WO2024014993A1 - Многокомпонентная охлаждающая наножидкость - Google Patents
Многокомпонентная охлаждающая наножидкость Download PDFInfo
- Publication number
- WO2024014993A1 WO2024014993A1 PCT/RU2023/050172 RU2023050172W WO2024014993A1 WO 2024014993 A1 WO2024014993 A1 WO 2024014993A1 RU 2023050172 W RU2023050172 W RU 2023050172W WO 2024014993 A1 WO2024014993 A1 WO 2024014993A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- nanoparticles
- oxide
- aerosil
- nanofluid
- neonol
- Prior art date
Links
- 238000001816 cooling Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 37
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 29
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 23
- QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N Copper oxide Chemical compound [Cu]=O QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 21
- 229910002012 Aerosil® Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- 239000010725 compressor oil Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000005751 Copper oxide Substances 0.000 claims abstract description 10
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N Iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims abstract description 10
- 229910000431 copper oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims abstract description 9
- 239000013538 functional additive Substances 0.000 claims abstract description 6
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 239000002480 mineral oil Substances 0.000 claims abstract description 4
- 235000010446 mineral oil Nutrition 0.000 claims abstract description 4
- QGLKJKCYBOYXKC-UHFFFAOYSA-N nonaoxidotritungsten Chemical compound O=[W]1(=O)O[W](=O)(=O)O[W](=O)(=O)O1 QGLKJKCYBOYXKC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract 2
- 229910001930 tungsten oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 15
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 abstract description 19
- 238000012546 transfer Methods 0.000 abstract description 15
- 239000003921 oil Substances 0.000 abstract description 9
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N Alumina Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 5
- SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N ferrosoferric oxide Chemical compound O=[Fe]O[Fe]O[Fe]=O SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 abstract description 3
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 abstract description 3
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 abstract description 2
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 239000012809 cooling fluid Substances 0.000 abstract 1
- JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N iron(III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]=O JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 9
- 238000011161 development Methods 0.000 description 7
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 7
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 7
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 5
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 4
- NNPPMTNAJDCUHE-UHFFFAOYSA-N isobutane Chemical compound CC(C)C NNPPMTNAJDCUHE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 3
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 2
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 239000001282 iso-butane Substances 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- IAYPIBMASNFSPL-UHFFFAOYSA-N Ethylene oxide Chemical compound C1CO1 IAYPIBMASNFSPL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910005831 GeO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 HezO Inorganic materials 0.000 description 1
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N Orthosilicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N Phenol Chemical compound OC1=CC=CC=C1 ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ABLZXFCXXLZCGV-UHFFFAOYSA-N Phosphorous acid Chemical group OP(O)=O ABLZXFCXXLZCGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002202 Polyethylene glycol Substances 0.000 description 1
- 238000004378 air conditioning Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 229940075614 colloidal silicon dioxide Drugs 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 150000002170 ethers Chemical class 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 1
- 230000009931 harmful effect Effects 0.000 description 1
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- 239000003112 inhibitor Substances 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 239000011858 nanopowder Substances 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 229920001223 polyethylene glycol Polymers 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
- C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
- C09K5/08—Materials not undergoing a change of physical state when used
- C09K5/10—Liquid materials
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
- C10M—LUBRICATING COMPOSITIONS; USE OF CHEMICAL SUBSTANCES EITHER ALONE OR AS LUBRICATING INGREDIENTS IN A LUBRICATING COMPOSITION
- C10M107/00—Lubricating compositions characterised by the base-material being a macromolecular compound
- C10M107/02—Hydrocarbon polymers; Hydrocarbon polymers modified by oxidation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
- C10M—LUBRICATING COMPOSITIONS; USE OF CHEMICAL SUBSTANCES EITHER ALONE OR AS LUBRICATING INGREDIENTS IN A LUBRICATING COMPOSITION
- C10M125/00—Lubricating compositions characterised by the additive being an inorganic material
- C10M125/10—Metal oxides, hydroxides, carbonates or bicarbonates
Definitions
- the invention relates to the field of heat transfer and can be used for cooling various units, such as domestic and industrial refrigeration units, air conditioning systems, automotive climate control systems, systems for creating artificial ice. More specifically, the present invention relates to multi-component coolants.
