Nanotuburi de Carbon

Prefaţă Ideea de fundament care a stat la baza realizării acestui proiect a fost intenţia de a contura o privire de ansamblu asupra domeniului nanomaterialelor şi nanotehnologiilor. Fiind domenii de maxim interes în momentul actual, credem că este benefică o asemenea lucrare care să-i familiarizeze pe cei interesaţi de acest subiect cu cele mai noi informaţii cu privire la ştiinţa, tehnologiile şi mai ales aplicaţiile conceptului nano. Într-o lume în care procesul de globalizare, realizat mai ales prin descoperiri ştiinţifice şi tehnologice de vârf, reprezintă un proces inevitabil şi ireversibil în evoluţia civilizaţiei umane, prin care toate ţările trebuie să-şi evalueze şi elaboreze strategii proprii cu ajutorul cărora să reuşească să creeze standarde de dezvoltare sustenabile din punct de vedere economic, social şi uman, nanoştiinţa reprezintă fără îndoială cheia de boltă a ceea ce înseamnă dezvoltarea actuală şi poate şi viitoare a civilizaţiei umane, oferind adevărate provocări, oportunităţi şi implicaţii în conceptele ştiinţifice de azi, în posibilităţile tehnologice de mâine şi mai ales în inimaginabilele, până ieri, aplicaţii ale viitorului. Iată de ce, având un subiect atât de actual, lucrarea de faţă şi-a propus să aducă în atenţia masteranzilor, adică a inginerilor specialişti informaţii generale privitoare la acest domeniu emergent şi pluridisciplinar, capabile să răspundă interesului oricărei direcţii şi specializări tehnice şi ştiinţifice care are tangenţă cu acest domeniu. Lucrarea este structurată astfel: primul capitol, cel de introducere în conceptele de bază ale nanoştiinţei, nanotehnologiei şi nanomaterialelor, prezintă definiţii, semnificaţii şi implicaţii, caracteristici generale şi clasificări ale acestor aspecte; capitolele doi şi trei prezintă instrumentaţia si etapele experimentului; capitolul patru prezintă rezultatele experimentului. De asemenea, se prezintă aspectele sociale, legate de factorii benefici ce decurg din aceste aplicaţii, dar şi de posibilii factori de risc şi toxicitate ce pot apărea şi care trebuiesc luaţi în considerare. Prin structura şi conţinutul său, sperăm ca această lucrare să fie utilă şi capabilă, în acelaşi timp, să contureze o imagine generală a ceea ce înseamnă domeniul nanomaterialelor şi nanotehnologiilor şi mai ales a faptului că reprezintă o problematică deosebit de complexă, cu multe implicaţii şi posibilităţi de dezvoltare.

-1-

CUPRINS 1.1. Concept............................................................................................................................3 1.2. Studii Pre-Nano a particulelor în lichide..........................................................................4 1.3. Sinteza Nanofluidelor......................................................................................................4 1.4. Aplicaţii ale nanofluidelor...............................................................................................6 1.5. Examinarea probelor de nanotuburi de carbon..............................................................10 1.5.1. Materiale şi metode.................................................................................................10 1.5.2. Examinarea probei NT5: HTF 150FF – LHT.........................................................11 1.5.3. Dispersia nanofluidelor în soluţie de etilen-glicol..................................................13 1.5.4. Obţinerea nanofluidelor în soluţie de etilen-glicol pentru experiment...................14 1.6. Introducere....................................................................................................................16 1.7. Descrierea standului de fierbere....................................................................................16 1.7.1. Calibrarea................................................................................................................16 1.7.2. Fierberea în baie de lichid.......................................................................................17 1.8. Instrumentaţia................................................................................................................17 1.8.1. Măsurarea voltajului şi a căderilor de tensiune.......................................................17 1.8.2. Măsurarea temperaturilor........................................................................................18 1.8.3. Determinarea parametrilor experimentali...............................................................19 1.9. Calculul incertitudinilor.................................................................................................21 1.10. Realizarea microîncălzitorului.....................................................................................24 1.11. Calibrarea microîncălzitorului.....................................................................................26 1.12. Standul experimental....................................................................................................32 1.13. Dinamica bulelor..........................................................................................................37 1.14. Rezultatele experimentale şi concluzii asupra acestora...............................................39

-2-

1. Nanofluide 1.1. Concept "Nanofluid" este numele conceput de Argonne National Laboratory pentru a descrie un fluid care conţine suspensii de particule solide de dimensiuni nanometrice. S-a demonstrat recent că nanofluidele au proprietatea de a îmbunătăţii transferul termic al lichidelor. De-a lungul timpului au fost identificate mai multe comportamente caracteristice ale nanofluidelor cum ar fi: posibilitatea de a obţine creşteri importante a conductivităţii termice, comparativ cu lichidele fără nanoparticule; puternice efecte dependente

de

temperatură,

şi

creşteri

semnificative

ale

fluxului

termic

critic.

Comportamentul observat este în multe cazuri anormal în ceea ce priveşte prezicerile teoriilor macroscopice existente, indicând necesitatea unei noi teorii care să ofere o explicaţie adecvată privind caracteristicile unice ale nanofluidelor. Au fost iniţiate studii teoretice privind posibile mecanisme ale transferului de căldură, însă, până în prezent obţinerea unei înţelegeri la nivel atomic şi la scară micro a modalităţii de transfer a căldurii la nanofluide rămâne cea mai mare provocare care trebuie depăşită pentru a realiza potenţialul maxim al acestei clase noi de fluide cu transfer de căldură. Transferul de căldură este unul dintre cele mai importante provocări tehnologice, întâlnit în diverse industrii incluzând microelectronica, transportul, fabricarea diverselor componente şi metrologia. Evoluţia în aceste domenii conduce la o creştere a sarcini termice ce trebuie îndepărtată. Pentru a creşte performanţele, metoda convenţională presupune o suprafaţă de contact cât mai mare, fapt pentru care sunt folosite nervurile şi microcanalele. Totuşi, metodele convenţionale au ajuns aproape de limita lor actuală de proiectare, de aceea trebuie schimbată direcţia de cercetare şi asupra agenţilor de răcire. Astfel au apărut nanofluidele, o nouă clasă de materiale compozite de tip solid-lichid, compusă din nanoparticule cu dimensiuni între 1 şi 100 nanometri, dispersate într-un agent termic. În ultimi ani nanofluidele au atras un mare interes asupra lor datorită proprietăţilor termice mult îmbunătăţite. Spre exemplu, o mică cantitate (mai puţin de 1% volum) de nanoparticule de cupru sau nanotuburi de carbon dispersate în etilenglicol sau ulei pot creşte conductivitatea lor naturală cu 40%, respectiv 150% [1.1] [1.2]. Suspensiile convenţionale de particule necesită o concentraţie mare de peste 10% pentru o asemenea îmbunătăţire, dar sunt afectate de probleme reologice şi de stabilitate ce împiedică răspândirea acestora. În unele cazuri nanofluidele au demonstrat conductivitatea lor termică cu un ordin de magnitudine mai bun decât cel anticipat de teoriile convenţionale. Alte rezultate impresionante sunt legate de

-3-

puternica dependenţă a temperaturii de conductivitatea termică [1.3] [1.4] şi o triplare a fluxului termic critic faţă de cel al fluidului de bază [1.5] [1.6]. Proprietăţile termice superioare ale nanofluidelor prezintă un interes promiţător pentru aplicaţiile de răcire bazate pe nanotehnologii, incluzând agenţi de răcire cu conductivitate termică foarte mare, lubrifianţi, fluide hidraulice şi lichide pentru tăierea metalelor. Nanofluidele oferă numeroase beneficii, printre care rate de răcire ridicate, scăderea puterii necesare la pompe, sisteme de răcire mai mici şi mai uşoare şi rezistenţă îmbunătăţită la uzură. În plus nanofluidele sunt în curs de dezvoltare pentru aplicaţii medicale, la terapia împotriva cancerului. 1.2. Studii Pre-Nano a particulelor în lichide Agenţi termici convenţionali au proprietăţi conductive termice slabe în comparaţie cu solidele. Spre exemplu conductivitatea termică a cuprului la temperatura camerei este de circa 700 de ori mai mare decât a apei, şi de circa 3000 de ori mai mare decât a uleiului de motor. Conductivitatea termică a nanotuburilor de carbon cu mai mulţi pereţi la temperatura camerei este de aproximativ 20000 de ori mai mare decât a uleiului de motor. S-au efectuat numeroase studii teoretice şi experimentale despre conductivitatea termică eficientă a suspensiilor solid-lichid de când studiul teoretic al lui Maxwell a fost publicat. Până de curând, aceste studii despre conductivitatea termică a suspensiilor se limitaseră la particule de dimensiuni milimetrice sau micrometrice. Problema practică majoră cu acest tip de suspensii este că particulele se sedimentează rapid în soluţie. Mai mult, suspensiile tradiţionale solid-lichid care conţin particule de dimensiuni milimetrice sau micrometrice nu funcţionează cu tehnologiile miniaturizate în curs de dezvoltare deoarece pot astupa canalele minuscule ale acestor dispozitive. Aceste dificultăţi au constituit motivaţia pentru dezvoltarea nanofluidelor, în timp ce progresele recente în tehnicile de sintetizare a nanoparticulelor au făcut posibilă această dezvoltare. În astfel de nanofluide, nanoparticulele rămân suspendate pe perioade mai lungi decât particulele mai mari şi, sub o dimensiune-prag, rămân în suspensie un timp aproape nedefinit în ciuda diferenţelor substanţiale dintre densitatea nanoparticulelor şi fluid. 1.3. Sinteza Nanofluidelor Gama combinaţiilor potenţial utilizabile de nanoparticule şi fluide bază este enormă. Nanoparticule precum: oxizi metalici (Al2O3, CuO), nitriţi (AlN, SiN), carburi (SiC, TiC), metale (Ag, Au, Cu, Fe), semiconductori (Ti02), nanotuburi de carbon cu un singur perete (SWCNT), cu perete dublu (DWCNT), sau multi-perete (MWCNT), materiale compozite, nemetale cu sau fără molecule tensioactive pot fi dispersate în fluide bază precum apa, -4-

