ابتكار سعودي يرفع سعة سوائل التبريد الحرارية عبر "موانع نانوية"

يحسن انتقالها بنسبة 60 % مقارنة بالماء النقي مستخدماً موجات صوتية

توصل الباحث عبدالله مناصرة من جامعة الملك فهد للبترول والمعادن، إلى ابتكار يرفع من حجم التبادل الحراري والسعة الحرارية للسوائل المستخدمة في المبادلات الحرارية من خلال معالجتها بموائع نانوية مبتكرة، مستخدماً الموجات الصوتية.

وأكد طالب الدكتوراه في قسم الهندسة الكيميائية "مناصرة"، أن التجربة أثبتت أن معالجة سوائل التبريد بالمادة المبتكرة يجعلها تتفوق على جميع المواد المستخدمة حاليا في تبريد المصانع والمحركات بما فيها الماء النقي وهو ما يعتبر إنجازا علميا فريدا، مشيراً إلى أن الابتكار يساهم في تحسين انتقال الحرارة للسوائل المستخدمة في التبريد بنسبة 65% وزيادة السعة الحرارية للسوائل بمقدار 60 في المائة مقارنة بالماء النقي.

وتتلخص فكرة الابتكار في تطعيم السوائل المستخدمة في التبريد بإضافة موائع معالجة بأجسام نانوية يتم تحضيرها عن طريق إضافة الأنابيب الكربونية متناهية الصغر مطعمة بجزيئات معدنية صغيرة مثل أوكسيد الحديد والألمونيوم.

وذكر "مناصرة"، أن الموائع النانوية هي مواد تم ابتكارها حديثاً نتيجة التطور الذي حصل في الأجهزة المستخدمة في تشخيص المواد التي تصل إلى مستويات متناهية الصغر مثل جهاز المسح السطحي(SEM) وغيرها من الأجهزة.

وأضاف: "هذه الموائع يتم تحضيرها عن طريق إضافة الأنابيب الكربونية متناهية الصغر والمطعمة بالجزيئات المعدنية الصغيرة مثل أوكسيد الحديد والألمنيوم التي يصل قطرها في النانوميتر باستخدام طريقة البلل الكيميائي؛ ذلك حتى نتمكن من تحسين خصائص النقل الحراري للموائع من خلال غمس المواد النانوية في الموائع التقليدية التي تستخدم عادة في عمليات الانتقال الحراري كالماء والزيوت، ونتيجة لذلك يتم الحصول على مزيح متجانس وذات موصلية وسعة حرارية عالية".

وقال: "الدراسة تشتمل على تراكيز حجمية مختلفة للموائع النانوية لا تتجاوز 0.1 % من وزن السائل الكلي"، وأضاف: "التجارب شملت تحضير الموائع النانوية باستعمال جهاز الموجات الصوتية سعة (750 واط، 20 كليوهيرتز) لمدة نصف ساعة مستمرة للحصول على مائع متجانس، كما تم قياس معامل التوصيل الحراري وفي درجات الحرارة التشغيلية للفحوصات (35 إلى 70 درجة مئوية).

وتابع: "تم في هذا البحث، وبعد تطعيم سطح الأنابيب النانونية الكربونية بنسب مختلفة من الأكاسيد (10% و1%)، تشخيص هذه المركبات النانونية للتأكد من انتشار هذه المواد بشكل متجانس باستخدام (Transmission electron microscopy)، كما تمت إضافة هذه المركبات النانونية إلى الماء وذلك من خلال تعريضها لموجات صوتية للحصول على محلول متجانس"؛ حيث تضمنت هذه الدراسة تشخيص وقياس الخصائص الحرارية والفيزيائية كالحرارة النوعية والموصلية الحرارية واللزوجة.

وأوضح: "بعد تشخيص هذه الموائع، تمت ملاحظة زيادة الحرارة النوعية والسعة الحرارية بزيادة نسبة المواد النانونية؛ ذلك من خلال فحصها باستخدام جهاز (Differential scanning calorimetry (على درجات حرارة مختلفة تترواح بين 35 و70 درجة مئوية، وقال إنه وجد أن السعة الحرارية ازدادت بمقدار 60% بالمقارنة مع الماء النقي، كما وجد أن السعة الحرارية تزداد بزياده معدل المعادن المطعمة على الأنابيب الكربونية".

واستكمل: "تمت ملاحظة التصرف الحراري للمائع النانوي وبتراكيز حجمية مختلفة على معامل الانتقال الحراري، معامل التوصيل الحراري، وفعالية وأداء المنظومة مع استعمال المائع الجديد"، مشيراً إلى أنه اكتشف أن مقدار التحسين الحاصل في النسبة بين معامل انتقال الحرارة للمائع النانوي وبين معامل انتقال الحرارة للماء تتراوح بين 25% و30 % لكافة التراكيز.

وأكد أنه تم القيام بتجارب تطبيقية عن طريق استخدام هذه الموائع في المبادل الحراري لدراسة تأثير المواد النانوية على التوصيل الحراري للمبادل الحراري. كما تمت دراسة ثلاثة عوامل رئيسة وهي كمية المواد النانونية ومعدل تدفق المائع ودرجة حرارة المبادل الحراري؛ ذلك لإيجاد أفضل العوامل التي تعطي أعلى توصيل حراري في المبادل الحراري.

واختتم: "معدل التوصيل الحراري ازداد بمقدار 65% مقارنةً مع الماء عند استخدام نسبة قليلة جداً من المادة النانونية لا يزيد وزنها على 0.1%. كما وجد أن فرق الضغط بين أنابيب المبادل الحراري لم يتأثر بوجود الموائع النانونية"، مؤكداً أن هذا المادة المبتكرة ذات أهمية كبيرة للصناعات التي تستخدم التبريد في أنشطتها كما أنها مهمة جداً لتبريد المحركات والمولدات بجميع أنواعها لافتا إلى أن هذا البحث محل اهتمام العديد من الشركات.