- Refrigeration equipment consumes about 20% of all electricity generated in the world.
- finding ways to increase the efficiency of refrigeration equipment is an urgent and urgent task, the result of which will be significant energy savings.
- a nanofluid is a two-phase medium consisting of a liquid and solid phase particles of a nanometer size range uniformly distributed in it.
- a characteristic feature of nanofluids is a significant change in the thermophysical properties of the base fluid even at a low concentration of nanoparticles.
- a water-based cooling composition is also known according to RF patent 2604232, priority dated May 25, 2012, CHEVRON U.S.A. INC. (US), LIVENS Serge S. (US), DE KIMPE Jürgen P. (US), containing silicon dioxide nanoparticles, the average diameter of which is in the range from 0.1 to 1000 nm, and also contains a silicate with a phosphonate functional group and an inhibitor metal corrosion.
- the technical result of the invention consists in obtaining an aqueous heat transfer solution exhibiting improved stability, as well as thermal conductivity, which also provides protection against corrosion.
- Figure 1 is a graph of the dependence of heat transfer on the type of nanoparticles.
- Figure 2 is a graph of the dependence of the viscosity of a nanofluid with particles of copper oxide CuO on the shear rate.
- the problem is solved by creating a multicomponent cooling nanofluid based on compressor oil containing metal oxide nanoparticles and functional additives.
- the technical result of the claimed invention is to improve heat transfer parameters in heat exchange and refrigeration systems, expand the range of operating temperatures, reduce the amount of refrigeration coolant used in the system, and increase the service life of the coolant.
- Compressor oil was chosen as the base fluid (base) of the proposed multicomponent cooling nanofluid. Nanoparticles of metal oxide, aerosil and a functional additive are introduced into the compressor oil.
- compressor oil Any compressor oils that have passed the appropriate certification can be used as compressor oil (see Table 1). The selection of oils is not exhaustive and is not limited to those listed in Table 1.
- Suniso 321 synthetic oil was used, which is most preferred for use in heat exchange systems using R134a refrigerant.
- SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
- the choice of oil also depends on what refrigerant is used in the system. Thus, it is preferable to use mineral oil for freon hbOOa, and synthetic oil for refrigerants g134a, g410a.
- SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) The size of nanoparticles was also chosen for two reasons: the highest prevalence among manufactured nanopowders and the minimal ability for their algomeration into larger compounds, which will also contribute to an increase in viscosity and deterioration of the system.
- colloidal silicon dioxide SiO2 (Aerosil) with an average nanoparticle size of 5-20 nm, at a concentration of 0.1%, is introduced into the composition of the multicomponent cooling nanofluid. It is used to stabilize the mixture to prevent sedimentation during long-term storage. 0.1% is the optimal concentration because allows you to extend shelf life up to 12 months and does not have a negative effect on viscosity.
- Aerosil allows you to reduce the amount of freon used in the system to almost 75%, which is shown in the table below. A further reduction in the amount of freon is undesirable due to the greater load on the system compressor, due to the discrepancy in the amount of working fluid.
- a surfactant neonol
- a surfactant is also introduced into its composition. It is a technical mixture of polyethylene glycol ethers
- SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) monoalkylphenols of the following composition: C9H19C6H4O(C2H4O)nH, where C9H19 is an isononyl alkyl radical attached to phenol mainly in the para position to the hydroxyl group, n is the average number of moles of ethylene oxide attached to one mole of alkylphenols.
- This stabilizing component together with aerosil makes it possible to increase the standard service life of the cooling mixture compared to analogues - up to 2 years, preventing sedimentation and the formation of large agglomerations of nanoparticles.
- This surfactant was chosen as the main one, because Compatible with all types of compressor oil currently used in refrigeration equipment. The surfactant is largely responsible for preventing the formation of large agglomerations, while aerosil prevents sedimentation of the mixture and precipitation.
- Table 3 shows the component composition of the inventive coolant: percentage relative to a unit of mass, concentration, and particle size.
- the required amount in the following sequence oil, nanoparticles, surfactants are loaded into a technological container, where the mixture is mixed.