etilenglicolul sau uleiuri. Nanofluidele sunt produse numai în volume mici, adecvate numai activităţii de cercetare, dar este nevoie de o producţie la scară largă de nanofluide bune din punct de vedere calitativ, cu un preţ de producţie mic pentru a putea fi implementate în aplicaţiile comerciale. Pentru a putea produce combinaţia cea mai adecvată nanoparticulăfluid, într-o anumită aplicaţie, cercetătorii au dezvoltat mai multe metode pentru producerea şi dispersarea nanoparticulelor.. Prima tehnologie de producere a utilizat un proces în doi paşi în care nanoparticulele sunt mai întâi produse sub forma unei pulberi, de obicei prin condensarea gazului inert, şi apoi dispersate într-un fluid prin agitare ultrasonică sau prin adăugare de agenţi tensioactivi. În ciuda gradului ridicat de aglomerare a nanoparticulelor, care apare de obicei odată cu procesul condensării gazului, acest proces funcţionează bine în unele cazuri, de exemplu, nanoparticule de oxid dispersate în apă deionizată. Nu a fost obţinut acelaşi succes în producerea nanofluidelor care conţin nanoparticule metalice mai grele prin această tehnică. Un avantaj al acestei tehnici din punct de vedere al eventualei comercializări a nanofluidelor este că metoda condensării gazului inert a fost deja mărită la scară pentru a produce economic cantităţi de tone de nanopulberi. O a doua tehnologie de procesare, numită tehnica evaporării directe, a fost folosită cu succes la producerea nanofluide care conţin nanoparticule de metal dispersate. Această metodă, dezvoltată de Yatsuya şi colegii săi, şi ulterior perfecţionată de Wagener, sintetizează nanoparticulele şi le dispersează în fluid într-un singur pas. Ca şi în cazul metodei condensării gazului inert, metoda presupune vaporizarea unui material-sursă în condiţii de vid. Totuşi, în acest caz, condensarea vaporilor pentru a forma nanoparticule apare prin contactul între vapori şi lichid. Aglomerarea nanoparticulelor este redusă la minimum prin curgerea continuă a lichidului. O limitare semnificativă la aplicaţia acestei tehnici este că lichidul trebuie să aibă o presiune scăzută a vaporilor, de obicei mai puţin de 1 torr. Presiuni mai ridicate conduc la condensarea gazului şi apar problemele asociate aglomerării de nanoparticule. În prezent, cantităţile de nanofluide care pot fi produse prin această tehnică a evaporării directe sunt mult mai limitate decât în cazul tehnicii condensării gazului inert, deşi, dacă se doreşte acest lucru, este posibil ca şi această tehnică să fie mărită la scară pentru a produce economic mari cantităţi de nanofluide. În timp ce majoritatea studiilor actuale privind proprietăţile termice ale nanofluidelor au folosit una dintre tehnicile de procesare descrise mai sus, alte tehnici se pot dovedi superioare în cele din urmă, în funcţie de combinaţia nanoparticule - fluid folosită. De exemplu, tehnica de condensare chimică a vaporilor, în care nanoparticulele sunt formate prin -5-

descompunerea termică a unui precursor mineral antrenat de un gaz purtător într-un cuptor, a fost recent modificată pentru a sintetiza şi dispersa nanoparticulele în fluide. Comparativ cu tehnica evaporării directe, condensarea chimică a vaporilor pare să ofere avantaje din punct de vedere al controlului dimensiunii particulei, uşurinţa măririi la scară şi posibilitatea de a produce noi tipuri de nanostructuri. 1.4. Aplicaţii ale nanofluidelor Nanofluidele pot fi folosite pentru a îmbunătăţii transferul termic şi eficienţa energetică în variate sisteme termodinamice. Multe din studiile în acest domeniu se fac în laboratoare naţionale şi în academii, iar stagiul actual a depăşit deja stadiul de descoperire. Numărul companiilor care au descoperit potenţialul tehnologiei nanofluidelor şi sunt implicate în dezvoltarea aplicaţiilor industriale pe acest domeniu este în creştere. În industria transportului General Motors şi Ford au proiecte de cercetare în derulare pe nanofluide. Potenţiale aplicaţii ale nanofluidelor sunt în domeniul transportului, cât şi microelectronică, apărare, domeniul nuclear, spaţial, biomedical. Transport Amestecul de etilen-glicol şi apă, cel mai folosit agent de răcire în domeniul auto, este relativ slab în ceea ce priveşte transferul de căldură, comparativ cu apa. Uleiurile de motor au o conductivitate termică şi mai mică. Adăugarea de nanoparticule în agenţii de răcire standard ai motorului, au potenţialul de a îmbunătăţii ratele de răcire în domeniul auto cât şi în cel al motoarelor mari, de putere. Aceste îmbunătăţiri pot fi folosite pentru a prelua căldura motorului cu un sistem de răcire redus, însemnând radiatoare mai mici şi mai uşoare, care aduc beneficii în performanţa maşini ducând la o creştere a economiei combustibilului. De asemenea îmbunătăţirea ratei de transfer de căldură poate fi folosită pentru a prelua mai multă căldură de la un motor cu putere mai mare şi de a o disipa folosind acelaşi sistem de răcire. Un nanofluid promiţător pentru a putea fi folosit ca agent de răcire pentru motoare este etilenglicolul pur ca fluid de bază cu nanoparticule. Nanofluidul poate opera şi la presiune atmosferică, reducând costul de capital. O altă calitate a acestuia este aceea că are punctul de fierbere mai ridicat, ceea ce este dorit, pentru a păstra curgerea agentului fără schimbare de fază. În plus un punct de fierbere mai ridicat înseamnă creşterea temperaturii normale de operare a agentului şi evacuarea unei cantităţi mai mari de căldură prin sistemul de răcire existent. Evacuarea de căldură permite o varietate de îmbunătăţiri ale designului, incluzând realizarea unor motoare cu puteri mai mari. Rezultatele cercetării nanofluidelor au fost aplicate pe răcirea unei cutii de transmisie automată. Tzeng şi coechipierii săi în anul 2005 au dispersat nanoparticule de CuO şi AlO3 în uleiul de transmisie al motorului. Platforma -6-

experimentală a fost transmisia unui vehicul cu tracţiune integrală. Mecanismul de transmisie era bazat pe un sistem avansat de cuplare cu pale rotative, unde se dezvoltă temperaturi locale mari, la viteze de rotaţie mari. Din această cauză era nevoie de un agent de răcire cu calităţi ale transferului de căldură îmbunătăţite. Distribuţia temperaturii sistemului de cuplare cu pale rotative a fost măsurată în patru regimuri de turaţie ale motorului (400, 800, 1200 şi 1600 rpm ) şi s-a investigat care este compoziţia optimă a nanofluidelor din punct de vedere al performanţei conductivităţii termice. Rezultatele au indicat ca nanofluidele cu oxizi de cupru au produs cea mai joasă temperatură a cutiei de transmisie atât la viteze de rotaţie mari cât şi la cele mici. Aşadar folosirea nanofluidelor în transmisie are un avantaj clar din punct de vedere al performanţelor termice. Totuşi în toate aplicaţiile bazate pe nanofluide, trebuie luaţi în considerare toţi factorii, precum depunerea particulelor, aglomeraţiile de particule şi eroziunea suprafeţelor. În aplicaţiile auto de lubrifiere, nanoparticulele cu suprafaţa modificată cu ajutorul agenţilor tensioactivi, dispersate în uleiuri minerale, au fost raportate ca fiind eficiente în îmbunătăţirea proprietăţilor tribologice precum reducerea uzurii, mărirea capacităţii de încărcare şi reducerea fricţiunii. Răcirea componentelor electronice Densitatea de putere a circuitelor integrate şi a microprocesoarelor a crescut dramatic în ultimii ani. Trendul este ascendent şi în viitorul previzibil. Compania International Technology Roadmap pentru semiconductori a afirmat că până în anul 2018, circuitele integrate de înaltă performanţă vor conţine peste 9,8 miliarde de tranzistori la un cip de numai 280 mm2, ceea ce înseamnă de 40 de ori valoarea actuală a cipurilor cu tehnologia de fabricaţie pe 90 nm. Se presupune că procesoarele viitoare pentru servere şi calculatoare de înaltă performanţă vor disipa o putere termică de 100-300 W/cm2. Dacă aceste valori vor deveni realitate nu este aşa important pentru a confirma trendul ascendent al electronicelor cu densitate de putere foarte mare. Tehnicile existente de răcire cu aer folosite pentru a îndepărta această căldură ajung la limitele lor, iar răcirea pe bază de lichid deja a început şi este în curs de dezvoltare pentru a le înlocui. Fluide fără schimbare de fază, fluide bifazice sau nanofluide au capacitate mărită de transfer de căldură faţă de sistemele de răcire cu aer. Nanofluidele pot fi folosite ca agent de lucru pentru tuburile termice folosite în răcirea componentelor electronice. În 2004 Tsai şi echipa sa au folosit un nanofluid pe bază de apă într-o conductă termică circulară (folosită ca şi radiator) pentru un microprocesor de calculator. Rezultatele cercetării au arătat o reducere semnificativă a rezistenţei termice a conductei cu agent de lucru nanofluid faţă de aceeaşi conductă termică, dar cu agent de lucru apă deionizată. Măsurătorile au arătat de asemenea că rezistenţa termică a unei conducte verticale folosite pentru răcire -7-

variază cu dimensiunea nanoparticulelor. Într-un studiu relatat în anul 2006 Ma şi restul echipei au investigat efectul nanofluidelor asupra capacităţii de transport termic a unei conducte termice aflată în oscilaţie. Rezultatele experimentului au arătat ca la o putere intrată de 80W, un nanofluid cu 1% volum de nanoparticule au redus diferenţa de temperatură între evaporator şi condensator de la 40,9°C la 24,3°C. Aceste rezultate pozitive promiţătoare promovează continuarea cercetărilor şi dezvoltarea nanofluidelor pentru astfel de aplicaţii. Apărare Un număr mare de dispozitive şi sisteme militare necesită un flux foarte mare de răcire de ordinul zecilor de MW/m2. La acest nivel răcirea cu metode convenţionale este o provocare. Exemplu de astfel de aplicaţii militare sunt răcirea componentelor electronice de mare putere şi arme care folosesc energia în mod direct. Aceste tipuri de arme implică fluxuri mari de căldură de ordinul 500-1000 W/cm2, iar furnizarea unei răciri adecvate pentru ele şi pentru componentele lor electronice este o necesitate critică. Nanofluidele au acest potenţial pentru a putea furniza răcirea necesară în aceste aplicaţii şi de asemenea în celelalte sisteme militare precum vehicule militare, submarine, diode laser de mare putere. În unele cazuri, cercetările pe nanofluide pentru aplicaţii militare includ nanofluide multifuncţionale cu adăugare de dispozitive de stocare a energiei termice sau culegerea energiei din reacţiile nucleare. Răcirea transformatoarelor este foarte importantă pe un vas maritim şi de asemenea reducerea dimensiuni şi greutăţii acestuia. Creşterea continuă a cererii pentru producţia de energie electrică pot conduce la necesitarea de a schimba sau de a îmbunătăţi transformatorul ceea ce implică costuri mari. O alternativă posibilă în multe din aceste cazuri este înlocuirea uleiului clasic de transformator cu un nanofluid. S-a demonstrat că proprietăţile termice ale uleiului de transformator pot fi îmbunătăţite semnificativ adăugând aditivi de nanoparticule. Spaţiu În anul 2003 You şi în 2004 Vassalo au raportat creşteri cu un ordin de mărime a fluxului termic critic în urma fierberii în bazin a nanofluidelor comparativ cu fluidul de bază fără nanoparticule. Aceste nivele fac posibilă creşterea puterii aplicate cipurilor în electronică sau simplificarea nevoilor de răcire necesare în aplicaţiile spaţiale. Fluxurile mari de căldură permit fierberea la temperaturi mai ridicate, cu creşterea nivelului de căldură disipat şi o marjă de siguranţă mai mare la fierberea în film. Aceste proprietăţi fac nanofluidele atractive pentru răcirea componentelor electronice în general cât şi pentru aplicaţiile spaţiale unde densitatea de putere atinge o valoare foarte ridicată. Sistemul de răcire pentru centralele nucleare -8-

