Добавка лишь небольшой, но правильной комбинации наночастиц к стандартным смазкам и хладагентам может принести огромные экономии электроэнергии заводам, госпиталям, на кораблях и другим крупным пользователям систем охлаждения. Таков результат недавних исследований в британском Национальном Институте Стандартов и Технологии – NIST (National Institute of Standards and Technology).

Добавки наночастиц в смазки (лубриканты), в основном используемые в комбинации с хладагентами в чиллерах, может способствовать зарождению вторичных пузырей на первичных (уже существующих) пузырях воздуха. Двойной эффект образования пузырей улучшает отдачу тепла кипящей или барботирующей жидкостью и, соответственно, значительно повышает энергетическую эффективность промышленных охлаждающих систем. Эксперименты с различными концентрациями добавок наночастиц показали реальную возможность существенного повышения энергетической эффективности больших промышленных чиллеров. По данным Министерства Энергетики такие системы ответственны за 13% энергии, потребляемой в зданиях и примерно за 9% общей потребляемой энергии в масштабах страны.

Эксперименты исследователя из NIST Марка Кедзиерски (Mark Kedzierski) продемонстрировали ошеломляющие результаты. Добавляя определенное количество наночастиц оксида меди диаметром 30 нм в типичный полиэфирный лубрикант и смешивая его с аналогичным количеством хладагента (R134a) увеличивает теплоотвод на 50–275%.

Результаты работы были представлены на нескольких конференциях и будут опубликованы в одном из ближайших (август-сентябрь) номеров журнала ASME Journal of Heat Transfer. До настоящего времени механизм увеличения трансфера тепла в смеси хладагент/лубрикант при добавке в эту смесь наноматериалов не был до конца понятен. Исследования специалистов NIST могут помочь в обосновании этого эффекта и в понимании его механизма и, в конечном счете, помочь в расчетах оптимальных комбинаций трех компонентов. Как и любая технология, этот процесс имеет и свои недостатки. В частности, добавка недостаточного количества наночастиц или другого их типа приводят к существенному ухудшению эффекта. Исследователи NIST, анализируя результаты экспериментов, рассматривают различные сценарии влияния основных параметров процесса с участием наночастиц на теплоотвод. Очевидно, что наночастицы материалов с высокой теплопроводностью повышают скорость теплопередачи. Предварительные результаты также свидетельствуют о том, что при добавках наночастиц в достаточных количествах, параметры теплоотвода улучшаются за счет более энергичного «кипения» смеси. Маленькие частицы присадки стимулируют образование удвоенного количества пузырей, в частности, вторичных пузырей на поверхности уже существующих, первичных пузырей воздуха. Пузыри уносят тепло от поверхности, и факт того, что они образуются более эффективно и в большем количестве благодаря наночастицам присадки, означает, что тепло отводится быстрее.

По мнению Кедзиерски могут существовать и другие механизмы, интенсифицирующие процесс теплоотвода в данном сценарии.

Успех в оптимизации составов хладагентов, лубрикантов и нанодобавок даст немедленные дивиденды на долгий срок. Если добавки наночастиц не приносят вреда в других аспектах и не влияют на параметры оборудования пока неизвестным образом (что требует дополнительных исследований), высокопроизводительные смеси могут быть использованы в существующих чиллерах с большим экономическим и энергетическим эффектом. И, соответственно, благодаря повышенной экономичности, следующее поколение подобного оборудования будет менее габаритным и более дешевым.