- the mixture is dispersed, for which an ultrasonic dispersant is immersed in a container with the mixture and the mixture is stirred for 1 hour, the preferred dispersant power is at least 15 W/ m2 .
- the mixture is subjected to homogenization, while a homogenizer is immersed in a container and the mixture is homogenized at a power of 5000 rpm for 5 hours.
- the dispersion process is repeated under the same parameters.
- Table 4 provides a comparison of the indicators of the samples, their reference rheological properties, calculated mathematical properties in accordance with the models under study and the results obtained during experimental studies
- the experimental density indicators differ significantly for the better from theoretical calculations, which is primarily noticeable in the values with pure copper oxide. This effect can be explained both by the presence of surfactants in the sample and by the surface effects of the nanoparticles themselves. In the case of a combination of Aerosil and Neonol with the base liquid, no effect of density change is observed, which can also serve as evidence of the presence of effects affecting this parameter.
- Table 5 shows viscosity values for various samples:
- SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) layers of oil due to the interaction of nanoparticles and surfactants, and the small size of the particles themselves, which do not have sufficient friction effects and, as a result, do not contribute to an increase in viscosity, unlike classical dispersed solutions with a larger radius of particles.
- Table 6 provides data comparing the characteristics of the samples in terms of energy efficiency parameters.
- Table 7 shows data on testing a sample of the following composition: Aerosil 0.1% + CuO 1% + Neonol 1% + Suniso 321 compressor oil.
- a solution has been developed to reduce the energy consumption of modern refrigeration equipment by creating a refrigerant - a multi-component coolant with an increased heat transfer coefficient.
- the claimed invention will improve the heat transfer parameters in the cooled system - up to 40%, which in turn will effectively dissipate excess energy into the surrounding space, as well as spend less energy - up to 20% and time to achieve the required temperatures - up to 46%.
- the presence of aerosil in the composition of the multicomponent nanofluid will reduce the amount of freon used in the cooled system - up to 60%, and the presence of a surfactant will improve the stability of the mixture in comparison with analogues - up to 2 years.
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Lubricants (AREA)
Abstract
Многокомпонентная охлаждающая жидкость, содержащая в качестве основы компрессорное масло, наночастицы оксидов металлов и функциональную добавку, отличающуюся тем, что в состав вводят аэросил (SiO2), в качестве компрессорного масла выбирают синтетическое или минеральное масло, или их смеси, в качестве наночастиц оксидов металлов – 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 используют неонол, Использование многокомпонентной наножидкости указанного состава приводит к улучшению параметров теплопередачи в теплообменных и холодильных системах, расширению диапазона рабочих температур, снижению количества используемого в системе холодильного теплоносителя, увеличению срока службы охлаждающей жидкости.
Description
МНОГОКОМПОНЕНТНАЯ ОХЛАЖДАЮЩАЯ НАНОЖИДКОСТЬ
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 аппартов 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
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
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 А12ОЗ. (N. Subramani и М. 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 А12ОЗ 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
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
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 СиО 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). Выбор масел не является исчерпывающим и не ограничен указанными в Таблице 1.
Таблица 1 - допустимые комбинации масел и наночастиц
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
В одном из конкретных вариантов осуществления изобретения использовалось синтетическое масло Suniso 321, которое наиболее предпочтительно для использования в теплообменных системах с использованием хладагента R134a.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
Выбор масла также зависит от того, какой хладагент используется в системе. Так предпочтительно для фреона гбООа используется минеральное масло, для хладагентов г134а, г410а - 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%СнО + вода», кривая 2 - «2%ПО + 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 СиО от скорости сдвига представлены в виде графика на Фиг 2. Где: кривая 7 соответствует образцу в концентрации 0,25%СпО, кривая 8 - 0,5%СиО, кривая 9 - 1%СнО, кривая 10 - 2%СиО. 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 СиО в концентрации 1% со средним размером частиц 35-70нм, 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: TiOi, AI2O3, ГегОз, ГезО , WO3.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
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- 20нм, 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
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
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
моноалкилфенолов следующего состава: С9Н19С6Н4О(С2Н4О)пН, где С9Н19 - алкильный радикал изононил, присоединенный к фенолу преимущественно в параположении к гидроксильной группе, п - 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
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
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
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.