Institutul de tehnologie din Massachusetts (MIT) a stabilit un centru interdisciplinar de cercetare a tehnologiei nanofluidelor pentru a putea fi folosită în industria energetică nucleară. Momentan ei evaluează potenţialul impact al folosirii nanofluidelor din punct de vedere al siguranţei, neutronilor şi performanţelor economice pentru sistemele nucleare. Biomedicină Nanofluidele şi nanoparticulele au multe aplicaţii în industria biomedicală. Un exemplu este folosirea nanoparticulelor bazate pe fier pentru a împiedica unele efecte secundare ale metodei convenţionale de tratare a cancerului. Aceste particule pot fi folosite ca mijloace de transport ale medicamentelor sau împotriva radierii ţesuturilor sănătoase apropiate. Ele sunt introduse în circuitul sangvin şi sunt ghidate către tumoare folosind nişte magneţi exteriori corpului. Nanofluidele pot fi folosite de asemenea pentru operaţii mai sigure, producând un efect de răcire împrejurul operaţiei şi prin aceasta sporeşte şansa pacientului de a supravieţui, reducând riscul distrugerii organelor apropiate. Într-o aplicaţie opusă procesului de răcire, nanofluidele pot fi folosite pentru a genera o temperatură mai mare în jurul unei tumori, distrugând celulele canceroase fără a le afecta pe cele sănătoase, apropiate. Alte aplicaţii Sunt nenumărate situaţii în care o creştere a eficacităţii transferului termic ar duce la beneficiu din punct de vedere al calităţii, cantităţii şi/sau al costului unui produs sau proces. În multe din aceste situaţii nanofluidele ar putea fi soluţii bune pentru a realiza îmbunătăţirea performanţei transferului termic. Spre exemplu, nanofluidele au potenţial pentru a putea fi folosite în aplicaţi precum încălzitul clădirilor, unde creşterea eficienţei poate fi realizată fără a creşte puterea de pompare. O astfel de aplicaţie ar salva energie într-un sistem de încălzire, ventilare sau de aer condiţionat producând beneficii mediului înconjurător. În domeniul energiilor regenerabile, nanofluidele ar putea îmbunătăţii transferul termic de la colectoarele solare la bazinele de stocare şi de asemenea ar creşte densitatea de energie. Agenţii de răcire bazaţi pe nanofluide ar putea avea potenţiale aplicaţii în industria materialelor, chimică, a carburanţilor, a procesării alimentelor, a hârtiei şi textilelor.

-9-

2. Pregatirea soluţiilor 1.5. Examinarea probelor de nanotuburi de carbon 1.5.1. Materiale şi metode Investigaţia prin microscopie electronică implică folosirea modurilor de lucru permise de microscopul CM120ST: BF-TEM (Brigth Field TEM), SAED (Selected Area Electron Diffraction), HRTEM (High Resolution TEM). Pentru caracterizarea morfologică a pulberilor s-a urmărit distribuţia diametrelor. Distribuţia diametrului mediu este aproximată cu o funcţie de tipul logaritm normal dată de formula: y = Ae

−

ln 2 ( x / xc ) 2 w2

unde: A este o constantă arbitrară legată de numărul de particule xc - maximul distribuţiei w - dispersia diametrelor. Pentru examinări s-a folosit microscopul Philips CM120ST, funcţionând la o tensiune de 100kV, (λ = 0.0037 nm). Constanta de calcul pentru distanţele interplanare din imaginile de difracţie este de 0,89, obţinută în urma calibrării modului de difracţie cu ajutorul nanoparticulelor de Au, MgO şi MoO3 (mono-cristalin). Pulberile sunt dispersate în alcool, aproximativ 10% vol. Din dispersia rezultată se ia o picătură şi se aşează pe grilele speciale de microscopie acoperite cu substrat de formvar. Stratul de formvar se obţine dintr-o soluţie de 0,25% formvar în cloroform. Din această soluţie se ia într-o pipetă o picătură şi se lasă pe suprafaţa apei dintr-un vas pregătit în prealabil. Pe suprafaţa apei se formează o peliculă foarte subţire de formvar pe care se depun grilele, cu faţa tratată cu rodiu (partea mai închisă la culoare). Se alege zona de culoare gri a peliculei, deoarece dacă pelicula este prea subţire se distruge în câmpul intens din microscop, sau chiar datorită tensiunii superficiale care apare datorită flotării pe apă. Pentru a scoate grilele se foloseşte o bucată de hârtie de filtru, care se pune peste grile. Se cufundă în apă până la umezirea completă a hârtiei, pentru a lipi pelicula de hârtie după care cu o pensetă se scoate din apă. O altă metodă este obţinerea peliculei pe o lamă de microscopie optică. Într-un pahar Berzelius se pregăteşte soluţia de formvar 0,25%. Se ia o lamă se curăţă pentru a nu avea impurităţi şi se cufundă în soluţie. În funcţie de viteza cu care este scoasă lama se obţin pelicule mai subţiri sau mai groase. Se lasă la uscat 10-15 minute după care cu o lamă de ras se îndepărtează marginile peliculei. Se cufundă într-un vas cu apă la un unghi de 45º. Pelicula

- 10 -

se desprinde şi flotează pe apă. Se pun grilele cum am descris anterior, în zonele cu o nuanţă gri. Pentru obţinerea imaginilor SAED, se focalizează zona de interes, se alege dimensiunea spotului de difracţie, se introduce apertura de selectare a ariei, care permite selectarea unei anumite zone din materialul studiat. Se trece în modul de difracţie şi se preiau imagini. Pentru a îmbunătăţi calitatea imaginilor se poate lucra cu modul de înclinare activat, care roteşte proba în jurul axei suportului de probă. Imaginile HRTEM se obţin la măriri mari, peste 300000 x. Se focalizează imaginea şi se deplasează proba pentru a găsi un cristalit care îndeplineşte condiţiile de difracţie. Se preiau imaginile. Imaginile preluate sunt prelucrate în continuare cu ajutorul transformatei Fourier, care permite în primul rând măsurători mai precise şi în al doilea rând eliminarea elementelor neperiodice (zgomotului) din imagine. Morfologia particulelor s-a efectuat pe imagini TEM pe un număr de 100 nanoparticule. 1.5.2. Examinarea probei NT5: HTF 150FF – LHT Imagini TEM cu dispersia nanotuburilor şi morfologia acestora .

200nm

1000nm

Figura 2.1 - Imagini ale probei NT5: HTF 150FF – LHT obţinute cu microscopul de tip TEM

- 11 -

Procente

40 30 20

10

0

0

50

100 150 200 250 Diametrul în nm Figura 2.2 - Distribuţia diametrelor obţinută prin realizarea histogramei pe 100 de valori măsurate şi filtrarea acestora cu o funcţie de tip logaritm normal. Datele obţinute în urma realizării distribuţiei diametrelor: Data: NT5 Model: Logaritm Normal χ2 = 9,73838 y0 = 0,16487 (± 2,45887) xc = 81,16489 (± 4,00403) w = 0,4699 (± 0,06605) A = 28, 98482 (± 3,14355)

2mm Figura 2.3 - Difracţia electronilor obţinută pe proba NT5, indică prezenţa structurii grafitului, cu o uşoară orientare preferenţială, zona mai intensă din primul inel. - 12 -

10nm

Figura 2.4 - Datorită grosimii corelate cu dimensiunile reduse ale zonelor cristaline, contrastul franjelor de interferenţă este foarte mic şi nu poate fi pus în evidenţă 1.5.3. Dispersia nanofluidelor în soluţie de etilen-glicol Pentru dispersarea nanofluidelor în etilen-glicol s-a folosit un pahar Berzelius (model Pyrex Germania) de 250ml. La început recipientul trebuie spălat bine, apoi în acesta se adaugă acetonă după care se acoperă cu o folie de aluminiu, punându-se la ultrasunete. Echipamentul de ultrasonare este modelul Fisher Scientific FS20H care operează la 40kHz şi 80W - putere ultrasonică. După trecerea timpului stabilit trebuie scos recipientul, golit şi apoi clătit din nou. Procedura se reia, dar de data aceasta în loc de acetonă se adaugă etanol, acoperind recipientul şi introducându-l la ultrasunete. Se varsă conţinutul şi apoi se bagă în cuptor (model Thermo Electron Corporation – Precision – Econotherm Laboratory Oven) timp de 2 minute pentru a se usca. Cuptorul funcţionează la o temperatura de 90°C. Utilizând o balanţă pentru cântărire, model Mettler Toledo AB 104-C, s-au cântărit 0,0503g nanotuburi carbon din proba NT5. Lucrând sub nişă, cu mănuşi de protecţie, se ia acid cu ajutorul unei pipete şi se pune în eprubete gradate. Prima data se pune 75ml de acid nitric pur şi apoi aceeaşi cantitate de acid sulfuric pur (puţin câte puţin) amestecându-se. (Acidul se pune în eprubetă numai în ordinea indicată, nerespectând ordinea, eprubeta se poate încălzii foarte tare). Amestecul rezultat este tot un acid. Eprubeta se căptuşeşte cu o folie deasupra (Parafilm M – laboratory film 4IN-X 125 FF) pentru siguranţă şi etanşeizare. Apoi se bagă la ultrasunete (în interiorul nişei pentru o siguranţă sporită), timp de 4 ore, observându-se că apa se încălzeşte, iar amestecul devine maroniu închis spre negru. Din acest amestec se ia cu pipeta şi se pune în eprubete cu capac, care se bagă apoi la centrifugat. Centrifuga utilizată este un model Fischer Scientific 228. Se observă separarea fazelor. Se înlătură acidul cu pipeta, apoi se umple cu apa şi se introduce la ultrasunete. Nanoparticulele încep să se disperseze în apă, după care soluţia - 13 -

obţinută trebuie introdusă din nou la centrifugat. Procedeul se repetă de 3 ori pentru a înlătura orice urmă de acid. 1.5.4. Obţinerea nanofluidelor în soluţie de etilen-glicol pentru experiment Utilizând balanţa pentru cântărire, model Mettler Toledo AB 104-C, s-au cântărit 10mg nanotuburi carbon din proba NT5 (HTF 150FF-LHT). Acestea se pun într-o eprubetă gradată în care se află 10ml etilen-glicol. Eprubeta se ţine 30 secunde la agitator (model VSM-3 Lab Plus seies PRO), apoi se ţine timp de 3 minute la ultrasunete. Din soluţia obţinută, cu ajutorul unei pipete se iau 2ml soluţie şi se pun în altă eprubetă. Peste aceasta se adaugă 8ml etilen glicol. Rezultă 10ml de soluţie de nanotuburi de carbon cu o concentraţie de 0,2mg/ml. Proba rezultată se reintroduce la agitator şi apoi la ultrasunete. Din prima soluţie rezultată se iau încă 3ml de soluţie (concentraţie 1 mg/ml) şi se pune într-o nouă eprubetă peste care se adaugă 7ml etilen-glicol. Soluţia rezultată are 10ml şi are concentraţie de 0,3 mg/ml. Prezentarea şi proprietăţile etilen-glicolului: Formula moleculară: C2H4(OH)2 Masa molară: 62,068 g/mol Densitate: 1,1132 g/cm3 Punct de topire: -12,9°C (260K) Punct de fierbere: 197,3°C (470K) Solubilitate în apă: este miscibil în apă în orice proporţie Viscozitate: 16,1 mPa·s Punct de flash: 111°C Temperatura de autoaprindere: 410°C

