Eksperymentalne badania ﬁzycznych właściwości nanocieczy

Eksperymentalne badania fizycznych właściwościnanocieczy

Gaweł Żyła

Katedra Fizyki i Inżynierii MedycznejWydział Matematyki i Fizyki Stosowanej

Politechnika Rzeszowska

Gaweł Żyła (KFiIM, PRz) Seminarium IFJ PAN Kraków, 24.01.2019 1 / 47

Wprowadzenie


Definicja nanocieczy

Nanocieczami nazywamy zawiesiny nanocząstek (obiektów o przynajmniejjednym wymiarze nanometrycznym) w cieczy bazowej.


Definicja nanocieczy

Nanocieczami nazywamy zawiesiny nanocząstek (obiektów o przynajmniejjednym wymiarze nanometrycznym) w cieczy bazowej.

Przykładowe zdjęcie TEMnanocząstki wykorzystanejw badaniach.

[G. Żyła, J. P.Vallejo, J. Fal, L. Lugo, International

Journal of Heat and Mass Transfer, 121,

1201–1213 (2018)]


Fotografie przykładowych nanocieczy

w zależności od koncentracji nanocząstek

[E. Sani, N. Papi, L. Mercatelli, G. Żyła, Renewable Energy, 126, 692–698 (2018)]


Pierwsza publikacja

[H. Masuda, A. Ebata, K. Teramae, Netsu Bussei, 7, 227–233 (1993)]


Pierwsza anglojęzyczna publikacja

[S. U. S. Choi, J. A.Eastman, ASME-Publications-Fed, 231, 99–106 (1995)]


Przewodnictwo cieplne typowych materiałów

[O. Mahian i in., Physics Reports, w druku, DOI: 10.1016/j.physrep.2018.11.004 (2019)]


Potencjalne zastosowania

[O. Mahian i in., Physics Reports, w druku, DOI: 10.1016/j.physrep.2018.11.004 (2019)]


Wzrost liczby publikacji z zakresu badań nanocieczy

0

500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

A)

Num

ber

of papers

Year

0

20

40

60

80

100

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

[J. Fal, O. Mahian, G. Żyła, Energies, 11, 2942 (2018)]


Ewolucja „chmury słów kluczowych”

w literaturze dotyczącej zjawisk transportowych

[Ming-yueh Tsay, Chien-hui Lai, International Communications in Heat and Mass Transfer, 98 (2018)]


Trendy w badaniach nanocieczy

przewodnictwo cieplnewłaściwości reologicznewłaściwości elektryczneinne

[na podstawie wyszukań słów kluczowych w bazie Web of Science, Clarivate Analytics, grudzień 2018]


Potencjalne zastosowania a stan wiedzy o nanocieczach

„(...) No comprehensive theory explains the energytransfer processes in nanofluids. To accelerateengineering applications of nanofluids, work that isurgently needed to be carried out has beensuggested. A reliable nanofluid database ofthermo-physical properties is especially needed,including details of nanoparticle composition, size,concentration, preparation method and additives (ifused), beginning in particular with promisingnanofluids. A thorough understanding of theinteraction of nanoparticles and flow boundarylayers also needs to be achieved by performingcareful experimental observations and numericalsimulations, to uncover mechanisms underlyingconvective heat transfer enhancement. (...)”

[J.M. Wu, J. Zhaoa, Progress in Nuclear Energy, 66, 13–24 (2013)]


Badania własne


Laboratorium Fizyki Miękkiej Fazy Skondensowanej

Laboratorium Fizyki Miękkiej Fazy Skondensowanej (początkowo Laboratorium Biofizyczne) powstało w 2005 roku w ramachprojektu nr Z/2.18/I/1.3.1/6/04 „Unowocześnienie kształcenia kadr technicznych dla Doliny Lotniczej” współfinansowanegow 75% ze środków Unii Europejskiej z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego – Zintegrowany Program Operacyjny

Rozwoju Regionalnego. W kolejnych latach Laboratorium było doposażane w ramach projektu „Regionalny Program OperacyjnyWojewództwa Podkarpackiego na lata 2007–2013” z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego oraz ze środków

inwestycyjnych Politechniki Rzeszowskiej. Urządzenia pomiarowe laboratorium pozwalają na badanie struktury miękkiej fazyskondensowanej oraz jej właściwości reologicznych, termicznych i optycznych.


