Wärmeleitmechanismen in Fluiden mit Nanopartikeln
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Nanofluide sind Suspensionen, welche aus einer wässrigen bzw. organischen Trägerflüssigkeit und aus Nanopartikeln mit Durchmessern von 5 bis 100 nm bestehen. Der Anteil an Nanopartikeln variiert dabei zwischen ca. 0,5 und 5 Volumenprozent. In einer Vielzahl von Veröffentlichungen wurde von insgesamt 19 Forschergruppen weltweit über eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von Nanofluiden im Vergleich zur Trägerflüssigkeit berichtet, die zum Teil weit über die mit theoretischen Modellen vorhergesagte Verbesserung hinausreicht. Die in der Literatur dokumentierten Verbesserungen streuen sehr stark, sie liegen z. B. für eine organische Trägerflüssigkeit, die mit 3 Vol-% A12O3-Partikeln versetzt ist, zwischen 5% und 63 %. Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, diese Literaturdaten mit unterschiedlichen Messverfahren zur Wärmeleitfähigkeit von Fluiden zu prüfen bzw. zu bestätigen und zu interpretieren. Weiterhin sollte durch die experimentelle Bestimmung von Wärmeübergangskoeffizienten an Nanofluiden untersucht werden, ob sich die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit auch in einem verbesserten konvektiven Wärmeübergang niederschlägt. Hierzu wurden zusätzlich Untersuchungen zur Viskosität von Nanofluiden durchgeführt. Ein stabiles Nanofluid mit deutlich verbesserten Wärmeübertragungseigenschaften bei nur geringfügig erhöhter Viskosität wäre ein idealer innovativer Wärmeträger mit Anwendungspotenzial in einer Vielzahl von Anlagen der Energie- und Verfahrenstechnik. Die durchgeführten Untersuchungen zur Wärmeleitfähigkeit an sorgfältig präparierten Nanofluiden zeigen eine geringe bis moderate Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit gegenüber dem Trägerfluid, welche zumindest bei Raumtemperatur gut mit der bekannten Theorie zu den Transportmechanismen in heterogenen dispersen Stoffen vorhergesagt werden kann. Die stark erhöhten Werte, wie sie in einzelnen Literaturbeiträgen berichtet wurden, konnten nicht reproduziert werden. Die eigenen Messungen wurden überwiegend mit einer statischen Parallelplattenapparatur durchgeführt, welche im Rahmen dieses Projektes aufgebaut wurde. Die Messungen mit dem instationärem Heizdraht ergaben einen merklichen Einfluss des elektrischen Feldes des Drahtes auf die Bewegung der Nanopartikel in unmittelbarer Umgebung des Drahtes und somit auch auf die indirekt gemessene Wärmeleitfähigkeit des Fluids, was zu einer erheblichen Streuung der Messergebnisse führte. Da die in der Literatur veröffentlichten Daten überwiegend mit der instationaren Heizdrahtmethode gemessen wurden wird hier auch die Ursache der großen Streuung der bekannten veröffentlichten Daten gesehen. Die zusätzlich herangezogene Temperaturschwingungs-Messmethode, bei welcher der Phasenverzug und die Amplitudendämpfung einer in das Fluid eingekoppelten Temperaturschwingung bestimmt und hieraus die effektive Wärmeleitfähigkeit des Fluids berechnet wird, war für den geringen Effekt bei den Nanofluiden zu ungenau und wurde nach Inbetriebnahme der Parallelplattenapparatur nicht weiter verfolgt. Die Mehrzahl der veröffentlichten Daten kommt von Forschergruppen, die sich vorher nicht mit der Messung von Transporteigenschaften von Flüssigkeiten beschäftigt haben. Oft fehlen Angaben zur Charakterisierung des Fluids und/ oder Angaben zur Messmethode. Somit ist die Einordnung und Nachrechnung dieser Daten nur eingeschränkt möglich. Zur Untersuchung des Verbesserungspotenzials bei der konvektiven Wärmeübertragung mit Nanofluiden wurden zwei unterschiedliche Versuchskreisläufe aufgebaut. Ein Kreislauf mit einem Testrohr (Innendurchmesser di,l = 8 mm) wurde mit kondensierendem