- 14 -

(a)

(b)

(c)

Figura 2.5 – Fotografii ale soluţiilor de nanotuburi de carbon depunându-se după realizarea ultrasonării pentru un timp de 0, 2, 4, şi 8 ore. (a) imediat, (b) 5 minute după, şi (c) 10 minute după ultrasonare.

- 15 -

3. Realizarea standului experimental 1.6. Introducere În acest capitol sunt descrise detaliile standului de fierbere în baie de lichid a nanofluidelor, instrumentaţia, procedura experimentală, paşii de parcurs ai datelor pentru calcularea diferitelor variabile dependente şi calculul incertitudinilor. În experiment s-au folosit nanofluide pe bază de nanotuburi de carbon - etilen-glicol de diferite concentraţii. 1.7. Descrierea standului de fierbere 1.7.1. Calibrarea Pentru realizarea experimentului a fost necesară o calibrare a întregului sistem. Plăcuţa de încălzire a fost aşezată pe o placă termică modelul Fisher Scientific Isotemp HotPlate Ceramic Digital, ridicându-se temperatura la 150°C şi menţinându-se timp de o jumătate de oră. Acest lucru se realizează pentru eliminarea defectelor structurale, care pot fi prezente (figura 3.1).

Figura 3.1 - Stand pentru calibrarea instalaţiei Temperatura a fost atât indicată pe displayul plăci termice cât şi măsurată cu ajutorul unei termocuple tipul K şi monitorizată cu aparatul SR630 - Thermocouple Monitor.

- 16 -

1.7.2. Fierberea în baie de lichid Pentru realizarea experimentului de fierbere, placa termică a fost folosită doar pe post de suport pentru plăcuţa de sticlă. S-a utilizat o bucată plană de textolit în care s-au realizat nişte găuri de grosimea firelor, pentru a susţine circuitele electrice ce alimentează plăcuţa de sticlă. Între acestea, legăturile electrice s-au realizat cu ajutorul unor fire foarte subţiri de aur, (cu diametrul de 0,254mm de la Alfa Aesar) lipite pe electrozi. Lipiturile s-au realizat cu ajutorul unei staţii de lipit Weller, cu vârf subţire, la o temperatură de aproximativ 350°C, utilizând granule de indiu cu diametrul de 1mm. Puterea aplicată circuitului de testare a fost debitată de o sursă de curent continuu modelul E3617A de la Agilent, capabilă să furnizeze o tensiune între 0-60V, şi un curent între 0-1.5A, controlată de unitatea de achiziţie de date modelul Agilent 34970A Data Acquisition Switch Unit. Cu ajutorul programului LabVIEW, instalat pe calculator, s-a guvernat automat achiziţia de date. Puterea electrică a fost crescută gradual pentru a mării fluxul de căldură transmis către nanofluid. Calculator rulând aplicaţia LabVIEW Unitate de achiziţie de date 34970A

Thermocouple Monitor SR630

Rezistenţe

Termocuplă tip K

Sursa de curent continuu E3617A Plăcuţa de sticlă - Încălzitor Figura 3.2. – Schema circuitului pentru experiment 1.8. Instrumentaţia 1.8.1. Măsurarea voltajului şi a căderilor de tensiune Voltajul secţiunii de testare pentru fierberea în baie de lichid este aplicat de sursa de curent continuu. Din cauza rezistenţei electrice foarte mici a încălzitorului, în circuit s-au introdus două rezistenţe cu valoarea de 3.354Ω şi 3.372Ω. Pentru a măsura mai exact, - 17 -

microîncălzitorul a fost construit astfel încât să poată fi împărţită în 7 secţiuni. Voltajele fiecărei secţiuni în parte sunt înregistrate în calculator de către programul LabVIEW, prin intermediul unităţii de achiziţie de date. Direcţia curentului electric Secţiunea 1

Padelele de unde se citeşte voltajul, pentru determinarea temperaturii

Secţiunea 2 Secţiunea 3 Secţiunea 4 Secţiunea 5 Secţiunea 6 Secţiunea 7

Zona de încălzire

Figura 3.3. – Plăcuţa de sticlă utilizată ca încălzitor pentru fierbere 1.8.2. Măsurarea temperaturilor Temperatura pereţilor fiecărei secţiuni a încălzitorului a fost calculată din înregistrarea în prealabil a variaţiei rezistenţei electrice, cu ajutorul coeficientului TCR. Încălzitorul a fost călit prin aducere şi menţinere la temperatură de 150°C timp de 30 de minute. Calibrarea încălzitorului s-a realizat pornind de la temperatura ambiantă, şi apoi crescând temperatura cu 10°C. În fiecare punct, după stabilizarea temperaturii pe întreaga plăcuţă de sticlă, s-a măsurat rezistenţa electrică a secţiunilor de testare. Având rezistenţele electrice şi temperatura secţiunilor de testare, s-a făcut calculul şi s-au aflat coeficienţii TCR de variaţie a rezistenţei electrice cu temperatura.

Figura 3.4. – Amplasarea termocuplelor pe plăcuţa de sticlă Pentru măsurarea celorlalte temperaturi s-au folosit două termocuple. Una dintre acestea măsoară temperatura fluidului prin amplasarea acesteia în baia de lichid, iar cealaltă a - 18 -

fost folosită pentru măsurarea temperaturii plăcuţei de sticlă, fiind amplasată în exteriorul secţiuni de testare, direct pe plăcuţa de sticlă. Pentru o determinare cât mai exactă a temperaturii, pentru cea de a doua termocuplă, la contactul acesteia cu plăcuţa de sticlă s-a folosit o picătură de pastă termoconductivă. 1.8.3. Determinarea parametrilor experimentali a) Suprafaţa de testare pentru secţiuni ( As ) Pentru măsurarea valorilor experimentului s-au folosit şapte secţiunii de testare. Suprafaţa fiecăreia este uniformă şi este dată de formula: As = L ×l unde: As este aria secţiuni de testare; L - Lungimea secţiunii de testare de 2000 µm; l - lăţimea secţiunii de testare de 500 µm; As = 2000 µ m ×500 µ m = 1mm 2 b) Curentul prin secţiunea de testare ( I ) O rezistenţă a fost înseriată cu secţiunea de testare pentru a creşte impedanţa întregului circuit. Valoarea rezistenţei folosite este de 3.372Ω. Curentul prin secţiunea de testare este dat de formula: I=

Vr Rr

unde: I este curentul prin secţiunea de testare;

Vr - căderea de tensiune pe rezistenţă; Rr - valoarea rezistenţei; c)

Coeficientul de variaţie a rezistenţei electrice cu temperatura ( TCR ) Coeficientul de variaţie a rezistenţei electrice cu temperatura a fost determinat din

panta modificării rezistenţei fiecărei secţiuni (∆R), şi modificarea temperaturii secţiunii respective (∆T): TCR =

∆R R0 ×∆T

unde: ( TCR ) este coeficientul de variaţie a rezistenţei electrice cu temperatura; ∆R - diferenţa rezistenţei electrice între două puncte de testare consecutive;

R0 - valoarea rezistenţei electrice a secţiunii de testare la valoarea temperaturii mediului ambiant;

- 19 -

∆T - diferenţa temperaturii între aceleaşi două puncte de testare succesive în care s-a măsurat şi ∆R; d) Rezistenţa fiecărei secţiuni de testare ( Rsect ) Rezistenţa fiecărei secţiuni este înregistrată de unitatea de achiziţie de date prin căderea de voltaj de-a lungul secţiuni, şi calculată prin formula:

Rsect =

Vsect I

unde: Rsect este rezistenţa unei secţiuni;

Vsect - căderea de tensiune pe secţiunea respectivă; e)

Temperatura peretelui fiecărei secţiuni de testare ( Tp ) Temperatura peretelui fiecărei secţiuni este determinată folosind coeficientul TCR

corespunzător acelei secţiuni şi calculează cu formula: Tp = T0 +

∆R R0 ×TCR

unde: Tp este temperatura peretelui unei secţiuni;

T0 - temperatura mediului ambiant; f)

Conducţia pierdută prin substrat ( qcond ) Conducţia pierdută prin substrat este determinată utilizând rezistenţa termică a fiecărei

secţiuni. În graficul ∆R-∆T este dată curba de variaţie a rezistenţei termice, care semnifică pierderile conductive prin întregul substrat. g) Căldura primită de fluid ( q ) Căldura primită de fluid este calculată cu relaţia: q = Vsect ×I unde: qexp sunt valorile experimentale înregistrate; h) Fluxul termic ( q " ) Fluxul termic este definit pentru fiecare secţiune în parte:

q" = i)

q L ×l

Coeficientul de transfer termic local ( h ) Coeficientul de transfer termic local al unei secţiuni încălzite a încălzitorului este

definit ca:

- 20 -

h=

q" ( Tp − T f

)

unde: Tp este temperatura peretelui; T f - temperatura medie a fluidului; j)

Supraîncălzirea peretelui ( Tsup ) Supraîncălzirea peretelui este definită ca: Tsup = Tp − Ts

unde: Tsup este temperatura de supraîncălzire a peretelui;

Ts - temperatura de saturaţie a fluidului; 1.9. Calculul incertitudinilor S-a realizat calculul incertitudinilor folosind metoda sugerată de Kline şi McClintock, pentru diferiţi parametrii. Dacă R este o funcţie dată a variabilelor independente x1, x2, … xn, R = R (x1, x2, … xn), şi w1, w2, … wn sunt incertitudinile asociate cu aceste variabile, incertitudinea R poate fi evaluată cu formula: 1