Badanie gęstości masy

zależność gęstości masy od koncentracji objętościowej nanocząstek

ρnf = (1 − ϕp) ρbf + ϕpρp

[B. Pak, Y. I. Cho, Experimental Heat Transfer an International Journal, 11, 151–170 (1998)]


Badanie gęstości masy – wyniki eksperymentalne

Porównanie wynikóweksperymentalnych z modelem.

[R. S. Vajjha, D. K. Das, B. M. Mahagaonkar, Petroleum

Science and Technology, 27, 612–624 (2009)]


Zależność gęstości masy od frakcji nanocząstek

1100

1110

1120

1130

1140

1150

1160

0 0.005 0.01 0.015 0.02

ρ nf [k

g m

-3]

ϕv [-]

AlN20-EGAlN50-EG

Pak-Cho

1100

1110

1120

1130

1140

1150

1160

0 0.005 0.01 0.015 0.02

ρ nf [k

g m

-3]

ϕv [-]

Si3N420-EGSi3N480-EG

Pak-Cho

1100

1110

1120

1130

1140

1150

1160

0 0.005 0.01 0.015 0.02ρ n

f [k

g m

-3]

ϕv [-]

TiN20-EGTiN50-EGPak-Cho

[G. Żyła, J. P.Vallejo, L. Lugo, Journal of Molecular Liquids, 261, 530–539 (2018)]


Model gęstości masy zaproponowanych przez Sharifpur i in.

Wychodząc od modelu:

ρnf old = ϕρp + (1 − ϕ)ρf ,

przedstawili oni nową zależność opisującą gęstość masy nanozawiesinw formie:

ρnf new = mp+mf

Vp+Vf +Vv,

gdzie Vv jest objętością „nanowarstwy” (ang. nanolayer). Wg autorów:„nanolayer is an approved interfacial layer between particles and base fluidinvolved in some of modeling for effective thermal conductivity andeffective viscosity of nanofluids”.

Po przekształceniach przedstawili oni zależność opisującą gęstość masynanocieczy uwzględniającą obecność „nanowarstwy” w postaci:

ρnf new = ρnf

(1−ϕ)+ϕ(rp+tv )3/r3p.

[M. Sharifpur, S. Yousefi, J. P. Meyer, International Communications in Heat and Mass Transfer, 78, 168–174 (2016)]



Wychodząc od modelu:

ρnf old = ϕρp + (1 − ϕ)ρf ,

przedstawili oni nową zależność opisującą gęstość masy nanozawiesinw formie:

ρnf new = mp+mf

Vp+Vf +Vv,

gdzie Vv jest objętością „nanowarstwy” (ang. nanolayer). Wg autorów:„nanolayer is an approved interfacial layer between particles and base fluidinvolved in some of modeling for effective thermal conductivity andeffective viscosity of nanofluids”.

Po przekształceniach przedstawili oni zależność opisującą gęstość masynanocieczy uwzględniającą obecność „nanowarstwy” w postaci:

ρnf new = ρnf

(1−ϕ)+ϕ(rp+tv )3/r3p.







ρnf = (1 − ϕp) ρbf + ϕpρp,

Va = Vp + Vg ,

ϕ = VaVnf

= Vp+Vg

Vnf= Vp

Vnf+ Vg

Vnf= ϕp + ϕg .

ρnf = (1 − ϕp − ϕg ) ρbf + ϕpρnp + ϕgρg .




A) B) C)

+

D)

Va = Vp + Vg ,

ϕ = VaVnf

= Vp+Vg

Vnf= Vp

Vnf+ Vg

Vnf= ϕp + ϕg .





A) B) C)

+

D)

Va = Vp + Vg ,

ϕ = VaVnf

= Vp+Vg

Vnf= Vp

Vnf+ Vg

Vnf= ϕp + ϕg .





A) B) C)

+

D)

Va = Vp + Vg ,

ϕ = VaVnf

= Vp+Vg

Vnf= Vp

Vnf+ Vg

Vnf= ϕp + ϕg .



Eksperyment weryfikujący hipotezę

kolejne kroki przygotowania dwóch serii próbek do badań

Przygotowanie próbekw atmosferze normalnej,

stabilizacja metodamifizycznymi.

Odpompowanie gazu z glikolu,

obróbka termiczna nanocząstek,

przygotowanie nanocieczy w średniejpróżni,

stabilizacja metodami fizycznymi.




















Badanie gęstości masy – pierwsze rezultaty weryfikacji

1100

1110

1120

1130

1140

1150

1160

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

ρ nf [k

g m

-3]

ϕv [-]

ZrO2-EGmodel Pak-Cho

1100

1110

1120

1130

1140

1150

1160

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

ρ nf [k

g m

-3]

ϕv [-]

ZrO2-EGmodel Pak-Cho


Badanie ciepła właściwego

modele zależności ciepła właściwego nanocieczy od frakcji nanocząstek

Pak i Cho przedstawili model opisujący wartość ciepła właściwegonanocieczy od frakcji objętościowej nanocząstek:

cp,nf = (1 − ϕv ) cp,bf + ϕv cp,p .

Xuan i Roetzel zaproponowali inną zależność:

cp,nf =(1−ϕv )cp,bf ρbf +ϕv cp,pρp

ρnf,

która po uwzględnieniu zależności opisującej gęstość masy przyjmujepostać:

cp,nf = (1 − ϕm) cp,bf + ϕmcp,p.

(15) [B. Pak, Y. I. Cho, Experimental Heat Transfer an International Journal, 11, 151–170 (1998)]

(16) [Y. Xuan, W. Roetzel, International Journal of Heat and Mass Transfer, 43, 3701–3707 (2000)]








ρnf,












ρnf,







charakterystyka nanocząstek wykorzystanych do badań




charakterystyka nanocząstek wykorzystanych do badań



Zależność cp od frakcji masowej sześciu typów nanocieczy

2.15

2.20

2.25

2.30

2.35

2.40

2.45

2.50

2.55

0.000.020.040.060.080.10

cp,n

f [J

g-1

K-1

]

ϕm [-]

AlN20-EGAlN50-EGmodel (6)

2.15

2.20

2.25

2.30

2.35

2.40

2.45

2.50

2.55

0.000.020.040.060.080.10

cp,n

f [J

g-1

K-1

]

ϕm [-]

Si3N420-EGSi3N480-EG

model (6)2.15

2.20

2.25

2.30

2.35

2.40

2.45

2.50

2.55

0.000.020.040.060.080.10c

p,n

f [J

g-1

K-1

]

ϕm [-]

TiN20-EGTiN50-EGmodel (6)



Badanie napięcia powierzchniowego

charakterystyka materiałów wykorzystanych w badaniach

[G. Żyła, J. Fal, P. Estelle, International Journal of Heat and Mass Transfer, 113, 1189–1199 (2017)]


Badanie napięcia powierzchniowego – wyniki

47.0

47.5

48.0

48.5

49.0

49.5

0.000 0.003 0.006 0.009 0.012

γ nf [m

N m

-1]

ϕp [-]

TiN20-EG47.0

47.5

48.0

48.5

49.0

49.5

0.000 0.003 0.006 0.009 0.012

γ nf [m

N m

-1]

ϕp [-]

TiN50-EG

[G. Żyła, J. Fal, P. Estelle, International Journal of Heat and Mass Transfer, 113, 1189–1199 (2017)]


Badanie napięcia powierzchniowego

zestawienie wyników z literatury

[P. Estelle, D. Cabaleiro, G. Żyła, L. Lugo, S.M.S. Murshed, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 94, 931–944 (2018)]


Badanie napięcia powierzchniowego – metody pomiarowe

[J. Drelich, C. Fang, C.L. White, Measurement of interfacial tension in fluid-fluid systems, Enc Surf Coll Sci, CRC Press (2006)]


Badanie napięcia powierzchniowego – projekt Nanotension

The goal of NANOTENSION is

to measure surface tension (ST) and contact angle (CA) ofwell-defined nanofluids (NF) employing different measurementtechniques,to analyze/compare the results with respect to plausibility, reliability,experimental error etc. of the measurement techniques employed,to compile the results to draw conclusions with respect to theinfluence of stabilizers (surfactants, dispersing agent etc.) and mostimportant the influence of nanoparticles (NP) on ST and CA.

The general idea is to have one producer of a certain NF. The NF shouldbe manufactured in one batch, split into the samples each team needs andsend to them by mail. The teams measure the samples within a certaintime slot and send the data to ILK. We would compile the data in jointlists and figures and provide the group with these information.

Koordyntor projektu:

Matthias H. Buschmann, Institut fur Luft- und Kaltetechnik Dresden, Niemcy.


Nanotension – pierwsze wyniki

[M. H. Buschmann ILK Dresden (Germany), 22.12.2018]


Nanotension – wykorzystane metody pomiarowe

Aparatura w Rennes (Francja)

Aparatura w Rzeszowie










Badanie napięcia powierzchniowego – budowa stanowiska






Problem stabilności

Próbki zawierające mieszaninę diamentów i grafitu o różnej zawartościpopiołu, bezpośrednio po przygotowaniu:

[G. Żyła, J. Fal, P. Estelle, Diamond and Related Materials, 74, 81–89 (2017)]


Problem stabilności

Próbki zawierające mieszaninę diamentów i grafitu o różnej zawartościpopiołu, 7 dni po przygotowaniu:

[G. Żyła, J. Fal, P. Estelle, Diamond and Related Materials, 74, 81–89 (2017)]


Urządzenie do pomiaru szybkości sedymentacji

uzyskany patent



budowa stanowiska na bazie uzyskanego patentu



budowa stanowiska na bazie uzyskanego patentu


Podsumowanie


Podsumowanie

Gęstość masy z pewnym przybliżeniem może być opisana modelemPak i Cho,

na rzeczywistą gęstość masy wpływ ma sposób przygotowania próbkii procesy adsorpcji gazu na powierzchni nanocząstek,

rozmiar nanocząstek w zawiesinie ma marginalny wpływ na gęstośćmasy nanocieczy.


Podsumowanie





Podsumowanie





Podsumowanie

Ciepło właściwe zależy od frakcji masowej nanocząstek w nanocieczy(zmodyfikowany model Xuan-Roetzel poprawnie opisuje daneeksperymentalne),

rozmiar nanocząstek w zawiesinie ma niewielki wpływ na ciepłowłaściwe nanocieczy i obserwuje się niższe wartości dla nanocieczyzawierających mniejsze nanocząstki.


Podsumowanie

Ciepło właściwe zależy od frakcji masowej nanocząstek w nanocieczy(zmodyfikowany model Xuan-Roetzel poprawnie opisuje daneeksperymentalne),

rozmiar nanocząstek w zawiesinie ma niewielki wpływ na ciepłowłaściwe nanocieczy i obserwuje się niższe wartości dla nanocieczyzawierających mniejsze nanocząstki.


Podsumowanie

Napięcie powierzchniowe na granicy nanociecz-powietrze rośnie wrazz frakcją objętościową nanocząstek w zawiesinie,

rozmiar nanocząstek ma wpływ na wartość napięciapowierzchniowego (obserwowane są wyższe wartości dla nanocząsteko mniejszym rozmiarze),

przyjęta metoda pomiarowa nie ma wpływu na otrzymane rezultaty.