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
В Таблице 5 приводятся показатели вязкости для различных образцов:
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
Таблица 5 - Данные по вязкости.
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
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
слоями масла за счет взаимодействия наночастиц и ПАВ, так и малым размером самих частиц, которые не оказывают достаточных эффектов трения и, в следствие 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
В ходе испытаний было выявлено, что комбинация наночастиц оксида меди (СиО) в концентрации 1% + неонол 1% + синтетическое компрессорное масло 100г + фреон г134а 45г показал энергоэффективность в 18,2%.
Наибольшей же энергоэффективности удалось добиться комбинацией Аэросил 0,1% + неонол 1% + СиО 1% + 35г фреона, что позволило увеличить энергоэффективность на 22,5% в сравнении с эталоном и на 23% сократить количество фреона в системе. Пример 4.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
В Таблице 7 приведены данные по испытанию образца следующего состава: Аэросил 0,1% + СиО 1% + Неонол 1% + компрессорное масло Suniso 321.
Таблица 7 - испытания образца Аэросил 0,1% + СиО 1% + Неонол 1% + Suniso 321
Таким образом, разработано решение для снижения энергопотребления современной 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.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
Claims
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
МНОГОКОМПОНЕНТНАЯ ОХЛАЖДАЮЩАЯ НАНОЖИДКОСТЬ Многокомпонентная охлаждающая жидкость, содержащая в качестве основы компрессорное масло, наночастицы оксидов металлов и функциональную добавку, отличающуюся тем, что в состав вводят аэросил (SiCh), в качестве компрессорного масла выбирают синтетическое или минеральное масло, или их смеси, в качестве наночастиц оксидов металлов содержит наночастицы оксида меди СиО или оксида титана ТЮг или оксида алюминия АЬОз или оксида железа ГегОз или оксида железа ТезСД или оксида вольфрама WO3, в качестве функциональной добавки используют неонол, в следующих количествах: наночастицы оксидов металлов - 0,25-1,5 мае. %, аэросил - 0,05-1,5 мае. %, неонол - 0, 5-2,0 мас.%. 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 мае. %, аэросил с размером частиц 5-20 нм - 0,05-1,5 мае. %, неонол - 0, 5-2, 0 мас.%, компрессорное масло - остальное. Многокомпонентная охлаждающая жидкость по п.1 или п. 2, отличающаяся тем, что содержание наночастиц оксида меди составляет 1 мае. %, аэросила - 0,1 мае. %, неонола - 1 мае. %.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2022119400A RU2814501C2 (ru) | 2022-07-15 | Многокомпонентная охлаждающая наножидкость | |
| RU2022119400 | 2022-07-15 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2024014993A1 true WO2024014993A1 (ru) | 2024-01-18 |
Family
ID=89537192
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2023/050172 WO2024014993A1 (ru) | 2022-07-15 | 2023-07-14 | Многокомпонентная охлаждающая наножидкость |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| WO (1) | WO2024014993A1 (ru) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU785344A1 (ru) * | 1979-02-14 | 1980-12-07 | За витель Сошко, Ё. И. Сембай,, Г. Н. Пападийчук, Н. В. Хабер, Шестопалов, М. И. Бугаец, Е. С. Смелов,И. И.Казакевич, Алешин, Я. Е. Шкарапата, Е. Н. Мокрый и Ю. А. Погон пин | Смазочно-охлаждающа жидкость дл механической обработки металлов |
| RU2064971C1 (ru) * | 1993-01-11 | 1996-08-10 | Малое государственное предприятие "Альфа-ВАМИ" | Присадка к смазочным материалам и техническим жидкостям |
| RU2229181C2 (ru) * | 1997-07-14 | 2004-05-20 | Эйбиби Пауэ Ти & Ди Компани Инк. | Коллоидные изолирующие и охлаждающие жидкости |
| WO2013030845A1 (en) * | 2011-08-26 | 2013-03-07 | Tata Consultancy Services Limited | Nanofluids for heat transfer applications |