2 2  ∂R 2  ∂R 2  ∂R   wR =  w1 ÷ +  w2 ÷ + ... +  wn ÷   ∂x1   ∂x2   ∂xn  

Incertitudinile parametrilor măsuraţi şi ai aparatelor de măsură sunt centralizate în tabelul 7.1. şi respectiv tabelul 7.2. Aplicând analiza de incertitudine pentru ecuaţiile de mai sus se obţine: a) Incertitudinea pentru aria suprafeţei ( As ) Suprafaţa fiecărei secţiuni este definită ca: As = L ×l Incertitudinea ariei suprafeţei este data de: 1

2 2 wA = ( L ×wl ) + ( l ×wL )  2 s   1

2 2 wA = ( 2000 ×20 ) + ( 500 ×20 )  2 s  

wA = 0, 04% s

b) Curentul prin secţiunea de testare ( I ) Curentul prin secţiunea de testare este dat de formula:

- 21 -

I=

Vr Rr

Incertitudinea valorii curentului prin circuit este dată de sursa de curent continuu, şi este egală cu 1%. c)

Coeficientul de variaţie a rezistenţei electrice cu temperatura ( TCR ) Coeficientul de variaţie a rezistenţei electrice cu temperatura se determină pe fiecare

secţiune: TCR =

∆R R0 ×∆T

Incertitudinea coeficientului TCR este dată de: 1

wTCR

2 2 2 2   − ∆R   − ∆R    1 =  w + w∆T ÷ +  2 wR0 ÷  2  ÷  R0 ∆T ∆R ÷ R ∆ T R ∆ T )   0(     0  

wTCR = 0, 05% d) Rezistenţa fiecărei secţiuni de testare ( Rsect ) Rezistenţa fiecărei secţiuni este calculată prin formula:

Rsect =

Vsect I

Incertitudinea valorii rezistenţei secţiunii de testare este dată de sursa de curent continuu, şi este egală cu 1%.

e)

Temperatura peretelui ( Tp ) Temperatura peretelui fiecărei secţiuni este determinată cu formula: Tp = T0 +

∆R R0 ×TCR

Incertitudinea temperaturii peretelui este:  wT =  wT p  0 

( )

2

2

wT = ±0, 06 °C p

f)

2

    − ∆R   1 − ∆R + w∆R ÷ +  wR ÷ +  w TCR ÷ 2 0 ÷  R0 ×TCR   R0 ∆T   R0 ×( TCR )  2

Conducţia pierdută prin substrat ( qcond )

- 22 -

   

1 2

Conducţia pierdută prin substrat se determină utilizând rezistenţa termică a fiecărei secţiuni. Deoarece rezistenţă termică este calculată cu ajutorul rezistenţei electrice şi implicit a curentului prin circuit, incertitudinea în calcularea acestei mărimi este dată de incertitudinea sursei de curent continuu şi este egală cu 1%. g) Căldura primită de fluid ( q ) Căldura primită de fluid este calculată cu relaţia: q = Vsect ×I Incertitudinea în acest caz este dată de incertitudinea qcond şi este egală cu 1%. h) Fluxul termic ( EMBED Equation.DSMT4 q " ) Fluxul termic este definit pentru fiecare secţiune în parte:

q" =

q L ×l

Incertitudinea fluxului termic este dată de relaţia: 1

2 2 2 2 2  I   V   −V ×I   −V ×I   wq " =  wV ÷ +  wV ÷ +  2 wL ÷ +  wV ÷    L ×l   L ×l   L ×l    L ×l

wq " = 5, 0% i)

Coeficientul de transfer termic local ( h ) Coeficientul de transfer termic local al unei secţiuni încălzite a încălzitorului este

definit ca: h=

q" ( Tp − T f

)

Incertitudinea coeficientului de transfer termic este dată de relaţia: 2    −q " 1  wh =  w ÷ +  ( Tp − T f ) q " ÷  ( T − T f   p 

1

2

)

2

  q" wT ÷ +  p ÷    ( Tp − T f

wh = 5, 2% j)

Supraîncălzirea peretelui ( Tsup ) Supraîncălzirea peretelui este definită ca: Tsup = Tp − Ts

- 23 -

2

)

2

 wT ÷ f ÷ 

2   

Incertitudinea supraîncălzirii peretelui este dată de incertitudinea temperaturii peretelui şi este de ±0, 06 °C . k)

Densitatea fluidului ( ρ ) Incertitudinea densităţii fluidului este: wρ = 0,1% Tabelul 3.1 – Tabel centralizator cu incertitudinile măsurate Parametrul măsurat

Simbol

Incertitudinea

u.m.

Aria suprafeţei secţiunilor

As

± 0,04

[%]

Curentul prin secţiunea de testare

I

± 1,0

[%]

Coeficientul TCR

TCR

± 0,05

[%]

Rezistenţa secţiunii de testare

Rsect

± 1,0

[%]

Temperatura peretelui

Tp

± 0,06

°C

qcond

± 1,0

[%]

Căldura primită de fluid

q

± 1,0

[%]

Fluxul termic

q"

± 5,0

[%]

Coeficientul de transfer termic local

h

± 5,2

[%]

Tsup

± 0,06

°C

ρ

± 0,1

[%]

Conducţia pierdută prin substrat

Supraîncălzirea peretelui Densitatea fluidului

Tabelul 3.2 – Tabel cu incertitudinile aparatelor de măsură Aparatul de măsură

Incertitudinea

u.m.

Sursă de curent continuu Agilent E3617A

± 1,00

[%]

Unitate de achiziţie de date Agilent 34970A

± 0,01

[%]

Indicator de temperatură SR630

± 0,01

[%]

1.10.

Realizarea microîncălzitorului

Încălzitorul este de tip rezistiv, bazat pe rezistenţa unui film subţire de aur cu lungimea de 2000 µ m şi lăţimea de 500 µ m , depus pe un substrat de sticlă (figura 3.5). Pentru măsurarea temperaturii suprafeţei încălzitorului s-au folosit plăcuţe cu dimensiunile de 2mm x

- 24 -

2 mm, distribuite de-a lungul secţiuni acestuia. Aceste padele fac parte din circuitul electric al experimentului, fiind cele ce fac legătura între firele de aur cu diametrul de 0,1mm prin care se face alimentarea şi suprafaţa rezistivă a încălzitorului. Plăcuţele, făcând parte din microîncălzitor, sunt realizate prin depunerea aurului pe substratul de sticlă. Înaintea fiecărui experiment acesta a fost calibrat, şi apoi s-a trasat graficul de variaţie al rezistenţei electrice în funcţie de temperatură. Cu ajutorul graficului se poate afla coeficientul de variaţie al rezistenţei electrice cu temperatura TCR. Acest coeficient este unul liniar şi ne ajută la determinarea temperaturii încălzitorului în perioada derulări experimentului. Măsurătorile pentru trasarea graficului s-au realizat în cinci puncte distincte, pornind de la temperatura camerei şi crescând de fiecare dată cu 10°C.

a)

b)

Figura 3.5.a. Model de încălzitor; b) Poză a încălzitorul de sticlă folosit în experiment Încălzitorul s-a realizat utilizând tehnologiile de micro fabricaţie MEMS (acronim pentru Sisteme Micro Electro Mecanice). Primul lucru necesar pentru proces a fost modelul pentru încălzitor. Substratul de sticlă a fost acoperit prin rotaţie cu un strat de soluţie fotorezistivă la 2000rpm timp de 40 de secunde (figura 3.6.a), apoi expus folosind un aliniator de modele Karl-suss cu o intensitate a expuneri de 8 MW / cm 2 şi un timp de expunere de 10 secunde (figura 3.6.b). După aceea, timp de 1 minut, s-a developat stratul fotorezistiv, utilizând soluţia de developat AZ300 MIF, pentru a obţine modelul de mască (figura 3.6.c). Următorul pas în realizarea microîncălzitorului este depunerea unui strat de aur prin metoda depuneri cu rază de electroni (figura 3.6.d). Ultimul pas a fost eliminarea stratului fotorezistiv ţinând întreg substratul în soluţie de acetonă (figura 3.6.e). Strat fotorezistiv Substrat de sticlă a) Depunerea stratului fotorezistiv

- 25 -

Mască

b) Alinierea modelelor şi foto-expunerea Strat fotorezistiv Substrat de sticlă c) Obţinerea negativului modelului Strat de aur depus

d) Depunerea stratului de aur

Încălzitor e) Eliminarea stratului fotorezistiv Figura 3.6 - Paşi de fabricare a microîncălzitorului 1.11.

Calibrarea microîncălzitorului

Înainte de a putea utiliza microîncălzitorul în experimente s-a efectuat calibrarea senzorilor de temperatură ai acestuia. Aparatul funcţionează pe principiul detectorilor de rezistentă-temperatură (RTD), la care o modificare a temperaturi induce o modificare a rezistenţei electrice. Modificarea rezistenţei poate fi calibrată la o valoare a temperaturii cunoscute, pentru a găsi coeficientul de variaţie a rezistenţei electrice cu temperatura TCR, al materialului. Valoarea TCR poate fi utilizată ulterior pentru a calcula temperatura, utilizând diferenţa între două rezistenţe cunoscute ale aceleiaşi secţiuni. Aparatul s-a ţinut pe o placă termică, s-au realizat conexiunile electrice utilizând fir de aur cu diametrul de 0,1mm şi pentru măsurarea temperaturi s-a folosit o termocuplă (figura 3.7). Relaţia între rezistenţă şi temperatură este dată de relaţia: R = R0 ×1 + TCR ×( T − T0 ) 

- 26 -

Termocuplă

Canalele unităţii de achiziţie date 34970A

Circuit de alimentare Sensul de parcurgere al curentului prin circuit

Canal 101 Canal 102 Canal 103

Rezistenţă cu valoare cunoscută

Canal 104 Canal 105 Canal 106

Sursă de curent continuu model Agilent E3617A

Canal 107

Rezistenţa calculată din caracteristicile curent-tensiune pe fiecare secţiune

Lipituri realizate cu Indiu

Microîncălzitor Placă termică Figura 3.7 - Circuitul de calibrare al microîncălzitorului

Figura 3.8 - Realizarea lipiturilor electrice pentru conectarea microîncălzitorului După realizarea legăturilor electrice şi punerea în poziţie a termocuplei (tip E), un program realizat cu ajutorul softului LabVIEW (figura 3.9) este folosit pentru a furniza curentul electric necesar încălzitorului şi pentru măsurarea schimbări rezistenţelor secţiunilor acestuia. - 27 -

Unitatea de achiziţie de date măsoară căderile de tensiune atât pe întreg circuitul, cât şi pe fiecare secţiune în parte. Din căderea de tensiune pe rezistenţă cu valoare cunoscută şi valoarea acesteia se poate afla curentul electric ce trece prin circuit. Cu ajutorul acestuia şi din căderile de tensiune pe secţiuni se află rezistenţele fiecăreia. Schimbând puterea aplicată circuitului electric, şi ştiind valoarea acesteia se calculează modificările rezistenţelor. Ştiind toate acestea se poate determina graficul variaţiei temperaturii microîncălzitorului în funcţie de puterea electrică aplicată circuitului.