Podsumowanie





Podsumowanie





Wybrane publikacje z omawianego zakresu

G. Żyła, J. Fal, S. Bikić, M. Wanic, Ethylene glycol based silicon nitride nanofluids: An experimental study on theirthermophysical, electrical and optical properties, Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 104, 82–90(2018)

G. Żyła, J.P. Vallejo, L. Lugo, Isobaric heat capacity and density of ethylene glycol based nanofluids containing variousnitride nanoparticle types: an experimental study, Journal of Molecular Liquids, 261, 530–539 (2018)

G. Żyła, J.P. Vallejo, J. Fal, L. Lugo, Nanodiamonds – Ethylene Glycol nanofluids: Experimental investigation offundamental physical properties, International Journal of Heat and Mass Transfer, 121, 1201–1213 (2018)

G. Żyła, J. Fal, P. Estelle, Thermophysical and dielectric profiles of ethylene glycol based titanium nitride (TiN-EG)nanofluids with various size of particles, International Journal of Heat and Mass Transfer, 113, 1189-1199 (2017)

G. Żyła, J. Fal, P. Estelle, The influence of ash content on thermophysical properties of ethylene glycol basedgraphite/diamonds mixture nanofluids, Diamond & Related Materials, 74, 81-89 (2017)

G. Żyła, Viscosity and thermal conductivity of MgO-EG nanofluids: experimental results and theoretical modelspredictions, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 129, 171-180 (2017)

G. Żyła, J. Fal, Viscosity, thermal and electrical conductivity of silicon dioxide – ethylene glycol transparent nanofluids:an experimental studies, Thermochimica Acta, 650, 106–113 (2017)

G. Żyła, J. Fal, J. Traciak, M. Gizowska, K. Perkowski, Huge thermal conductivity enhancement in boron nitride -ethylene glycol nanofluids, Materials Chemistry and Physics, 180, 250–255 (2016)

G. Żyła, J. Fal, Experimental studies on viscosity, thermal and electrical conductivity of aluminum nitride – ethyleneglycol (AlN–EG) nanofluids, Thermochimica Acta, 637, 11–16 (2016)

G. Żyła, Thermophysical properties of ethylene glycol based yttrium aluminum garnet (Y3Al5O12–EG) nanofluids,International Journal of Heat and Mass Transfer, 92, 751–756 (2016)

G. Żyła, A. Witek, M. Gizowska, Rheological profile of boron nitride - ethylene glycol nanofluids, Journal of Applied

Physics, 117, 014302 (2015)


Podziękowania


Podziękowania

prof. Patrice Estelle (Francja), prof. Luis Lugo (Hiszpania), prof. Omid Mahian(Tajlandia/Chiny), dr hab. Marian Cholewa (Polska), dr hab. Adam Witek(Polska), prof. Sohel Murshed (Portugalia), prof. Suresh Mathew (Indie),prof. Matthias Bushmann (Niemcy), prof. Elisa Sani (Włochy), prof. BengtSunden (Szwecja), prof. Alina Minea (Rumunia), dr David Cabaleiro (Hiszpania),dr Krzysztof Perkowski (Polska), dr Magdalena Gizowska (Polska), dr Sinisa Bikić(Republika Serbii), dr Zan Wu (Szwecja),

Jacek Fal, Michał Wanic, Julian Traciak (PRz, Polska), Agnieszka Kujawska

(PWr, Polska), Aswathy Joseph (Indie), Javier Vallejo (Hiszpania), Nicolo Papi

(Włochy), Marcus Hortat (Szwecja), Samah Hamze (Francja).


Numer specjalny Journal of Molecular Liquids [zaproszenie]


Dziękuję za uwagę.


Documents

Eksperymentalne badania ﬁzycznych właściwości nanocieczy