افزایش قدرت خنک‌کنندگی روغن با استفاده از گرافن

انباشتگی حرارت در تجهیزات توزیع و انتقال قدرت امری اجتناب ناپذیر است. این موضوع ناشی از اتلاف انرژی است و می‌تواند منجر به فرسودگی زودرس و نهایتاً خرابی تجهیزات گردد. لذا دفع حرارت انباشته شده ضروری به نظر می‌رسد. یکی از متداول‌ترین روش‌ها، استفاده از گردش مایعات خنک‌کننده است. امروزه، چندین میلیارد لیتر از روغن‌های خنک‌کننده در سراسر جهان جهت خنک کردن تجهیزات الکتریکی نظیر ترانسفورماتورها استفاده می‌شود. بااین‌حال، روغن‌ها خواص ترموفیزیکی کافی از خود نشان نمی‌دهند که این امر موجب محدود شدن قدرت خنک‌کنندگی آن‌ها می‌شود.
به گفته‌ی مهندس سید امیرحسین عارف، در طرح پیش رو از اکسید گرافن به‌منظور بهبود خواص ترموفیزیکی و خنک‌کنندگی روغن‌های خنک‌کننده استفاده شده است.
روغن‌های بهینه‌شده به‌وسیله‌ی اکسید گرافن، میزان انتقال حرارت و بنابراین قابلیت خنک‌کنندگی بالایی از خود بروز میدهند؛ به‌علاوه میزان مصرف روغن با استفاده از روغن بهبود یافته کاهش یافته و عمر تجهیزات افزایش می‌یابد.
عارف در رابطه با سازوکار اثر نانوذرات اکسید گرافن بر خواص روغن گفت: «علت افزایش ضریب هدایت حرارتی را می‌توان با پدیدههایی همچون حرکت براونی نانوذرات، تشکیل فیلم نازک در سطح مشترک مایع و نانوذرات و طبیعت انتقال حرارت در نانوذرات اکسید گرافن مرتبط دانست. به‌علاوه، بالا بودن سطح ویژه‌ی نانوذرات دوبعدی نظیر گرافن و مشتقات آن می‌تواند دلیل مضاعفی بر توجیه افزایش ضریب هدایت حرارتی باشد.»
این محقق افزود: «در این تحقیق ابتدا با روش هامرز در شرایط بهینه نانوذرات اکسید گرافن سنتز شدند. سپس به‌منظور سازگاری بیشتر نانوذرات با روغن پایه، سطح نانوذرات با گروه‌های عاملی آلکیل دار اصلاح شد. پس از سنتز و اصلاح، نانوذرات با استفاده از امواج فراصوت در روغن پایه پراکنده شدند. در نهایت خواص روغن شامل مقاومت الکتریکی، ضریب اتلاف الکتریکی، ضریب گذردهی نسبی، ویسکوزیته و ضریب هدایت حرارتی مورد ارزیابی قرار گرفتند.»
نتایج آزمون‌های انجام شده نشان می‌دهد که افزودن نانوذرات به میزان ۰/۱۵ درصد وزنی موجب افزایش ۷ درصدی ضریب هدایت حرارتی روغن می‌شود.
این تحقیقات از تلاش‌های سید امیرحسین عارف- دانش‌آموخته‌ی مقطع کارشناسی ارشد دانشگاه تبریز- مرحوم پروفسور علی‌اکبر انتظامی و دکتر حمید عرفان نیا- اعضای هیأت علمی دانشگاه تبریز- و دکتر اسماعیل زمین‌پیما- عضو هیأت علمی دانشگاه قزوین- حاصل شده است. نتایج این کار در مجله‌ی Journal of Material Scienceبا ضریب تأثیر ۲/۳۰۲ (جلد ۱۷، شماره‌ی ۵، سال ۲۰۱۷، صفحات ۲۶۴۲ تا ۲۶۶۰) چاپ شده است.

Electrically insulating nanofluids were prepared by dispersing modified graphene oxide nanosheets in an insulating medium (paraffin oil) by means of ultrasonication and without using any surfactant. Graphene oxide (GO) nanosheets were synthesized by an improved Hummers method. To improve the compatibility of the GO nanosheets with the oil, they were functionalized by treating with an alkylamine. After preparing the nanofluids, their properties such as thermal conductivity, viscosity and insulating properties were investigated experimentally at different concentrations. The results demonstrated that the thermal conductivity of the oil is enhanced with the addition of the nanosheets and increases with the increasing concentration. Comparison with other similar studies showed that at very low concentrations, the enhancement of thermal conductivity of nanofluids containing modified GO nanosheets is higher. Furthermore, rheological tests demonstrated that the viscosity of the nanofluids is lower in comparison with base oil, which can be considered as an advantage in terms of their thermal performance. Based on the experiments, it is found that the addition of the nanosheets leads to deterioration of the insulating properties of the oil, but available standards show that the prepared nanofluids are still suitable for use in industrial applications. The experimental results were also compared with the theoretical models. The results show that the Nan’s model gives better predictions of the thermal conductivity of these nanofluids in comparison with the classic model of Maxwell.