Figura 3.9 - Interfaţa programului LabVIEW cu ajutorul căruia se controlează experimentul În interfaţa programului avem: -

Averaged DC Measurements – Măsurătorile efectuate pe microîncălzitor ce

cuprind căderea de tensiune pe secţiunea de încălzire a microîncălzitorului (AG) cât şi pe fiecare secţiune (AB, BC, CD, DE, EF, FG) atât în valoare medie cât şi abaterea standard a fiecăreia în parte. Secţiunile experimentului sunt indicate în figura 3.10. -

max V. aplicat – Valoarea maximă la care va ajunge tensiunea aplicată secţiunii de

testare. Această valoare este calculată adunând valoarea tensiunii de pornire a experimentului cu produsul dintre numărul de paşi de incrementare a tensiunii şi valoarea tensiunii de incrementare. - 28 -

-

Number of Voltage Steps – Reprezintă numărul de paşi de incrementare a tensiunii

aplicate pe secţiunea AG. -

Minimun Voltage – Voltajul minim cu care se pleacă la începutul fiecărui

experiment. S-a pornit de la valoarea de 0,05V pentru a putea elimina banda moartă a aparatului şi a reduce erorile. -

Voltage Incerement – Creşterea voltajului la fiecare buclă de testare. S-a ales o

valoare de 0,05V astfel încât să satisfacă trecerea cât mai lină de la o putere aplicată la alta, şi un timp necesar efectuării fiecărui experiment nu foarte lung . -

Series Resitance – Valoarea măsurată a rezistenţei înseriată în circuit, din care se

află valoarea curentului trecut prin circuit -

Seconds to wait for Steady State – Numărul de secunde care trebuie aşteptat la

fiecare increment al tensiunii, până când întreg circuitul ajunge la puterea aplicată. La o nouă putere aplicată microîncălzitorului, temperatura acestuia nu creşte imediat pentru a putea fi măsurată, de aceea se aşteaptă acest interval până aceasta se stabilizează şi ajunge la starea de echilibru. S-a observat că această stare de echilibru se atinge în mai puţin de 15 secunde, fapt pentru care s-a folosit aceasta valoare. -

S.P. Temp. (Setpoint Temperature) – Valoarea temperaturi la care se poate ajunge

este folosită pentru oprirea automată a experimentului atunci când valoarea temperaturii microîncălzitorului atinge această temperatură. S-a folosit pentru a nu lăsa microîncălzitorul să ajungă la o anumită temperatură, unde s-ar putea defecta într-un mod irecuperabil. -

Voltage to apply – Tensiunea care este aplicată în bucla curentă secţiunii de testare

-

File path Results – Calea fişierului cu date, corespunzător experimentului aflat în

desfăşurare. -

Seconds to wait between scans – Numărul de secunde aşteptate de unitatea de

achiziţie de date între de a efectua o nouă măsurătoare. -

Numer of avarged data points – Numărul de puncte măsurate din care se face o

medie aritmetică, care este folosită ca valoare măsurată în timpul experimentului, pentru o mai bună acurateţe. -

DC Channels List – Reprezintă numărul canalelor pe care le foloseşte unitatea de

achiziţie de date pentru a măsura şi controla experimentul. -

Range – Reprezintă valorile de capăt ale intervalului de variaţie al mărimilor

măsurate sau controlate în experiment. Acest interval este setat din program pe valoarea Auto, pentru o rezoluţie mai bună a valorilor rezultate în urma experimentului.

- 29 -

-

Resolution – Rezoluţia de măsurare sau controlare a experimentului. Este folosit

deoarece curentul şi tensiunea sunt mărimi analogice. -

VISA resource name – Portul prin care este legat instrumentul de achiziţie de date

cu unitatea centrală a calculatorului folosit pentru salvarea fişierelor de date. -

Reset – Buton folosit pentru a reseta conexiunea realizată între unitatea de

achiziţie de date şi calculator -

Serial port configuration – Setările folosite de portul de comunicaţie: Timed out

value este valoarea în milisecunde după care atât la calculator cât şi la unitatea de achiziţie de date apare eroarea de neconectat, fiind folosită pentru a determina conectivitatea între cele două. Această valoare este de 10000ms; Baud rate reprezintă viteza de transfer în biţi pe secundă între cele două unităţi care se realizează la valoarea de 57600bit/s; Flow control XON/XOFF reprezintă un control de tip software pentru transmisia de date. Dacă unul dintre terminale (1) rămâne în urmă cu primirea datelor, trimite comanda XOFF către celălalt terminal (2). La primirea comenzii acesta (2) se opreşte din transmisia de date până când primeşte comanda XON, trimisă tot de acelaşi terminal (1) când este pregătit să reprimească date. -

Delta

T

–

Reprezintă

diferenţa

de

temperatură

dintre

temperatura

microîncălzitorului şi temperatura de pornire e experimentului. -

R02 – Reprezintă rezistenţa electrică a primului tronson la temperatura mediului

ambiant. -

TCR – Reprezintă coeficientul de variaţie a rezistenţei cu temperatura.

-

Sample Res – Reprezintă rezistenţa primului tronson în timpul experimentului

-

Slot number – Reprezintă numărul plăci de achiziţie interne al unităţii de achiziţie

de date la care sunt legate conexiunile experimentului. -

Analog output – Buton pentru controlul alimentării experimentului cu tensiune

electrică. A

B

C

D

E

F

G – Secţiunea de încălzire a microîncălzitorului – Secţiuni de testare

Figura 3.10. - Secţiunile microîncălzitorului

- 30 -

Rezistenţa este calculată din caracteristicile curent-tensiune ale fiecărui tronson şi indicate într-un grafic, împreună cu temperatura. Graficele coeficientului TCR al tuturor secţiunilor de testare înainte de fiecare experiment, sunt arătate în figura 3.11.

TCR - Primul experiment

R [Ω ]

2.5 2

Secţiunea 1

1.5

Secţiunea 2 Secţiunea 3

1

Secţiunea 4

etsar d

0.5

Secţiunea 5

0 0

10

20

30

40

Secţiunea 6

ţalcrău ezistn R

Diferenţa de temperatură faţă de mediul ambiant ΔT [°C] a) Variaţia coeficientului TCR în primul experiment

etsar d

R [Ω ]

TCR - Al doilea experiment 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0

Secţiunea 1 Secţiunea 2 Secţiunea 3 Secţiunea 4 Secţiunea 5 0

10

20

30

40

Secţiunea 6

ţalcrău ezistn R

Diferenţa de temperatură faţă de mediul ambiant ΔT [°C] b) Variaţia coeficientului TCR în primul experiment

TCR - Ultimul experiment 2.5

etsar d

R [Ω ]

2

Secţiunea 1

1.5

Secţiunea 2

1

Secţiunea 3

0.5

Secţiunea 4

0

Secţiunea 5

ţalcrău ezistn R

0

10

20

30

40

Secţiunea 6

Diferenţa de temperatură faţă de mediul ambiant ΔT [°C] - 31 -

c) Variaţia coeficientului TCR în ultimul experiment Figura 3.11 - Graficele Rezistenţă electrică x Temperatură Dependenţa dintre rezistenţa electrică şi temperatură este liniară, de forma: R = Rref ×1 + TCR ×( T − Tref )  unde:

R este rezistenţa încălzitorului la temperatura T; Rref - rezistenţa la temperatura de referinţă; TCR - coeficientul de variaţie al rezistenţei cu temperatura al microîncălzitorului

calculat din panta graficelor de mai sus; T - temperatura încălzitorului în decursul experimentului; Tref - temperatura de referinţă de la care se porneşte experimentul de calibrare, şi este între 20 şi 30°C depinzând de condiţiile de operare; Rearanjând termenii, pentru a calcula necunoscuta T :  R   ÷+ 1 Rref ÷   T = Tref + TCR În tabelul 7.3 sunt centralizate valorile coeficienţilor TCR şi ai rezistenţelor fiecăror secţiuni de testare în parte pentru toate cele trei calibrările: Tabelul 7.3 – Valorile coeficienţilor TCR şi ai rezistenţelor R0 Parametru Secţiunea 1 Secţiunea 2 Secţiunea 3 Secţiunea 4 Secţiunea 5 Secţiunea 6 1.12.

Calibrare experiment 1 TCR R0 1.92179493 0.002449 8 0.00269 0.58129297 6 0.00270 0.58162815 7 5 0.00268 0.58288471 8 7 0.00265 0.58261329 7 5 0.00244 1.86116060 3 7

Calibrare experiment 2 TCR R0 0.00228 2.22468737 8 7 0.00216 0.70053681 4 3 0.00210 0.71082229 7 6 0.00207 0.72643120 9 2 0.00229 0.72612823 1 2 0.00241 2.09611680 0 6

Calibrare experiment 3 TCR R0 0.00273 1.775085817 0 0.00273 0.51141858 2 0.00268 0.508633591 9 0.00272 0.508967787 2 0.00271 0.509940073 5 0.00267 1.642798936 9

Standul experimental

Standul experimental pentru fierberea nanofluidelor este format din următoarele componente:

- 32 -

-

Microîncălzitor şi bazin de fierbere. Acesta este format dintr-o lamelă de sticlă pe

care s-a depus un strat subţire de aur (figura 3.12). Prin acest strat de aur trece un curent electric, având rolul de a încălzi fluidul până când acesta fierbe. Cu ajutorul acestuia se determină şi temperatura pereţilor microîncălzitorului. Bazinul de fierbere este un paralelipiped dreptunghic cu dimensiunile 2cm x 2cm realizat din plastic (figura 3.13). Grosimea pereţilor acestuia sunt 2mm iar înălţimea 5mm. Corespunzător acestor date rezultă un volum maxim fluid care poate fi testat de 1,28cm3. Totuşi, în timpul fierberii, din cauza formării bulelor nu se poate folosi acest volum, de aceea s-a folosit, pentru fiecare experiment, câte 1cm3 de soluţie.

Figura 3.12 - Microîncălzitorul

Figura 3.13 - Bazin de fierbere Pentru a preveni scurgerile de fluid printre bazinul de fierbere şi suprafaţa microîncălzitorului (figura 3.14.a) s-au folosit 4 şuruburi de prindere cu piuliţă şi şaibe şi două plăcuţe de plexiglas (figura 3.14.b).

- 33 -

a)

b)

Figura 3.14 - Microîncălzitorul şi bazinul de fierbere fără şi cu prindere între ele. Pentru a susţine conexiunile electrice ale microîncălzitorului, s-a folosit o plăcuţă de textolit, în care au fost perforate găuri cu diametrul aproximativ egal cu cel al conductoarelor de legătură (figura 3.15).

Figura 3.15 - Utilizarea plăcuţei de textolit pentru susţinerea conexiunilor electrice În decursul unui experiment s-a testat capacitatea de rezistenţă la căldură a microîncălzitorului. Prima dată, acesta, cu lipiturile electrice realizate, s-a aşezat pe placa termică, şi s-a crescut treptat temperatura. S-a observat că lipiturile realizate cu indiu se topesc la temperatura de 180°C. Într-un alt experiment s-a testat acelaşi lucru, dar ca sursă de căldură s-a folosit microîncălzitorul. Acesta s-a supus la o creştere treptată a puterii aplicate pe secţiunea lui de testare. S-a observat că primul lucru care a cedat a fost lamela de sticlă, la o putere aplicată circuitului de 3,16W, circuitul fiind înseriat şi cu rezistenţa cu valoare cunoscută de 3,5Ω. Calculând puterea aplicată numai microîncălzitorului obţinem o valoare de 1,69W. -

Unitatea de achiziţie de date modelul Agilent 34970A – folosită pentru

comunicarea calculatorului cu restul componentelor. Prin intermediul programului LabVIEW instalat pe calculator, se generează o tensiune pe unul dintre canalele acestei unităţi , care este aplicată sursei de curent continuu. Pe alte şase canale analogice se citesc căderile de tensiune corespunzătoare secţiunilor de testare ale microîncălzitorului. Pentru a putea trimite o valoare a unei măsurători către calculator, se aşteaptă atingerea stării de echilibru a fluidului, iar apoi se efectuează un număr de zece măsurători, calculându-se media aritmetică şi abaterea standard a fiecărei valoare. Cele din urmă valori sunt cele trimise către calculator. Între fiecare două valori trimise către calculator se aşteaptă câte o secundă, pentru a urmării

- 34 -

evoluţia în timp a sistemului. Eroarea de măsură maximă admisă de acest aparat este de 0,01%. -

Sursa de curent continuu E3617A este folosită în acest experiment deoarece

unitatea de achiziţie de date nu poate furniza puterea necesară microîncălzitorului. Tensiunea generată de canalul analogic al unităţii de achiziţie date controlează sursa de curent continuu, care amplifică această tensiune de şase ori. Pentru a nu pune în scurtcircuit bornele sursei, se înseriază în circuit o punte formată din două rezistenţe cu valori cunoscute. Acestea sunt aşezate într-o placă de legătură, fiind legate în paralel. Valoarea măsurată a rezistenţei electrice a punţii este de 3.5Ω. Astfel, borna pozitivă a sursei, este legată la un capăt al plăcii de legătură. La celălalt capăt, prin intermediul unui fir multifilar de cupru cu secţiunea de 1mm2 este cositorit unul din firele subţiri de aur care alimentează microîncălzitorul. Borna negativă a sursei este legată la celălalt capăt al acestuia tot printr-un fir multifilar de cupru lipit cap la cap cu unul de aur. Eroarea maximă admisă a acestui aparat este de 1%. -

Indicatorul de temperatură modelul SR630 a fost folosit pentru a monitoriza

temperaturile din circuit. Acestea s-au măsurat cu două termocuple tip E, una dintre ele fiind în contact cu lamela de sticlă, iar cealaltă cu fluidul din bazinul de fierbere. Pentru a micşora rezistenţele termice de contact s-a utilizat un strat de pastă între termocuplă şi suprafaţa lamelei de sticlă. Eroarea maximă de măsură a acestui aparat, din specificaţiile producătorului este de 0,01%. -

Placa termică model Fisher Scientific a fost utilizată în timpul experimentelor de

calibrare cu scopul de a ridica temperatura microîncălzitorului pentru a trasa caracteristica de variaţie a rezistenţei electrice cu temperatura. În experimentele de fierbere aceasta a fost utilizată doar ca suport pentru microîncălzitor. -

Nanofluidele utilizate au fost ţinute în eprubete de plastic închise etanş cu capac.

Înaintea fiecărui experiment, acestea au fost reintroduse pentru 5 minute în baia de ultrasunete pentru a se dispersa eventualele depuneri de nanotuburi de carbon.

- 35 -

-

S-a folosit ca fir de legătură aurul Figura 3.16 - Standul experimental de testare al fierberii nanofluidelor

- 36 -

4. Rezultatele experimentale şi dezbaterea datelor 1.13.

Dinamica bulelor

Dinamica creşteri bulelor este de o importanţă fundamentală în fenomenul fierberii nucleice. Pentru a realiza un studiu asupra dinamicii de creştere a bulelor s-au analizat o serie de poze realizate în timpul desfăşurării experimentelor de fierbere a nanofluidelor. Evenimentele urmărite au fost: formarea bulelor, creşterea şi ridicarea acestora. O dată cu creşterea temperaturii suprafeţei încălzitorului, creşte şi raza bulelor. Prima dată, la o temperatură mică a peretelui, rata de creştere este determinată de tensiunile de suprafaţă şi de forţele inerţiale ale lichidului înconjurător. La o temperatură mai mare dinamica bulelor este determinată de procesul de difuzie a călduri. În figura 4.1 este arătat procesul de creştere a bulelor observat în timpul unui experiment de fierbere în baie de lichid. Acesta porneşte prin apariţia primelor centre de nucleaţie (a), odată cu creşterea temperaturii peretelui, bulele cresc în volum, unele dintre ele ridicându-se la suprafaţă (b). Creşterea în continuare a temperaturi duce la creşterea numărului de centre de nucleaţie (c). Acestea se unesc şi formează pungi de gaz cu dimensiuni din ce în ce mai mari (d,e), până când generarea stabilă de vapori formează o pernă între suprafaţa încălzitorului şi fluid. În acest punct s-a atins fierberea peliculară sau în film. Diametrul bulelor, atunci când se ridică, se poate aproxima, la presiunea atmosferică, la o fierbere a unui lichid aflat la saturaţie, cu corelaţia lui Cole şi Rohsenow: 5

 g ( ρl − ρv ) ×Db2  '  ρl ×c p ×Tsat  4   = Cd   σ  ρv ×hlv    2 unde: g este acceleraţia gravitaţională în  N / s  ;

ρl , ρv - Densităţile lichidului, respectiv vaporilor în  kg / m3  ; Db - Diametrul hidraulic la fierbere în [ m ] ;

σ - Tensiunea superficială în [ N / m ] ; Cd' - Coeficient în funcţie de fluid şi este 1.5 × 10-4; c p - Căldura specifică a apei în [ kJ / kg ×°C ] ; Tsat - Temperatura de saturaţie în [ °C ] ; hlv - Entalpia fluidului în [ J / kg ] .

- 37 -

Înlocuind parametrii în formulă, şi calculând ecuaţia, se obţine valoarea diametrului la care bulele încep să se ridice, într-o fierbere în care fluidul se află la temperatura de saturaţie. Această valoare obţinută este 1,3mm.

a)

b)

c)

d)

e) Figura 4.1 - Procesul de creştere şi ridicare al bulelor de pe suprafaţa microîncălzitorului

- 38 -

1.14.

Rezultatele experimentale şi concluzii asupra acestora

În graficele din figura 4.2 este arătată variaţia puterii disipate pe fiecare secţiune ca o funcţie a curentului electric prin circuitul electric. Ele demonstrează o încălzire relativ uniformă pentru toate secţiunile microîncălzitorului.

Experiment 1 - Etilen Glicol 0.9

I]

0.6

urentlpisc C

0.7

ţiune[

0.8

Secţiunea 1

0.5

Secţiunea 2

0.4

Secţiunea 3

0.3

Secţiunea 4

0.2

Secţiunea 5 Secţiunea 6

0.1 0.0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

Puterea aplicată fiecărei secţiunii [W]

Experiment 2 - Nanoparticule 5% 0.8

I]

0.6

ţiune[

0.7

0.5

Secţiunea 1

0.4

Secţiunea 2 Secţiunea 3

urentlpisc C

0.3

Secţiunea 4

0.2

Secţiunea 5

0.1

Secţiunea 6

0.0 0

0.5

1

1.5

Puterea aplicată fiecărei secţiunii [W]

- 39 -

2

Experiment 3 - Nanoparticule 1% 0.8

I]

0.6

ţiune[

0.7

0.5

Secţiunea 1

0.4

Secţiunea 2 Secţiunea 3

urentlpisc C

0.3

Secţiunea 4

0.2

Secţiunea 5

0.1

Secţiunea 6

0.0 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Puterea aplicată fiecărei secţiunii [W]

Experiment 1-3 0.9

I]

0.6

urentlpisc C

0.7

ţiune[

0.8

Exp 1 - S1

0.5

Exp 1 - S2

0.4

Exp 2 - S1

0.3

Exp 2 - S2

0.2

Exp 3 - S1 Exp 3 - S2

0.1 0.0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

Puterea aplicată fiecărei secţiunii [W] Figura 4.2 - Variaţia puterii disipate pe fiecare secţiune versus curentul electric prin circuitul electric În primele trei grafice se poate observa că panta secţiunilor 1 şi 6 are valoare mai mică deoarece decât a celorlalte secţiuni. Acest lucru se întâmplă deoarece lungimea acestor

- 40 -

tronsoane este mai mare, şi prin urmare valoarea rezistenţelor electrice este la fel. La acelaşi curent trecut prin secţiunea de testare, va rezulta o putere mărită a circuitului. Dar datorită ariei secţiuni, care este mai mare decât pe celelalte tronsoane, ele vor ceda un flux termic unitar mai mic fluidului, fierberea propriu-zisă realizându-se pe secţiunile 2-5. În ultimul grafic este arătată o comparaţie între aceleaşi două secţiuni ale microîncălzitorului din cele trei experimente realizate. Primul şi al doilea experiment au fost realizat cu un microîncălzitoare noi. În al treilea experiment s-a folosit încălzitorul din experimentul doi. Se observă că rezistenţa electrică a primei secţiunii se modifică, lucru datorat fierberii nanofluidelor. În timpul fierberii, nanotuburi de carbon s-au depus pe suprafaţa microîncălzitorului, ceea ce duce la o scădere a rezistenţei electrice. Depunerea acestora a mărit suprafaţa de contact dintre nanofluid şi încălzitor ducând la un transfer de căldură mai bun. În continuare sunt trasate graficele variaţiei fluxului termic unitar în funcţie de temperatură pentru toate cele trei experimente, cât şi comparaţia acestora pe fiecare secţiune de testare.

