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La conductividad térmica consiste en la capacidad de los materiales de facilitar la transferencia térmica de manera eficaz. Innumerables industrias dependen de materiales con elevada conductividad térmica para el diseño y la fabricación de dispositivos, herramientas y estructuras que posean eficiencia energética. La baja conductividad térmica puede ser una gran limitación para el diseño de tecnologías térmicas, en especial aquellas que contienen líquidos de transferencia de calor. Las nanopartículas con propiedades de conductividad térmica que se incorporan a un fluido de transferencia térmica ofrecen una solución que puede utilizarse con frecuencia para aumentar la conductividad térmica de las mezclas. Por lo general, las nanopartículas poseen valores de conductividad más elevados que, al alcanzar una concentración adecuada, pueden facilitar una transferencia térmica más eficaz. Un experimento realizado por investigadores de Thermtest examina el comportamiento relativo al calor y al movimiento de un solvente de etilenglicol mezclado con nanopartículas a base de negro de carbón con conductividad térmica.
El negro de carbón es un tipo de carbón específico que se forma por la combustión incompleta y la descomposición térmica de hidrocarburos gaseosos o líquidos en un entorno controlado. Este proceso genera un polvo finamente granulado que es una de las 50 sustancias químicas más producidas en el mundo. Más del 90 % del negro de carbón se utiliza como relleno en la industria del caucho. Sin embargo, es un componente importante de muchas tintas y pigmentos. Es una sustancia que posee relativa conductividad, y se utiliza en la industria eléctrica para fabricar electrodos y cepillos de carbón.
El etilenglicol (CH2OH)2 es un alcohol levemente viscoso de aspecto claro, altamente venenoso para los humanos y los animales en caso de ingestión. El uso más común de etilenglicol se encuentra en los anticongelantes de automotores. También es un solvente que a menudo se utiliza como medio de transferencia de calor. Esta nota de aplicación describe el modo en que determinadas concentraciones de nanopartículas de negro de carbón dispersas en etilenglicol pueden ejercer un efecto en la capacidad de transferencia térmica de los fluidos.
Se utilizó el método de alambre caliente transitorio (THW) para medir la conductividad térmica de 7 mezclas esféricas de negro de carbón y etilenglicol. El método THW ha ganado aceptación en la comunidad científica como el más confiable y preciso para medir la conductividad térmica, con una exactitud del rango de unas pocas décimas del 1 %. Se utilizó el medidor de conductividad térmica líquida THW-L2 de Thermest para este experimento (Figura 2). Las concentraciones de negro de carbón LITX ® de las muestras examinadas fueron del 1, 2, 3, 5, 7, 9 y 11 % según el peso. Cada concentración se colocó en un mezclador centrífugo durante 5 minutos a una velocidad de 2000 rpm. La mezcla se clasificó como uniforme cuando la muestra se veía brillante al esparcirse sobre papel. Las conductividades térmicas del fluido se midieron a temperaturas de 20 y 30°C. La tabla 1 muestra los valores de conductividad térmica de los fluidos medidos en vatios por minuto por grados Kelvin como función de concentración.
| Porcentaje de negro de carbón por peso | Conductividad térmica W/mK |
|---|---|
| 0 | 0,260 |
| 1 | 0,265 |
| 2 | 0,272 |
| 3 | 0,280 |
| 5 | 0,299 |
| 7 | 0,320 |
| 9 | 0,339 |
| 11 | 0,360 |
Tabla 1: Conductividad térmica (W/mK) del fluido a base de negro de carbón y etilenglicol como función de la concentración.
La segunda prueba realizada en las mezclas de nanopartículas se relaciona con su comportamiento viscoelástico. “Visco” hace referencia a la deformación de un fluido cuando se expone a una fuerza externa y “elasticidad” describe la capacidad de un fluido de regresar a su forma original una vez que desaparece la fuerza. Cuando un fluido puro viscoso se somete a presión, el resultado es el reordenamiento permanente de las partículas. Un fluido puro y elástico bajo presión carga y descarga la fuerza, formando líneas curvas de esfuerzo y tensión. Este comportamiento de los fluidos se describe en sus propiedades reológicas. Para los fines del presente trabajo, se midió el comportamiento reológico de los fluidos utilizando un reómetro Bohlin Gemini y placas paralelas a una temperatura consistente de 20 °C.
El experimento concluyó que la conductividad térmica del fluido de transferencia térmica se incrementó a medida que aumentó la concentración térmica del negro de carbón. Una concentración de negro de carbón del 9 % o superior disparó la transición del líquido puro y viscoso para convertirse en un fluido elástico. Este comportamiento es común en una estructura tridimensional desarrollada a través de interacciones no covalentes.
La pseudoplasticidad del fluido demostró un comportamiento no newtoniano. Los fluidos se clasifican dependiendo de su velocidad de corte (índice del cambio de velocidad cuando un fluido pasa sobre un fluido adyacente), del esfuerzo y la deformación. Estas propiedades de los fluidos determinan su clasificación como fluidos newtonianos o no newtonianos. Los fluidos que cumplen con la “ley de viscosidad” de Isaac Newton se denominan fluidos newtonianos. Esta ley establece que el comportamiento de un fluido cumple una relación lineal simple entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte. Entre los ejemplos de fluidos newtonianos se encuentran el agua, los solventes orgánicos y la miel. Estos fluidos siguen un patrón de relación lineal newtoniana. En realidad, la mayoría de los fluidos son no newtonianos y la viscosidad depende de la velocidad de corte (relacionada con el espesamiento o adelgazamiento por cortante). Un fluido con espesamiento por cortante manifiesta un incremento de la velocidad a medida que aumenta la velocidad de corte. Un ejemplo de fluido con espesamiento por cortante es el almidón de maíz mezclado con agua. Un fluido con adelgazamiento por cortante sigue el patrón opuesto y manifiesta un descenso de la velocidad a medida que aumenta la velocidad de corte. Algunos ejemplos de fluidos con adelgazamiento por cortante incluyen la pintura y la sangre. La mezcla de etilenglicol y negro de carbón exhibieron propiedades de un fluido con adelgazamiento por cortante, con un descenso de la velocidad frente al aumento de la velocidad de corte.
Se esperan más investigaciones sobre las propiedades reológicas de las nanopartículas de negro de carbón inmersas en fluidos con el objetivo de comprender aún más las capacidades térmicas de estos materiales. La modificación de los fluidos de transferencia térmica para convertirlos en conductores de calor eficaces puede redundar en ahorros de costos y energía, especialmente para las industrias que requieren transferencia energética a gran escala.
Mylona, S. (2019). Investigation of the Thermal Conductivity and Velocity of Carbon Black Heat Transfer Nanofluids. (Investigación de la conductividad térmica y la velocidad de nanofluidos para transferencia térmica a base de negro de carbón). 1st International Conference of Nanofluids (Primera Conferencia Internacional de Nanofluidos), (S7), 460 – 463.
Shankland, I., y Conferencia: 10. Simposio sobre propiedades termofísicas. Gaithersburg, MD (EE. UU.), 20-23 de junio de 1988. (1989). A transient hot-wire method for measuring the thermal conductivity of gases and liquids. (Método de alambre caliente transitorio para medir la conductividad térmica de gases y líquidos). International Journal of Thermophysics, 10:3, 673-686.
Carbon Black Nanoparticles: Knowledge Base Nanomaterials. (Nanopartículas de negro de carbón: base de conocimiento de nanomateriales). (n.d.). Extraído de https://www.nanopartikel.info/en/nanoinfo/materials/carbon-black/material-information
Commercially important alcohols. (Alcoholes de importancia comercial). (n.d.). Extraído de https://www.britannica.com/science/alcohol/Commercially-important-alcohols#ref998532
Inc. (n.d.). Viscosity of Newtonian and Non-Newtonian Fluids. (Viscosidad de fluidos newtonianos y no newtonianos). Extraído de https://www.rheosense.com/applications/viscosity/newtonian-non-newtonian
Viscoelastic Materials. (Materiales viscoelásticos). (n.d.). Extraído de https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/viscoelastic-materials