Dampf beheizt, um eine konstante Rohrwandtemperatur einerseits und das Ausklammern elektrischer Felder andererseits zu gewährleisten. Der zweite Kreislauf wurde mit einem Kapillarrohr und einer Hochdruckpumpe ausgestattet. Da sich die Besonderheiten der Nanofluide wahrscheinlich im Bereich der thermischen Grenzschicht und somit besonders bei kleinen Kanaldurchmessern bemerkbar machen wurde ein Kapillardurchmesser di,2 = l mm gewählt. Beide Anlagen sind durch Messungen mit den reinen Trägerfluiden Wasser bzw. Ethylenglykol validiert worden. Eine Verbesserung des Wärmeübergangskoeffizienten mit Nanofluiden konnte in geringem Umfang bei laminaren Strömungen gemessen werden, bei turbulenter Rohrströmung ergab sich ein geringfügig schlechterer Wärmeübergangskoeffizient als bei den reinen Trägerfluiden. Unter Berücksichtigung der deutlich höheren Viskosität von Nanofluiden und den vermehrt aufgetretenen Schadensfällen bei den Pumpen ist kein Verbesserungspotenzial bei Verwendung von Nanofluiden als Wärmeträger zu erkennen. Zur Beschreibung der Transportmechanismen in Nanofluiden wurde ein physikalisch motiviertes Modell für elektrisch geladene Colloide in Anlehnung an ein Vorschlag von I. Chen entwickelt. Mit diesem Modell lassen sich die in einigen Veröffentlichungen angegebenen hohen Wärmeleitfähigkeiten durch die Wechselwirkung zwischen den Nanopartikeln und dem stromdurchflossenen Draht in der Messapparatur erklären. Da nur in wenigen Fällen das für die Nachrechnung wichtige Zeta-Potenzial des jeweils verwendeten Nanofluids angegeben wird bleibt auch dieser Erklärungsansatz eine Vermutung. Ein Großteil der hohen Erwartungen, die vor einigen Jahren in Nanofluide als energieeffiziente Wärmeträger gesteckt wurden, haben sich im Zuge dieses Forschungsprojektes als nicht tragfahig erwiesen. Wenn die Nanopartikel ohne elektrische Ladung, also mit einem niedrigen Zeta-Potenzial im Fluid vorliegen können die Effekte gut mit dem "effektive medium approach" für heterogene, disperse Stoffe berechnet werden. Die bei den eigenen Experimenten gemessene Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit wie auch des konvektiven Wärmeübergangs ist, wenn überhaupt, moderat. Wenn die Nanopartikel mit einer elektrischen Ladung vorliegen (hohes Zeta-Potenzial), dann greift die Elektrocolloid-Theorie. Hier wird ein merklicher Anstieg der Wärmeleitfähigkeit, aber auch der Viskosität dieser Colloide vorhergesagt. Derartige Nanofluide können bisher nur durch Direktverdampfung mittels Eiektronensputtering in stabiler Formation hergestellt werden, wobei wegen des notwendigen Vakuums nur schwersiedende organische Stoffe wie Ethlyenglykol als Trägerfluid in Frage kommen und derzeit nur kleine Mengen hergestellt werden können. Sie sind somit einer technischen Nutzung nicht zugänglich. Die Zahl der Veröffentlichungen zum Thema Nanofluide ist im Jahr 2007 nochmals auf 63 angestiegen. So wird z. B. von Chopkar et al. im Philosophical Magazine 87 (2007) von einer Steigerung der Wärmeleitfähigkeit von 100 % bei einem 1,5 vol.-% ZrO2-Wasser Nanofluid berichtet. Auch in diesem Fall wird mit der instationaren Heizdrahtmethode (Eigenbau) gearbeitet. Anwendungen von Nanofluiden über den derzeitigen Stand (Farbsuspetisionen, Tinten) hinaus sind in Spezialfällen wie z. B. magnetisch schaltbaren Ferronanofluiden oder Nanotracern in der Biologie zu erwarten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Kabelac, S.: Convective Heat Transfer Performance of Nanofluids. 14th Int. Heat Pipe Conference, April 22-27, 2007. Florianopolis, Brasilien. Keynote-lecture KN-3.
- S. Kabelac, F. Kuhnke: Heat transfer mechanisms in nanofluids: experiment and theory. 13 Int. Heat Transfer Conference. Aug. 13-18 2006, Sydney, Australia, Keynote-lecture KN-11.
