МНОГОКОМПОНЕНТНАЯ ОХЛАЖДАЮЩАЯ НАНОЖИДКОСТЬ Российский патент 2024 года по МПК C09K5/10 C10M107/02 C10M125/10 B82Y30/00 

Изобретение относится к области теплообмена и может использоваться для охлаждения различных агрегатов, таких как бытовые и промышленные холодильные установки, системы кондиционирования, автомобильные системы климат-контроля, системы для создания искусственного льда. Более конкретно, настоящее изобретение относится к многокомпонентным охлаждающим жидкостям.

С развитием энергонасыщенных электронных технологий возникает необходимость создания эффективных систем охлаждения и управления большими тепловыми потоками. Холодильная техника потребляет около 20% всей вырабатываемой в мире электроэнергии. Таким образом, поиск способов повышения КПД холодильной техники является актуальной насущной задачей, результатом решения которой будет являться существенная экономия электроэнергии.

КПД напрямую зависит от эффективности теплообменных процессов в системе. В целом, существуют два основных пути повышения КПД холодильных машин. Один из которых - изменение конструкционных особенностей холодильного контура, от простого изменения формы теплообменников и аппаратов на более эффективную, до изменения самого цикла холодильной машины. Такие мероприятия часто являются довольно дорогостоящими. В настоящее время наиболее перспективным путем повышения энергоэффективности холодильной техники является использование наножидкостей в теплообменных процессах.

Наножидкостью называют двухфазную среду, состоящую из жидкости и равномерно распределенных в ней частиц твердой фазы нанометрового диапазона размеров. Характерной особенностью наножидкостей является значительное изменение теплофизических свойств базовой жидкости даже при небольшой концентрации наночастиц.

В работе Shengshan Bi из State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, 2011 г. описаны наножидкости с частицами оксида титана (II), добавленными в холодильный контур, работающий на изобутане. Показано, что наночастицы не оказывают отрицательного влияния на работу холодильной машины и показывали 9,6% уменьшение энергопотребления в сравнении с чистым изобутаном, при концентрации в 0,05% по объему. Было отмечено уменьшение потребления энергии на 5.94% для 0.1% концентрации оксида титана и 9.6% для 0.5% концентрации того же материала.

Также проводились исследования и с такими системами: во фреоне R134A первоначально растворяли минеральное масло 3GS для низкотемпературных систем, а затем добавляли наночастицы оксида алюминия Al2O3 (N. Subramani и M. J. Prakash из Department of Mechanical Engineering, TKM College of Engineering, Kollam, Kerala, INDIA, 2011 г.). Полученные результаты показали более высокую эффективность заморозки и на 25% меньшее потребление энергии в сравнении с чистым хладагентом.

Известна разработка, направленная на повышение производительности бытового холодильного оборудования с применением наножидкости на основе компрессорного (минерального) масла с добавлением в рабочий контур наночастиц, а более конкретно - частиц Al2O3 и TiO2 в объемных концентрациях 0,05% и 0,1%. Было показано, что наночастицы не оказывали вредоносного влияния на работу холодильного устройства. Также отмечено уменьшение электропотребления на 19% и 22% в случае 0,05% и 0,1% концентраций для оксида алюминия и 15% и 28% в случае 0,05% и 0,1% концентраций для оксида титана (M.E. Haque и R.A. Bakar из Faculty of Mechanical Engineering, Universiti Malaysia Pahang, 2016). Недостатками описанных наножидкостей является недостаточная стабильность для использования в холодильных установках в течение длительного времени работы оборудования, а также повышение динамической вязкости при увеличении концентрации наночастиц.

Также известна охлаждающая композиция на водной основе по патенту РФ 2604232, приоритет от 25.05.2012, ШЕВРОН Ю.Эс.Эй. ИНК. (US), ЛИВЕНС Серж С. (US), ДЕ КИМПЕ Юрген П. (US), содержащая наночастицы диоксида кремния, средний диаметр которых находиться в диапазоне от 0,1 до 1000 нм, а также содержит силикат с функциональной группой фосфоната и ингибитор коррозии металлов. Технический результат изобретения заключается в получении водного теплопередающего раствора, проявляющего улучшенную устойчивость, а также теплопроводность, который также обеспечивает защиту от образования коррозии. Недостатком указанной разработки является слишком большой разброс размерностей наночастиц, зависимость работы от качества частиц в различных партиях продукта, что негативно отражается на теплопроводных свойствах, а также способствует образованию крупных агломераций частиц, также ухудшающих теплопроводные свойства. Кроме того, указанные факторы будут отрицательно влиять и на сроки стабильности смеси: во время хранения и транспортировки ее свойства также будут ухудшаться с течением времени.

Несмотря на имеющиеся разработки в данной области существует насущная потребность в проведении дальнейшей работы по улучшению эксплуатационных свойств охлаждающих наножидкостей. Преимущества за разработками, в которых в составе наножидкостей будут использованы несколько компонентов, каждый из которых будет вносить свой вклад по улучшению различных параметров, так и за счет синергетических эффектов. При этом, на данный момент разработку таких эффективных наножидкостней затрудняет отсутствие данных, в том числе по термодинамическому поведению жидкостей в многокомпонентных смесях.

Краткое описание графических материалов изобретения.

Фиг. 1 - график зависимости теплоотдачи от типа наночастиц.

Фиг. 2 - график зависимости вязкости наножидкости с частицами оксида меди CuO от скорости сдвига.

Поставленная задача решается созданием многокомпонентной охлаждающей наножидкости, на основе компрессорного масла, содержащей наночастицы оксида металла и функциональные добавки.

Техническим результатом заявляемого изобретения является улучшение параметров теплопередачи в теплообменных и холодильных системах, расширение диапазона рабочих температур, снижение количества используемого в системе холодильного теплоносителя, увеличение срока службы охлаждающей жидкости.

В качестве базовой жидкости (основы) заявляемой многокомпонентной охлаждающей наножидкости выбрано компрессорное масло. В компрессорное масло введены наночастицы оксида металла, аэросил и функциональная добавка.

В качестве компрессорного масла могут быть использованы любые компрессорные масла, прошедшие соответствующую сертификацию (см. Таблицу 1). Также могут быть использованы синтетическое или минеральное масло или их смеси. Выбор масел не является исчерпывающим и не ограничен указанными в Таблице 1.

Таблица 1 - допустимые комбинации масел и наночастиц

Масло ПАВ НЧ ХФ (отеч.) Mobil TOTAL PLANETELF SUNISO Bitzer R12 минеральное Неонол Оксиды металлов
+
Аэросил ХФ12-16 Mobil Gargoyle Arctic Oil 155,300 Suniso 3GS, 4GS R22 минеральное, синтетическое ДОТФ, Неонол Оксиды металлов
+
Аэросил ХФ 22-24 Mobil Gargoyle Arctic Oil 155,300, Mobil LUNARIASK Suniso 3GS, 4GS Bitzer В 5.2, Bitzer В100 R23 Синтетическое ДОТФ, Неонол Оксиды металлов
+
Аэросил Mobil EAL Arctic 32,46, 68,100 PLANETELF ACD 68M Suniso SL32, 46,68,100 Bitzer BSE 32 R134a Синтетическое ДОТФ, Неонол Оксиды металлов
+
Аэросил Mobil Arctic Assembty Oil 32, Mobil EAL Arctic 32,46,68,100 PLANETELF ACD
32,46,68,100, PLANETELF PAG Suniso SL 32, 46,68,100 Bitzer BSE 32 R404a синтетическое ДОТФ, Неонол Оксиды металлов
+
Аэросил Mobil EAL Arctic 32,46, 68,100 PLANETELF ACD 32,46, 68,100 Suniso SL32, 46,68,100 Bitzer BSE 32 R406a синтетическое ДОТФ, Неонол Оксиды металлов
+
Аэросил ХФ 12-16 Mobil Gargoyle Arctic Oil 155,300 Suniso 3GS, 4GS R407c синтетическое ДОТФ, Неонол Оксиды металлов
+
Аэросил Mobil EAL Arctic 32,46, 68,100 PLANETELF ACD 32,46, 68,100 Suniso SL 32, 46,68,100 Bitzer BSE 32 R410a синтетическое ДОТФ, Неонол Оксиды металлов
+
Аэросил Mobil EAL Arctic 32,46, 68,100 PLANETELF ACD 32,46, 68,100 Suniso SL 32, 46,68,100 Bitzer BSE 32 R507 синтетическое ДОТФ, Неонол Оксиды металлов
+
Аэросил Mobil EAL Arctic 22 CC, 32, 46,68,100 PLANETELF ACD 32,46, 68,100 Suniso SL 32, 46,68,100 Bitzer BSE 32 R600a минеральное Неонол Оксиды металлов
+
Аэросил ХФ 12-16 Mobil Gargoyle Arctic Oil 155. 300 Suniso 3GS, 4GS

В одном из конкретных вариантов осуществления изобретения использовалось синтетическое масло Suniso 32l, которое наиболее предпочтительно для использования в теплообменных системах с использованием хладагента R134a.

Выбор масла также зависит от того, какой хладагент используется в системе. Так предпочтительно для фреона r600a используется минеральное масло, для хладагентов r134a, r410a - синтетическое масло.

В результате проведенных исследований была выполнена серия экспериментов по измерению коэффициента теплоотдачи в условиях вынужденной конвекции в наножидкостях. Исследовали наножидкости с применением различных агентов и концентраций. Показано, что при неизменном значении числа Рейнольдса 2% концентрация оксида меди смогла продемонстрировать более чем на 40% увеличение значения коэффициента теплоотдачи в сравнении с дистиллированной водой.

Продемонстрирована прямая зависимость коэффициентов теплоотдачи и теплопроводности от материала, из которого состоят наночастицы. Так, например, для 2% концентрации частиц оксида железа увеличение значения коэффициента теплоотдачи составило всего 5%, алмазных наночастиц уже на 15%, диоксида титана на 35%, а оксида меди на целых 40% по сравнению с чистой жидкостью без наночастиц. Результаты зависимостей теплоотдачи от типа наночастиц представлены в виде графика на Фиг. 1. Где: кривая 1 соответствует образцу «2% CuO + вода», кривая 2 - «2% TiO + вода», кривая 3 - «вода», кривая 4 - «2% алмаз + этиленгликоль», кривая 5 - «2% Fe₃O₄ + этиленгликоль», кривая 6 - «этиленгликоль».

Результаты зависимостей вязкости наножидкости с частицами оксида меди CuO от скорости сдвига представлены в виде графика на Фиг 2. Где: кривая 7 соответствует образцу в концентрации 0,25% CuO, кривая 8 - 0,5% CuO, кривая 9 - 1% CuO, кривая 10 - 2% CuO. Самой важной частью исследований оказалась оценка динамической вязкости наножидкостей, т.к. главным ограничением увеличения теплоотдачи наножидкостей является их нелинейно возрастающая вязкость с увеличением концентрации частиц в базовой жидкости, что показано на Фиг 2.

Таким образом, было показано, при использовании в качестве наночастиц оксида меди CuO в концентрации 1% со средним размером частиц 35-70 нм, достигается максимально возможный позитивный эффект теплообмена и минимально возможной вероятности химического взаимодействия с контуром и влияния на вязкость. 2% концентрация не подходит из-за возрастающей динамической вязкости, что потенциально может оказывать негативный эффект на работу компрессора и повышать расход электроэнергии, сводя на нет весь энергосберегающий эффект разработки. В качестве наночастиц могут быть использованы также следующие оксиды металлов: TiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, Fe₃O₄, WO₃.

Размерность наночастиц так же выбрана из-за двух причин: наибольшая распространенность среди изготавливаемых нанопорошков и минимальная способность к их алгомерации в более крупные соединения, которые так же будут способствовать увеличению вязкости и ухудшению работы системы.

Также в состав многокомпонентной охлаждающей наножидкости вводится коллоидный диоксид кремния SiO₂ (аэросил) со средним размером наночастиц 5-20 нм, в концентрации 0,1%. Он используется для стабилизации смеси, чтобы предотвращать седиментацию во время длительного хранения. 0,1% является оптимальной концентрацией, т.к. позволяет продлить сроки хранения до 12 месяцев и не оказывает негативного влияния на вязкость.

