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.
وأكد عبدالله مناصرة، طالب الدكتوراة في قسم الهندسة الكيميائية، أن التجربة أثبتت أن معالجة سوائل التبريد بالمادة المبتكرة يجعلها تتفوق على جميع المواد المستخدمة حالياً في تبريد المصانع والمحركات بما فيها الماء النقي وهو مايعتبر إنجازاً علمياً فريدا.
وساهم الابتكار 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 عبدالله مناصرة أن الموائع النانونية 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 إن 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 وذلك 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 وذي موصلية وسعة حرارية عالية. وقال: إن الدراسة تشتمل على تراكيز حجمية مختلفة للموائع النانوية لا تتجاوز 0.1 % من وزن السائل الكلي، وأضاف إن 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).
وأضاف انه تـم في هذا البحث، وبعد تطعيم سطح الأنابيب النانونية الكربونيـــــــة بنسب مختلفـــة من الأكاسيد (10% و1%)، تشخيص هـذه المركبــــــــــات النانونيــــــة للتأكد من انتشـــــــار هذه المواد بشكل متجانس، كما تم إضافة هـــذه المركبات النانونية إلى الماء وذلك من خلال تعريضها لموجات صوتيـــــة للحصــــول على محلــــول متجانــس.
وتضمنت هذه الدراسة تشخيــــــص وقياس الخصائص الحرارية والفيزيائية كالحـــــــرارة النوعية والموصلية الحرارية واللزوجة.
وأوضح أنه بعد تشخيص هذه الموائع، تمت ملاحظة زيادة الحرارة النوعية والسعة الحرارية بزيادة نسبة المواد النانونية وذلك من خلال فحصها باستخدام جهــــــــاز (Differential scanning calorimetry) على درجات حرارة مختلفة تتراوح بين 35 و70 درجة مئوية، وقال إنه وجد أن السعة الحرارية ازدادت بمقدار 60% بالمقارنه مع الماء النقي، كما وجد أن السعة الحرارية تزداد بزيادة معدل المعادن المطعمة على الأنابيب الكربونية.
وذكر أنه تمت ملاحظة التصرف الحراري للمائع النانوي وبتراكيز حجمية مختلفة على معامل الانتقال الحراري، معامل التوصيل الحراري، وفعالية وأداء المنظومة مع استعمال المائع الجديد.
وقال إنه 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؛ وذلك لإيجاد أفضل العوامل التي تعطي أعلى توصيل حراري في المبادل الحراري. وقال إن معدل التوصيل الحراري ازداد بمقدار 65% مقارنةً مع الماء عند استخدام نسبة قليلة جدا من المادة النانونية لايزيد وزنها على 0.1%. كما وجد أن فرق الضغط بين أنابيب المبادل الحراري لم يتأثر بوجود الموائع النانونية.
وأكد أن هذه المادة المبتكرة ذات أهمية كبيرة للصناعات التي تستخدم التبريد في أنشطتها كما أنها مهمة جدا لتبريد المحركات والمولدات بجميع أنواعها، لافتاً إلى أن هذا البحث محل اهتمام العديد من الشركات.