| RU2719479C2 (ru) * | 2015-07-16 | 2020-04-17 | Эфтон Кемикал Корпорейшн | Смазки с титаном и/или вольфрамом и их применение для уменьшения преждевременного воспламенения смеси при низких оборотах |
-
2023
- 2023-07-14 WO PCT/RU2023/050172 patent/WO2024014993A1/ru unknown
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU785344A1 (ru) * | 1979-02-14 | 1980-12-07 | За витель Сошко, Ё. И. Сембай,, Г. Н. Пападийчук, Н. В. Хабер, Шестопалов, М. И. Бугаец, Е. С. Смелов,И. И.Казакевич, Алешин, Я. Е. Шкарапата, Е. Н. Мокрый и Ю. А. Погон пин | Смазочно-охлаждающа жидкость дл механической обработки металлов |
| RU2064971C1 (ru) * | 1993-01-11 | 1996-08-10 | Малое государственное предприятие "Альфа-ВАМИ" | Присадка к смазочным материалам и техническим жидкостям |
| RU2229181C2 (ru) * | 1997-07-14 | 2004-05-20 | Эйбиби Пауэ Ти & Ди Компани Инк. | Коллоидные изолирующие и охлаждающие жидкости |
| WO2013030845A1 (en) * | 2011-08-26 | 2013-03-07 | Tata Consultancy Services Limited | Nanofluids for heat transfer applications |
| RU2719479C2 (ru) * | 2015-07-16 | 2020-04-17 | Эфтон Кемикал Корпорейшн | Смазки с титаном и/или вольфрамом и их применение для уменьшения преждевременного воспламенения смеси при низких оборотах |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ahmed et al. | Effect of hybrid and single nanofluids on the performance characteristics of chilled water air conditioning system | |
| Azmi et al. | Potential of nanorefrigerant and nanolubricant on energy saving in refrigeration system–A review | |
| Cabaleiro et al. | Development of paraffinic phase change material nanoemulsions for thermal energy storage and transport in low-temperature applications | |
| Saidur et al. | A review on applications and challenges of nanofluids | |
| CN110484209B (zh) | 一种环保混合工质 | |
| US20080265203A1 (en) | Refrigerating Machine Oil of a Compressor | |
| JPH0730311B2 (ja) | 冷 媒 | |
| Sanukrishna et al. | An overview of experimental studies on nanorefrigerants: Recent research, development and applications | |
| Raghavalu et al. | Review on applications of nanoFluids used in vapour compression refrigeration system for cop enhancement | |
| WO2011038570A1 (zh) | 一种制冷剂组合物 | |
| Harichandran et al. | Effect of h-BN solid nanolubricant on the performance of R134a–polyolester oil-based vapour compression refrigeration system | |
| JP5777632B2 (ja) | 酸化アルミニウムのコロイドディスパーション | |
| Chauhan et al. | Performance investigation of ice plant working with r134a and different concentrations of POE/TiO 2 nanolubricant using experimental method | |
| Zawawi et al. | Composite nanolubricants in automotive air conditioning system: An investigation on its performance | |
| Chu et al. | A review on experimental investigations of refrigerant/oil mixture flow boiling in horizontal channels | |
| Pawale et al. | Performance analysis of VCRS with nano-refrigerant | |
| WO2024014993A1 (ru) | Многокомпонентная охлаждающая наножидкость | |
| RU2814501C2 (ru) | Многокомпонентная охлаждающая наножидкость | |
| EP3971259A1 (en) | Non-water coolant composition and cooling system | |
| Kumar et al. | Effects of nanorefrigerants for refrigeration system: A Review | |
| CN110628388B (zh) | 一种适用涡旋式压缩机的混合工质和汽车空调系统 | |
| Kaleemullah et al. | Comparative study of various Nano-refrigerants for the performance enhancement of VCRS | |
| US20200231853A1 (en) | Composition of refrigerant fluid, use of the composition, refrigerating appliance, packed product and packaging process | |
| Soliman et al. | Theoretical investigation of vapor compression cycle performance using different nanomaterials additives | |
| Razzaq et al. | Effect of TiO2/MO nano-lubricant on energy and exergy savings of an air conditioner using blends of R22/R600a |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 23840056 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |