Nanoteknik ger bättre värmeöverföring

Effektivare system för värmeöverföring i värmeväxlare kan bli resultatet av forskning som bedrivs på KTH i Stockholm. Det handlar om så kallade nanofluider – en blandning av vatten, glykol och nanopartiklar.

Nanopartiklar i den vätska som används för värmeväxling kan ge effektivare värmeöverföring. Den teorin lanserades av forskare för några år sedan. Vid institutionen för Energiteknik på KTH testas nu huruvida så kallade nanofluider kan ge den önskade effekten på värmeöverföringen. - Tanken är att man skulle kunna öka värmeöverföringskapaciteten i exempelvis kylning av serverhallar och även kraftkomponenter på tåg som måste kylas. I dessa fall skulle vatten blandat med glykol kunna ersättas med en blandning av vatten-glykol och nanopartiklar, förklarar Björn Palm, professor vid institutionen för Energiteknik. Han utesluter inte att nanopartiklar kan komma att användas i framtidens värmepumpar, exempelvis i bergvärmesystem, både på sekundär- och primärsidan. Det förutsätter att man hittar en optimal blandning som inte ökar viskositeten för mycket. Hittills har dock resultaten inte varit positiva – det man vunnit i ökad grad av värmeöverföring, har ätits upp av ökad viskositet, vilket leder till ökat behov av pumpenergi. - Nanofluider har varit föremål för utredning under lång tid. De första testerna, gjorda i USA för omkring 15 år sedan, visade på mer än en fördubbling av värmeledningstalet redan vid mycket låga koncentrationer som inte påverkade viskositeten. Men vår forskning visar att värmeledningstalet bara ökar med tio eller tjugo procent även om koncentrationen av nanopartiklar går upp till tio procent, säger Björn Palm.

DSC_1137

Riggen där man prövar nanofluidernas egenskaper. Foto: Ingar Lindholm

Problemet är alltså att de högre koncentrationerna av nanopartiklar ger en väsentlig ökning av viskositeten. Så småningom får vätskan en sirapsartad konsistens som sedermera blir till gelé. Viskositeten beror inte bara av valet av partiklar och koncentrationen, utan också av vilka tillsatser som används för att hålla nanopartiklarna flytande i vätskan. Forskarna har dock inte gett upp försöken att få till en nanofluid med vatten-glykol och nanopartiklar, som kan användas i exempelvis värmepumpsammanhang. Arbetet är en del av ett EU-projekt kallat Nanohex.

Bubblors tillväxt Vid institutionen pågår också forskning om värmeöverföring i förångare. Speciellt studeras bubblors tillväxt i smala kanaler. För att kunna se vad som händer i kanalerna används glasrör belagda med indium-tenn-oxid (ITO), vilket ger ett elektriskt ledande skikt som är genomskinligt. ITO är en viktig komponent i LCD- och plasmaskärmar och deponeras som en "tunn film" på ett glas. Vid forskningen på förångare har ITO deponerats på utsidan av ett glasrör. Genom skiktet leds en svag elektisk ström som värmer röret, varvid köldmediet som strömmar i röret börjar koka. Genom att glaset och skiktet är genomskinliga kan man med en höghastighetskamera studera bubblornas tillväxt. På så sätt kan det gå att ta reda på vad som händer inne i andra typer av värmeväxlare, till exempel i de tunna aluminiumvärmeväxlare som institutionen arbetat med i flera år.

Bilköldmedium i värmepumpen Jakten på allt miljövänligare köldmedier fortsätter. Som ersättning för det ozonskadande köldmediet CFC 12 kom för några år sedan HFC 134a, som dock hade den nackdelen att det bidrog kraftigt till växthuseffekten. För bilindustrin har det funnits krav på att ersätta HFC 134a med något miljövänligare, vilket lett till utvecklingen av ytterligare ett nytt köldmedium HFO1234yf (hydro-fluoro-olefin), som sägs ha en mycket låg växthuseffekt. Just detta köldmedium, som är lite instabilt på grund av sin kemiska sammansättning, ses som ett alternativ inom bilindustri och även för värmepumpändamål. I ett EU-projekt (inom det sjunde ramprogrammet) deltar därför institutionen för Energiteknik, tillsammans med ett tiotal europeiska partners, för att utveckla miljövänliga värmepumpslösningar där HFO1234yf är ett alternativt köldmedium. Förutom institutionen för Energiteknik ingår tyska Fraunhofer-institutet, österrikiska Austrian Institute of Technology, kompressortillverkaren Emerson och svenska aluminiumtillverkaren Sapa. Målet är att använda aluminiumvärmeväxlare med smala rör, av den typ som numera används inom bilindustrin, även för luftkonditionering.

Optimerar systemen Det finns också ett EU-program kallat NxtHPG (Next Heat Pump), som omfattar forskning kring användning av koldioxid och propan i värmepumpar. I projektet deltar förutom institutionen för Energiteknik även Danfoss, universiteten i spanska Valencia och schweiziska Lausanne, italienska och spanska värmepumptillverkare, norska NTNU samt Alfa-Laval. - Tanken är att vi i båda dessa EU-projekt ska testa och optimera alla systemets komponenter. Det kan innebära försök med bättre elmotorer, hur skrollkompressorerna kan göras bättre, hur tunna platta kanaler i värmeväxlaren ska kunna optimeras. Det kan också handla om hur nya typer av flänsar och beläggning av värmeväxlarytor ska utformas. Kan man sedan utforma någon typ av gratis avfrostning genom underkylning vore det bra.

Mark Kretz, Energi & Miljö nr 2/2013 sidan 40-41

 

  • FAKTA:  Testar olika nanopartiklar Ett flertal typer av nanopartiklar i olika storlekar (från femtio till ett par hundra nanometer i diameter) har testats vid institutionen för Energiteknik. De senaste och de som har gett bäst resultat är aluminiumoxid (Al2O3) och kiselkarbid (SiC). Enligt professor Björn Palm har storleken inte haft någon avgörande betydelse för värmeledningstalet under testerna av de olika partiklarna.