Experiment 1 - Etilen Glicol 350 C]

300 °

Figura 4.4

250

Secţiunea 1

200 180 165 150

Secţiunea 2 Secţiunea 3 Secţiunea 4

100 pratuli[ em T

Secţiunea 5 Secţiunea 6

50 0 0

100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 800000 Flux termic unitar prin secţiune [W/m2 ]

Figura 4.3 - Variaţia fluxului unitar în funcţie de temperatura peretelui pentru experimentul 1, folosind numai etilen-glicol În graficul pentru primul experiment, în care s-a folosit etilen glicol, se poate vedea că secţiunile de testare 2-5 au o evoluţie liniară până când temperatura peretelui este de

- 41 -

aproximativ 165°C, corespunzând zonei I de fierbere prin convecţie naturală pe diagrama Nukiyama. De la această temperatură se trece la fierberea nucleică fluidului (zona II), unde fluxul termic unitar transmis de la perete la fluid îşi măreşte valoarea. Începând cu temperatura de 180°C pe suprafaţa microîncălzitorului încep să se formeze bule de vapori.

Experiment 1 - Etilen Glicol 230 C]

8

°

5

210

4

190 pratuli[ em T

2

6

7

Secţiunea 3

3

Secţiunea 4

1

170 250000

Secţiunea 2

Secţiunea 5 300000

350000

400000

Flux termic unitar prin secţiune [W/m2 ] Figura 4.4 Porţiune din graficul anterior (q” x T) Pentru a studia mai bine procesul de fierbere nucleică s-a ales o porţiune din graficul anterior care s-a mărit şi împărţit în mai multe secţiuni. La începutul primei secţiuni se poate observa pe tronsoanele 2, 3 şi 5 apariţia primelor bule de vapori evidenţiate prin creşterea mai accentuată a temperaturi peretelui, deoarece coeficientul de transfer termic al vaporilor este mai mic decât al lichidului. Bulele formate, cresc în volum până ating diametrul critic, fapt care determină ridicarea acestora la suprafaţa lichidului (secţiunea doi). Pe porţiunea treipatru a graficului se poate observa că secţiunile de testare 4 şi 5 ale microîncălzitorului coincid atât ca flux termic unitar cedat de încălzitor către fluid cât şi ca temperatură a peretelui. Acest lucru înseamnă de fapt că pe aceste secţiuni, centrele de nucleaţie s-au unit formând unul singur, cu producţie continuă de vapori. Pe porţiunea cinci-şase, în secţiunea 5 a microîncălzitorului se observă o cădere bruscă a temperaturii peretelui, ceea ce de fapt reprezintă închiderea centrului respectiv de nucleaţie şi înlocuirea masei de vapori cu una de lichid, care reduce temperatura suprafeţei. Pe porţiunea 7-8 se poate observa creşterea bruscă

- 42 -

a temperaturi peretelui, ca urmare a începerii fierberii peliculare, unde volume de lichid se află în stabilitate, suspendate deasupra unor pături de vapori.

Experiment 2 - Nanoparticule 5% 400 C]

350 °

300 250

Secţiunea 1

200

Secţiunea 2 Secţiunea 3

pratuli[ em T

150

Secţiunea 4

100

Secţiunea 5

50

Secţiunea 6

0 0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

700000

Flux termic unitar prin secţiune [W/m2 ] Figura 4.5 - Variaţia fluxului unitar în funcţie de temperatura peretelui pentru experimentul 2, folosind nanofluid de concentraţie 5% nanotuburi de carbon

Experiment 3 - Nanoparticule 1%

C]

300 250

°

200

Secţiunea 1 Secţiunea 2

150

Secţiunea 3 Secţiunea 4

pratuli[ em T

100

Secţiunea 5 50

Secţiunea 6

0 0

100000

200000

300000

400000

500000

Flux termic unitar prin secţiune [W/m2 ] Figura 4.6 - Variaţia fluxului unitar în funcţie de temperatura peretelui pentru experimentul 3, folosind nanofluid de concentraţie 1% nanotuburi de carbon - 43 -

În figurile 4.5 şi 4.6 sunt reprezentate variaţia puterii fluxului unitar în funcţie de temperatura peretelui pentru experimentul 2, în care a fost folosit nanofluidul de concentraţie 5% nanotuburi de carbon, şi pentru experimentul 3 în care concentraţia a fost de 1%. Se poate observa că secţiunile terminale 1 şi 6 nu au avut un rol efectiv în fierberea nanofluidului, deoarece fluxul termic pe unitatea de suprafaţă a fost mai mic decât cel al secţiunilor de testare 2-5. Totuşi în figura 4.5, se poate observa un flux termic mărit pe secţiunea 6, faţă de celelalte secţiuni marginale. Acest lucru se datorează faptului că acest tronson a fost mai aproape de marginea bazinului de fierbere, micşorând astfel volumul de lichid care putea prelua fluxul termic generat de acesta. Datorită unu timp foarte scurt dedicat acestui experiment, nu s-au putut obţine nişte soluţii coloidale stabile. După un timp relativ scurt nanofluidele segregau, formând aglomerări vizibile de nanoparticulele. Începerea fierberii nanofluidelor a reprezentat un important factor în mărirea vitezei de adunare a nanotuburilor de carbon. Astfel după cum se vede în graficul 8.5, cât şi în graficele care urmează 8.7-8.11 în experimentul 2, în care s-a folosit un nanofluid cu concentraţia de 5mg de nanotuburi de carbon se pot observa la o temperatură a peretelui între 150-200°C nişte „căderi” ale graficului care, după părerea noatrănh înseamnă de fapt conglomerarea particulelor, deci separarea nanofluidului în fluidul de bază şi grupuri de nanotuburi de carbon. Experiment 1 - Etilen Glicol

C]

300 250

°

200 150

Experiment 1 Experiment 2

pratuli[ em T

100

Experiment 3

50 0 0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

Flux termic unitar prin secţiune [W/m2 ] Figura 4.7 - Variaţia fluxului unitar în funcţie de temperatura peretelui pe secţiunea 2 de testare pentru toate cele trei experimentele - 44 -

700000

Experiment 1 - Etilen Glicol 400 C]

350 °

300

pratuli[ em T

250 200

Experiment 1

150

Experiment 2 Experiment 3

100 50 0 0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

700000

Flux termic unitar prin secţiune [W/m2 ] Figura 4.8 - Variaţia fluxului unitar în funcţie de temperatura peretelui pe secţiunea 3 de testare pentru toate cele trei experimentele

Experiment 1 - Etilen Glicol 350 C]

300 °

250 200 Experiment 1

150

Experiment 2 Experiment 3

pratuli[ em T

100 50 0 0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

Flux termic unitar prin secţiune [W/m2 ] Figura 4.9 - Variaţia fluxului unitar în funcţie de temperatura peretelui pe secţiunea 4 de testare pentru toate cele trei experimentele

- 45 -

700000

Experiment 1 - Etilen Glicol

C]

300 250

°

200 150

Experiment 1 Experiment 2

pratuli[ em T

100

Experiment 3

50 0 0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

700000

Flux termic unitar prin secţiune [W/m2 ] Figura 4.10 - Variaţia fluxului unitar în funcţie de temperatura peretelui pe secţiunea 5 de testare pentru toate cele trei experimentele

Experiment 1 - Etilen Glicol 350 C]

300 °

250 200 Experiment 1

150

Experiment 2 Experiment 3

pratuli[ em T

100 50 0 0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

Flux termic unitar prin secţiune [W/m2 ] Figura 4.11 - Variaţia fluxului unitar în funcţie de temperatura peretelui pe secţiunea 6 de testare pentru toate cele trei experimentele

- 46 -

700000

După cum se poate observa în grafice, elementul de volum ales pentru a fi testat este foarte mic şi orice apariţie a bulelor de vapori influenţează dramatic datele de măsurare. Datorită timpului foarte scurt acordat acestui experiment, nu s-au putut testa diferite alte tipuri de fluide cunoscute, pentru a valida curbele de fierbere obţinute experimental. În derularea experimentului s-a folosit doar un singur tip de fluid de bază, etilen glicol, şi nu s-au putut compara curbele cu cele standard realizate de laboratoare specializate. Pentru verificarea standul experimental ar fi trebuit testate cel puţin două-trei tipuri de fluide şi comparate datele obţinute cu cele din literatură. Soluţiile coloidale obţinute şi utilizate în acest experiment au fost stabile doar pentru un timp relativ mic. Acestea segregau, formând aglomerări vizibile de nanoparticulele, motiv pentru care datele experimentale obţinute ar putea să fie viciate. Un alt detaliu important al executării acestui experiment este refolosirea microîncălzitorului pentru cele două experimente în care s-au folosit nanofluide. Condiţiile din laborator nu au permis un control absolut al curăţeniei suprafeţei respective ceea ce de asemenea ar fi putut influenţa datele obţinute.

- 47 -

Bibliografie 1. Nanofluide [1.] Choi S.U.S., Îmbunătăţirea conductivităţii termice a nanofluidelor cu nanoparticule, editura D.A. Singer, HP Wang, New York, 1995; [2.] Eastman J.A., Choi S.U.S., Li S., Yu W., Thompson LJ., Creşterea anormală a conductivităţii termice a nanofluidelor pe bază de etilen-glicol cu ajutorul nanoparticulelor de cupru, Scrisori despre Fizica Aplicată, 2001; [3.] Choi S.U.S, Zhang ZG, Yu W, Lockwood FE, Grulke EA., Îmbunătăţirea anormală a conductivităţii termice în suspensiile cu nanotuburi, Scrisori despre Fizica Aplicată, 2001; [4.] Das S.K., Putra N., Thiesen P., Roetzel W., Dependenţa termică a îmbunătăţirii conductivităţii termice a nanofluidelor, ASME Jurnalul Transferului Termic, 2003; [5.] Patel H.E., Das S.K., Sundararajan T., Nair A.S., George B., Pradeep T., Conductivitatea termică a nanofluidelor cu nanoparticulele de metal cu sau fără strat protector: manifestări ale îmbunătăţirii proprietăţilor termice şi chimice, Scrisori despre Fizica Aplicată, 2003; [6.] You S.M., Kim J.H., Kim K.H. Efectul nanoparticulelor asupra fluxului termic critic al apei în transferul de căldură la fierberea în bazin, Scrisori despre Fizica Aplicată, 2003; [7.] Vassallo P., Kumar R., D’Amico S., Experimente pe transferul de căldură al nanofluidelor dioxid de siliciu-apă la fierberea în bazin, Jurnalul internaţional pe căldură şi masă, 2004; 2. Obţinerea nanofluidelor [1.] Erik TT., Zhifeng R., Tsu WC., Avansări în ştiinţa şi tehnologia nanotuburilor de carbon şi a compozitelor acestora, iunie 2001; 3. Rezultatele experimentale şi dezbaterea datelor [1.] R. Cole şi W. Rosenhow, Corelaţia diametrelor bulelor în timpul ridicării, la fierberea lichidelor saturate, 1969;

- 48 -