. Batchelor // Journal of Fluid Mechanics. - 1977. - Vol. 83. - Is. 1. - Pp. 97-117. DOI: 10.1017/S0022112077001062.
Shahil K. M. F. Thermal properties of graphene and multilayer graphene: Applications in thermal interface materials / K. M. F. Shahil, A. A. Balandin // Solid State Communications. - 2012. - Vol. 152. - Is. 15. - Pp. 1331-1340. DOI: 10.1016/j.ssc.2012.04.034.
Graham A. L. On the viscosity of suspensions of solid spheres / A. L. Graham // Applied Scientific Research. - 1981. - Vol. 37. - Is. 3-4. - Pp. 275-286. DOI: 10.1007/BF00951252.
Chen H. Rheological behavior of ethylene glycol based titania nanofluids / H. Chen, Y. Ding, Y. He, C. Tan // Chemical Physics Letters. - 2007. - Vol. 444. - Is. 4-6. - Pp. 333-337. DOI: 10.1016/j.cplett.2007.07.046.
Masoumi N. A new model for calculating the effective viscosity of nanofluids / N. Masoumi, N. Sohrabi, A. Behzadmehr // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2009. - Vol. 42. - Num. 5. - Pp. 055501. DOI: 10.1088/0022-3727/42/5/055501.
Yang L. Viscosity prediction models of ammonia water nanofluids based on various dispersion types / L. Yang, K. Du, Y. H. Ding, B. Cheng, Y. J. Li // Powder Technology. - 2012. - Vol. 215. - Pp. 210-218. DOI: 10.1016/j.powtec.2011.09.050.
Рудяк В. Я. Об эффективной вязкости наносуспензий / В. Я. Рудяк, А. А. Белкин, В. В. Егоров // Журнал технической физики. - 2009. - Т. 79. - № 8. - С. 18-25.
Wang X. Thermal conductivity of nanoparticle-fluid mixture / X. Wang, X. Xu, S.U.S. Choi // Journal of Thermophysics and Heat Transfer. - 1999. - Vol. 13. - No. 4. - Pp. 474-480. DOI: 10.2514/2.6486.
Дымент О. Н. Гликоли и другие производные окисей этилена и пропилена / О. Н. Дымент, К. С. Казанский, А. М. Мирошников. - М.: Химия, 1976. - 373 c.
Sundar L. S. Empirical and theoretical correlations on viscosity of nanofluids: A review / L. S. Sundar, K.V. Sharma, M. T. Naik, M. K. Singh // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2013. - Vol. 25. - Pp. 670-686. DOI: 10.1016/j.rser.2013.04.003.
Kole M. Investigation of thermal conductivity, viscosity, and electrical conductivity of graphene based nanofluids / M. Kole, T. K. Dey // Journal of Applied Physics. - 2013. - Vol. 113. - Is. 8. - Pp. 084307. DOI: 10.1063/1.4793581.
Ijam A. Stability, thermo-physical properties, and electrical conductivity of graphene oxide-deionized water/ethylene glycol based nanofluid / A. Ijam, R. Saidur, P. Ganesan, A. M. Golsheikh // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2015. - Vol. 87. - Pp. 92-103. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.02.060.
Hadadian M. Electrical conductivity, thermal conductivity, and rheological properties of graphene oxide-based nanofluids / M. Hadadian, E. K. Goharshadi, A. Youssefi // Journal of nanoparticle Research. - 2014. - Vol. 16. - №. 12. - Pp. 2788. DOI: 10.1007/s11051-014-2788-1.
Amiri A. Backward-facing step heat transfer of the turbulent regime for functionalized graphene nanoplatelets based water-ethylene glycol nanofluids / A. Amiri, H. K. Arzani, S.N. Kazi, B.T. Chew, A. Badarudin // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2016. - Vol. 97. - Pp. 538-546. DOI: 10.1016/j.ijheatmas-stransfer.2016.02.042.
Mehrali M. Investigation of thermal conductivity and rheological properties of nanofluids containing graphene nanoplatelets / M. Mehrali, E. Sadeghinezhad, S. T. Latibari, S. N. Kazi, M. Mehrali, M. N. B. M. Zubir, H. S. C. Metselaar // Nanoscale Research Letters. - 2014. - Vol. 9. - Is. 1. - Pp. 15. DOI: 10.1186/1556-276X-9-15.
Об авторах
Горшков Роман Владимирович - аспирант
Ярославский государственный технический университетЖаров Александр Викторович - кандидат технических наук, профессор
Ярославский государственный технический университетСкосарь Владимир Васильевич - аспирант
Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова
