Nanofluidi: la nuova generazione di fluidi termovettori

La buona riuscita di un nanofluido richiede modalità di preparazione opportune, nonché tecniche specifiche per migliorare la stabilità delle sospensioni nanometriche

nanofluidi

di Gianluca Coccia

(Rinnovabili.it) – L’efficienza dei sistemi energetici che prevedono l’uso di fluidi termovettori può essere migliorata agendo su diversi aspetti, e tra questi vi è sicuramente la possibilità di adoperare fluidi con proprietà termofisiche migliorate, in particolare la conducibilità termica. Come noto, infatti, fluidi ad elevata conducibilità termica permettono di incrementare il coefficiente di scambio termico convettivo tra il fluido stesso e le superfici di scambio termico del sistema energetico, e questo consente di incrementare l’efficienza complessiva. È possibile incrementare la conducibilità termica di un fluido disperdendo in esso sospensioni nanometriche di particelle solide di varia natura. Si parla, in questo caso, di nanofluido, ovvero di una miscela formata da un fluido di base (acqua, glicole etilenico, glicole propilenico, olio diatermico, ecc.) e particelle a dimensione nanometrica (nanoparticelle). Le particelle possono consistere in: ossidi metallici (Al2O3, CuO, Fe2O3, TiO2, ZnO, …), metalli (Cu, Ag, Au, …), ma anche materiali ceramici o basati sul carbonio, come ad esempio i nanotubi di carbonio (CNT, carbon nanotubes) o i nanocorni di carbonio (CNH, carbon nanohorns). Negli ultimi anni si è anche assistito alla valutazione sperimentale e numerica di nanofluidi cosiddetti “ibridi”, ovvero che includono sospensioni formate da nanoparticelle diverse, per esempio Al2O3 + CuO.

Lo studio del miglioramento delle proprietà di scambio termico di un fluido, ed in particolare della conducibilità termica, è condotto da più di un secolo. Già Maxwell, alla fine del XIX secolo, valutò come la conducibilità di un fluido variava con l’aggiunta di sospensioni di particelle solide di scala millimetrica e micrometrica. Con particelle di queste dimensioni, il fenomeno della sedimentazione sarà difficile da evitare e questo potrà causare non solo un aumento della resistenza per attrito, ma anche possibilità di erosione. È questo il motivo per cui lo studio delle sospensioni di particelle solide è rimasto piuttosto limitato nel secolo scorso. Grazie allo sviluppo della nanotecnologia, che ha permesso di ridurre la dimensione media delle particelle (tipicamente, al di sotto dei 100 nm), lo studio dei nanofluidi ha assunto un’importanza sempre più rilevante, in quanto è stato possibile migliorare la stabilità delle sospensioni e al tempo stesso incrementare l’entità dello scambio termico, anche grazie ad una maggiore superficie di scambio data dall’uso delle nanoparticelle stesse.

Secondo diversi studi, sono sufficienti anche basse concentrazioni di nanoparticelle per migliorare in modo significativo la conducibilità termica del fluido termovettore. Il miglioramento delle proprietà di scambio termico è dovuto alla presenza di diversi meccanismi che possono anche influenzarsi a vicenda, tra cui: miglioramento dovuto all’incremento di portata massica elaborata, che permette una collisione più frequente tra le nanoparticelle e le pareti delle superfici, nonché una migliore miscelazione tra particelle e fluido; miglioramento dovuto al moto browniano delle nanoparticelle; miglioramento dovuto alla riduzione dello spessore dello strato limite tra particelle e fluido; miglioramento dovuto all’incremento di temperatura, che si riflette in un aumento della conducibilità termica del nanofluido e nella diminuzione della sua viscosità dinamica.

Le applicazioni che possono trarre vantaggi dall’utilizzo di nanofluidi sono innumerevoli. Tra queste, vi sono la produzione di energia elettrica, il settore delle costruzioni, l’industria automobilistica, l’industria aerospaziale, il settore della difesa, l’elettronica, la tribologia, la ricerca biomedicale e la biotecnologia. Per quanto riguarda i sistemi energetici, i nanofluidi potrebbero essere usati con profitto in applicativi come la climatizzazione dell’aria, gli scambiatori di calore, i tubi di calore (heat pipes), i dispositivi di raffreddamento delle apparecchiature elettroniche e i collettori solari. In merito a questi ultimi, la ricerca ha valutato sia l’utilizzo di nanofluidi in collettori solari “tradizionali”, ovvero che utilizzano una superficie metallica assorbente per trasferire l’energia solare al fluido termovettore (per mezzo della modalità di scambio termico convettivo tra superficie e fluido), sia l’utilizzo di nanofluidi nei cosiddetti collettori solari ad assorbimento diretto (DASC, direct asbsorption solar collectors), dove la superficie metallica è sostituita con un ricevitore trasparente e l’assorbimento dell’energia solare è effettuato direttamente dalle nanoparticelle. In questo ultimo caso, è importante che le nanoparticelle abbiano un elevato coefficiente di assorbimento nello spettro solare, e l’utilizzo di nanoparticelle ibride consente in genere di estendere tale assorbimento su un intervallo più esteso di lunghezze d’onda.

La buona riuscita di un nanofluido richiede modalità di preparazione opportune, nonché tecniche specifiche per migliorare la stabilità delle sospensioni nanometriche. I nanofluidi possono essere sintetizzati con un metodo a singolo passaggio (single-step method) o con un metodo a doppio passaggio (double-step method). Il primo metodo è più complicato e costoso, in quanto richiede simultaneamente la sintesi e la dispersione delle nanoparticelle nel fluido di base, ma consente di realizzare nanofluidi con prestazioni maggiori, specie quelli a base di metalli, che sono soggetti ad ossidazione. Il metodo a doppio passaggio, che è usato diffusamente per la realizzazione di nanofluidi a base di ossidi metallici, prevede invece la preparazione delle nanoparticelle tramite vari meccanismi chimico-fisici, e poi la loro successiva dispersione nel fluido di base. Come si può intuire, questa seconda tecnica è più economica ma può dar luogo all’aggregazione delle nanoparticelle. Per questo motivo, vengono aggiunti solventi o si regola il pH della soluzione per evitare la formazione di aggregati che possono penalizzare le prestazioni di scambio termico.

In aggiunta ad una corretta preparazione, è importante che i nanofluidi restino stabili nel tempo, ovvero che le nanoparticelle non si aggreghino tra loro e non sedimentino. A tal fine, si può ricorrere a metodi di tipo chimico oppure fisico. I metodi chimici, come accennato in precedenza, consistono nell’uso di tensioattivi e nella regolazione del pH. I metodi fisici, invece, includono l’agitazione ultrasonica, l’omogeneizzazione e la macinatura. Allo stato attuale, non esiste una procedura universalmente riconosciuta per verificare la stabilità di un nanofluido. Secondo diversi ricercatori, la stabilità sarebbe correlata al valore del parametro chiamato potenziale zeta, definito come la differenza di potenziale elettrico tra la superficie delle nanoparticelle e lo strato del fluido di base che si trova a contatto con le particelle stesse. Si ritiene che nanofluidi con elevati valori assoluti del potenziale zeta, nell’intervallo 40-60 mV, possano essere considerabili stabili.

Come per qualsiasi fluido termovettore, le proprietà termofisiche fondamentali che caratterizzano un nanofluido sono densità, calore specifico, conducibilità termica e viscosità dinamica. Le prime due sono semplici da valutare, in quanto si possono stimare con ottima precisione effettuando medie pesate con le concentrazioni in volume ed in massa, rispettivamente. Conducibilità e viscosità, invece, sono estremamente complesse da valutare, in quanto ad oggi non è ancora del tutto chiara la fenomenologia fisica alla base delle due proprietà. Come si può immaginare, questo ha portato ad una letteratura scientifica vastissima sul tema, ed in particolare a valutazioni sia di tipo sperimentale che numerico; sono numerosissime le correlazioni di tipo empirico o semi-empirico proposte per stimare la conducibilità termica e la viscosità dinamica di svariati tipi di nanofluido. Come noto, la conducibilità termica è definita come la misura della capacità di una certa sostanza a condurre calore. Per quanto riguarda i nanofluidi, molti autori sono concordi nel ritenere che questa proprietà sia influenzata dal tipo di nanoparticella (materiale, diametro medio, forma), dal tipo di fluido di base, dal pH, dai tensioattivi usati ed ovviamente dalla temperatura. Quest’ultima grandezza influenza in modo significativo la conducibilità, in quanto a temperature più elevate essa tende ad aumentare.

A titolo di esempio, il modello più semplice disponibile per valutare la conducibilità termica di un nanofluido è quello proposto da Maxwell citato in precedenza, che come detto vale a rigore solo per sospensioni millimetriche e micrometriche. Seppur non valido a rigore per i nanofluidi, il modello di Maxwell stima in modo accettabile la conducibilità di molti di essi, specie quando la concentrazione in volume non è elevata. Da un punto di vista sperimentale, la conducibilità termica di un nanofluido può essere misurata tramite apparati diversi, ad esempio tramite misure in transitorio a filo caldo, misure in regime stazionario con piastre parallele e con la tecnica di oscillazione della temperatura. La prima tecnica è quella più diffusa in letteratura, essendo generalmente più accurata in quanto consente di eliminare l’errore dovuto alla componente convettiva naturale.

La viscosità dinamica è la proprietà termofisica di un fluido correlata alla resistenza che esso esercita alla sua deformazione, ed è definita attraverso il rapporto tra lo sforzo di taglio ed il gradiente di velocità. Secondo le valutazioni di alcuni autori, i nanofluidi possono essere considerati fluidi newtoniani (ovvero con viscosità indipendente dallo sforzo tangenziale) se la concentrazione in volume di nanoparticelle è inferiore al 13%. Contrariamente alla conducibilità, la viscosità dinamica dei nanofluidi diminuisce all’aumentare della temperatura e può essere misurata con viscosimetri a tubo capillare, vibro-viscosimetri o reometri rotazionali. Anche per questa proprietà sono state proposte numerose correlazioni in letteratura.

Si riporta di seguito il modello proposto da Einstein all’inizio dello scorso secolo, valido per sospensioni di particelle sferiche. Il modello di Einstein, seppur molto semplice, si trova in buon accordo con i dati sperimentali nel caso di nanofluidi a bassa concentrazione di nanoparticelle.

Ad oggi, non sono ancora disponibili sul mercato sistemi energetici a base di nanofluidi, in quanto vi sono diverse problematiche da risolvere. Tra quelle più critiche, vale la pena citare il mantenimento della stabilità sul lungo periodo, nonché il fatto che l’aumento di viscosità dovuto alla presenza di nanoparticelle aumenti l’esborso energetico delle pompe di circolazione ed i problemi di erosione delle superfici di scambio termico. Va inoltre tenuto conto del fattore sicurezza, in quanto l’effetto che le nanoparticelle potrebbero avere sulla salute umana non è ancora del tutto chiaro. A questo va aggiunto il fattore economico: la preparazione dei nanofluidi è ancora oggi un processo piuttosto costoso e non facilmente realizzabile su scala industriale, specie riguardo la preparazione a singolo passaggio.

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