Введение аэросила позволяет снизить количество используемого в системе фреона практически до 75 %, что отображено на таблице ниже. Дальнейшее снижение количества фреона нежелательно ввиду большей нагрузке на компрессор системы, в виду несоответствия количества рабочего тела.

В ходе работ было выявлено, что наличие наночастиц чрезвычайно сильно увеличивает теплоотдачу в контуре, вследствие чего образуется изморозь на испарительной части контура. Для достижения корректной работы поэтапно стравливался лишний фреон и проводились повторные измерения. Данные об этом представлены в Таблице 2.

Таблица 2 - данные эксперимента Количество фреона в системе, г Наличие наночастиц в контуре Средний расход энергии, Вт Наличие изморози на контуре Температура в холодильной камере, °С 45 нет 63 Нет 45 да 62 Да +4,1 40 да 59 Да +4 35 да 57 Нет +4,2 30 да 56 Нет +4,1 25 да 56 Нет +4,2 20 да 54 Нет +4 15 да 55 Нет +4,1

Из полученных результатов видно, что добавление наночастиц в холодильный контур не только позволяет уменьшить количество фреона в системе на 25% сохранением рабочего режима, но и также сократить энергопотребление на 12-20% в сравнении с чистым фреоном при наличии в системе наночастиц оксида меди в необходимой концентрации.

Для стабилизации многокомпонентной смеси в ее состав также вводят ПАВ - неонол. Представляет собой техническую смесь полиэтиленгликолевых эфиров моноалкилфенолов следующего состава: C9H19C6H4O(C2H4O)nH, где C9H19 - алкильный радикал изононил, присоединенный к фенолу преимущественно в пара-положении к гидроксильной группе, n - усредненное число молей окиси этилена, присоединенное к одному молю алкилфенолов. Наличие данного стабилизирующего компонента вместе с аэросилом позволяет достичь увеличить нормативный срок службы охлаждающей смести по сравнению с аналогами - до 2-х лет, предотвращая седиментацию и образование крупных агломераций наночастиц. Данный ПАВ выбран в качестве основного, т.к. совместим со всеми типами компрессорного масла, в настоящий момент используемых в холодильной технике. ПАВ в большей степени отвечает за предотвращение образования крупных агломераций, в то время как аэросил препятствует седиментации смеси и выпадению в осадок.

В Таблице 3 приведен компонентный состав заявляемой охлаждающей жидкости: процентное содержание относительно единицы массы, концентрация, а также размер частиц.

Таблица 3. Состав многокомпонентной охлаждающей наножидкости № Компонент Содержание, масс. % Размер частиц, нм 1 CuO, TiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, Fe₃O₄, WO₃ 0,25-1,5 35-70 2 Аэросил (SiO₂) 0,05-1,5 5-20 3 Неонол 0,5-2,0 - 4 Компрессорное масло остальное -

Способ приготовления многокомпонентной охлаждающей наножидкости.

Необходимое количество в следующей последовательности: масло, наночастицы, ПАВ загружается в технологическую емкость, где происходит перемешивание смеси. Далее производят диспергацию смеси, для чего в емкость со смесью погружают УЗ-диспергатор и перемешивают смесь в течение 1 часа, предпочтительная мощность диспергатора - не менее 15Вт/м². Далее смесь подвергают гомогенизации, при этом в емкость погружают гомогенизатор и при мощности 5000 об/мин гомогенизируют смесь в течение 5 часов. Далее процесс диспергации повторяют при тех же параметрах.

Изобретение демонстрируется следующими примерами.

ПРИМЕРЫ

Пример 1

В таблице 4 приводится сравнение показателей образцов, их эталонные реологические свойства, расчетные математические свойства в соответствии с исследуемыми моделями и результаты, полученные в ходе экспериментальных исследований.

Таблица 4 - Расчетные данные по плотности наножидкости Компрессорное масло Susino 32l математический расчет Susino 32l экспериментальные данные Эталон кг/м³ 0,991 0,991 CuO 1% + неонол 1% 1,033 882,1 Аэросил 1 % + неонол 1% 1,045 0,9897 Аэросил 0,1% + неонол 1% + CuO 1% 1,0455 978,8 Аэросил 0,5% + неонол 1% + CuO 1% 1,072 980,5 Аэросид 1% + неонол 1% + CuO 1% 1,1046 988,1

Как можно заметить - экспериментальные показатели плотности существенно отличаются в лучшую сторону от теоретических расчетов, что в первую очередь заметно по значениям с чистым оксидом меди. Данный эффект может быть объяснен как наличием ПАВов в образце, так и поверхностными эффектами самих наночастиц. В случае комбинации аэросила и неонола с базовой жидкостью не наблюдается эффекта изменения плотности, что так же может служить свидетельством наличия эффектов, влияющих на данный параметр.

Пример 2

Таблица 5 - Данные по вязкости
В Таблице 5 приводятся показатели вязкости для различных образцов: Компрессорное масло Susino 32l математический расчет Susino 32l экспериментальные данные Эталон сСт при 40°С 32,0 32.0 Эталон сСт при 100°С 5,8 5,8 CuO 1% + неонол 1% при 40°С 33,64 30,83 CuO 1% + неонол 1% при 100°С 6,098 5,61 Аэросил 1 % + неонол 1% при 40°С 33,64 50,0832 Аэросил 1 % + неонол 1% при 100°С 6,098 9,6929 Аэросил 0,1% + неонол 1% + CuO 1% при 40°С 33,72 29,96 Аэросил 0,1% + неонол 1% + CuO 1% при 100°С 6,112 5,69 Аэросил 0,5% + неонол 1% + CuO 1% при 40°С 34,05 31,71 Аэросил 0,5% + неонол 1% + CuO 1% при 100°С 6,171 6,1 Аэросид 1% + неонол 1% + CuO 1% при 40°С 34,46 52,48 Аэросид 1% + неонол 1% + CuO 1% при 100°С 6,24 8,81

Как можно увидеть из таблицы теоретическая вязкость получается выше, чем в экспериментальном варианте, за исключением концентрации аэросила в 1%, где становится заметно, что он оказывает эффект повышающий вязкость смеси и показывает, что данная концентрация является избыточной для применения в холодильной технике. Это может быть объяснено как большим скольжением между слоями масла за счет взаимодействия наночастиц и ПАВ, так и малым размером самих частиц, которые не оказывают достаточных эффектов трения и вследствие этого не способствуют повышению вязкости в отличии от классических дисперсных растворов с более крупным радиусом частиц.

Пример 3

В Таблице 6 приведены данные по сравнению характеристик образцов по параметрам энергоэффективности.

Таблица 6 - Сравнение энергоэффективности Компрессорное масло Средняя потребляемая мощность Потребление электроэнергии Энергоэффективность Эталон 78,5 Вт 4,87 кВт*ч 0% CuO 1% + неонол 1% + 45г фреона 76,1 Вт 3,89 кВт*ч 18,2% Аэросил 1 % + неонол 1% + 45г фреона 62 Вт 11,5кВт*ч -230% Аэросил 1 % + неонол 1% + 15г фреона 46 Вт 5,44 кВт*ч -12% Аэросил 0,1% + неонол 1% + CuO 1% + 35г фреона 54 Вт 3,77 кВт*ч 22,5%

В ходе испытаний было выявлено, что комбинация наночастиц оксида меди (CuO) в концентрации 1% + неонол 1% + синтетическое компрессорное масло 100г + фреон r134a 45г показал энергоэффективность в 18,2%.

Наибольшей же энергоэффективности удалось добиться комбинацией Аэросил 0,1% + неонол 1% + CuO 1% + 35г фреона, что позволило увеличить энергоэффективность на 22,5% в сравнении с эталоном и на 23% сократить количество фреона в системе.

Пример 4

В Таблице 7 приведены данные по испытанию образца следующего состава: Аэросил 0,1% + CuO 1% + Неонол 1% + компрессорное масло Suniso 32l.

Таблица 7 - испытания образца Аэросил 0,1% + CuO 1% + Неонол 1% + Suniso 32l Наименование показателя Норма для марки Результат испытания Метод испытания ХА-30
ОКП 02
5573-0201 ХФ
12-16
ОКП
02
5373-0202 ХФ
22-24
ОКП
02
5373-0203 ХФ
22с-16
ОКП
02
5373-0204 Вязкость кинематическая сСт, (мм²/с) ГОСТ
33-2016 при 40 - 33,05 при 50 28-32 Не менее 17 24,5-28,4 Не менее 16 22,53 при 100 - 6,07 Индекс вязкости - 132 Испытание на коррозию Выдерживает Выдерживает,
Легкое потускнение 1б ГОСТ 32329-2013 Температура вспышки, определяемая в открытом тигле , не ниже 185 174 130 225 244 ГОСТ
4333-2014 Температура застывания, , не выше -38 -42 -55 -58 -39 ГОСТ 20287 Содержание воды - - - - 0,03% ГОСТ 1547 Содержание водорастворимых щелочей и кислот Отсутствуют Отсутствуют ГОСТ 6307

Таким образом, разработано решение для снижения энергопотребления современной̆ холодильной техникой путем создания хладагента - многокомпонентной охлаждающей жидкости с повышенным коэффициентом теплоотдачи. Заявляемое изобретение позволит улучшить параметры теплопередачи в охлаждаемой системе - до 40%, что в свою очередь позволит эффективно рассеивать излишки энергии в окружающее пространство, а также затрачивать меньшее количество электроэнергии - до 20% и времени на достижение необходимых температур - до 46%. Также наличие аэросила в составе многокомпонентной наножидкости позволит сократить к-во используемого фреона в охлаждаемой системе - до 60%, а присутствие ПАВ - улучшить стабильность смеси в сравнении с аналогами - до 2 лет.

Изобретение может быть использовано при изготовлении холодильных установок и в системах кондиционирования. Многокомпонентная охлаждающая жидкость содержит компрессорное масло, наночастицы оксидов металлов, неонол и аэросил. В качестве компрессорного масла используется синтетическое, или минеральное масло, или их смеси. Наночастицы оксидов металлов представляют собой наночастицы оксида меди CuO, оксида титана TiO₂, оксида алюминия Al₂O₃, оксида железа Fe₂O₃, оксида железа Fe₃O₄ или оксида вольфрама WO₃. Изобретение позволяет повысить теплопередачу в теплообменных и холодильных системах, расширить диапазон рабочих температур, снизить количество используемого теплоносителя и увеличить срок службы охлаждающей жидкости. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 7 табл., 4 пр.

1. Многокомпонентная охлаждающая жидкость, содержащая в качестве основы компрессорное масло, наночастицы оксидов металлов и функциональную добавку, отличающаяся тем, что состав содержит аэросил (SiO₂), в качестве компрессорного масла состав содержит синтетическое, или минеральное масло, или их смеси, в качестве наночастиц оксидов металлов содержит наночастицы оксида меди CuO, или оксида титана TiO₂, или оксида алюминия Al₂O₃, или оксида железа Fe₂O₃, или оксида железа Fe₃O₄, или оксида вольфрама WO₃, в качестве функциональной добавки состав содержит неонол, в следующих количествах: наночастицы оксидов металлов - 0,25-1,5 мас. %, аэросил - 0,05-1,5 мас. %, неонол - 0,5-2,0 мас. %, компрессорное масло - остальное.

2. Многокомпонентная охлаждающая жидкость по п. 1, отличающаяся тем, что содержит компоненты при следующих соотношениях и параметрах размеров частиц: наночастицы оксидов металлов размером 35 - 70 нм в количестве 0,25-1,5 мас. %, аэросил с размером частиц 5-20 нм - 0,05-1,5 мас. %, неонол - 0,5-2,0 мас.%, компрессорное масло - остальное.

3. Многокомпонентная охлаждающая жидкость по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что содержание наночастиц оксида меди составляет 1 мас. %, аэросила - 0,1 мас. %, неонола - 1 мас. %.