Một Số Hạt Nanô Được Dùng Trong Các Dung Dịch Khoan [43]

a) Chất lỏng nanô trong nhiên liệu

Các hạt nanô nhôm, được sản xuất bằng hệ thống hồ quang plasma, được bao phủ bởi các lớp nhôm oxit mỏng. Các hạt nanô này có tính oxi hóa cao, do đó có thể tạo ra diện tích bề mặt tiếp xúc lớn hơn với nước và cho phép tăng sự phân hủy hydro từ nước trong quá trình đốt. Trong quá trình đốt cháy này, các hạt nanô nhôm hoạt động như một chất xúc tác và chúng sau đó sẽ phân hủy nước để tạo ra nhiều hydro hơn. Các nghiên cứu khác nhau đã chỉ ra rằng quá trình đốt cháy nhiên liệu diesel trộn với dung dịch nanô nhôm làm tăng tổng nhiệt lượng đốt cháy trong khi làm giảm nồng độ khói và oxit nitơ trong khí thải từ động cơ diesel [42].

b) Khai thác điện địa nhiệt và các nguồn năng lượng khác

Tổng tài nguyên năng lượng địa nhiệt trên thế giới được tính toán là hơn

13.000 ZJ, theo như một báo cáo của MIT (2007). Với các công nghệ hiện tại, loài người mới chỉ có thể chiết xuất 200 ZJ, tuy nhiên, với những cải tiến công nghệ, hơn 2.000 ZJ nữa có thể được chiết xuất và phục vụ cho nhu cầu năng lượng của thế giới trong vài thiên niên kỷ tới. Khi khai thác năng lượng từ vỏ trái đất có độ sâu thay đổi từ 5 km đến 10 km và nhiệt độ từ 500oC đến 1.000oC, chất lỏng nanô có thể được sử dụng để làm mát các đường ống tiếp xúc với nhiệt độ cao như vậy. Khi khoan, chất lỏng nanô có thể làm mát máy móc cũng như thiết bị làm việc trong môi trường ma sát cao và nhiệt độ cao. Là một “chất lỏng siêu dẫn”, chất lỏng nanô có thể được sử dụng để chiết xuất năng lượng từ lõi trái đất cũng như trong hệ thống lò phản ứng nước áp lực (PWR) để tạo ra một lượng lớn năng lượng.

Trong lĩnh vực phụ trợ của công nghệ khoan (rất quan trọng đối với khai thác năng lượng địa nhiệt), các cảm biến và thiết bị điện tử được làm mát bằng chất lỏng nanô và do vậy có khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao hơn trong các giếng khoan. Thêm vào đó, những cải tiến mang tính cách mạng trong việc sử dụng các phương pháp xuyên đá được làm mát và bôi trơn bằng chất lỏng nanô sẽ giảm đáng kể chi phí sản xuất. Những cải tiến như vậy sẽ cho phép tiếp cận các vùng sâu hơn, nóng hơn ở các hệ tầng sâu hơn hoặc tiết kiệm hơn về mặt kinh tế ở các hệ tầng nông hơn.

Trong lĩnh vực phụ trợ của công nghệ chuyển đổi năng lượng, việc cải thiện hiệu suất truyền nhiệt của các chất lỏng nanô ở nhiệt độ thấp hơn và phát triển các thiết kế nhà máy với nhiệt độ cao hơn cho vùng nước siêu tới hạn sẽ dẫn đến sự

tăng đáng kể trong cả hiệu suất của hồ chứa và hiệu suất chuyển đổi nhiệt thành

điện năng.

G. Cheraghian [43] đã đưa ra 1 nghiên cứu tổng quát về ứng dụng tiềm năng của hạt nanô trong công nghiệp khoan. Mặc dù trước đây đã có một số nghiên cứu tổng quát về lĩnh vực này, nghiên cứu của Cheraghian mang tính toàn diện nhất do đánh giá sự ảnh hưởng của các hạt nanô khác nhau như: gốm, kim loại, Cácbon hay gốc polyme. Tuy nhiên, tất cả các nghiên cứu tổng quan cùng chỉ ra 1 ưu điểm rằng: hạt nanô giúp cải thiện khả năng truyền dẫn nhiệt và cơ lý của dung dịch dùng trong khoan.

Bảng 1.2. Một số hạt nanô được dùng trong các dung dịch khoan [43]

Loại hạt

Kich thước hạt (nm)	Nồng độ tối ưu	Tác dụng
Fe2O3	3 đến 30	0.5%	Kiểm soát độ nhớt, tăng cường tính lưu biến
Fe3O4	10 đến 20	0.05% đến 0.5%	Tăng cường tính chất nhiệt, lưu biến
SiO2	50	0.5%	Độ ổn định lưu biến cao hơn

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 149 trang tài liệu này.

c) Quản lý nhiệt trong công nghiệp

Ở một dự án được thực hiện vào năm 2008, Routbort và cộng sự [44] đã sử dụng chất lỏng nanô để làm mát công nghiệp, từ đó có thể tiết kiệm một lượng năng lượng lớn và giảm phát thải. Đối với ngành công nghiệp năng lượng của Hoa Kỳ, việc thay thế nước làm mát và làm nóng bằng chất lỏng nanô có khả năng tiết kiệm 1 nghìn tỷ BTU năng lượng. Tương tự, với ngành công nghiệp điện của Hoa Kỳ, sử dụng chất lỏng nanô trong chu trình làm mát vòng kín có thể tiết kiệm khoảng 10– 30 nghìn tỷ BTU mỗi năm (tương đương với mức tiêu thụ năng lượng hàng năm của khoảng 50.000–150.000 hộ gia đình). Mức giảm phát thải liên quan sẽ là khoảng 5,6 triệu tấn carbon dioxide; 8.600 tấn nitơ oxit; và 21.000 tấn lưu huỳnh đioxit.

Đối với các nhà máy sản xuất lốp xe của Michelin Bắc Mỹ, năng suất của nhiều quy trình công nghiệp bị hạn chế do thiếu phương pháp làm mát cao su một cách hiệu quả trong quá trình xử lý. Phương pháp làm mát hiện tại đòi hỏi phải sử dụng hơn 2 triệu gallon chất lỏng truyền nhiệt ở các nhà máy ở Bắc Mỹ của Michelin. Mục tiêu của Michelin là tăng năng suất 10% trong các nhà máy chế biến cao su của mình nếu các chất lỏng nanô phù hợp có thể được phát triển và sản xuất thương mại theo cách tiết kiệm chi phí.

Han và cộng sự [45] đã sử dụng vật liệu thay đổi pha là các hạt nanô trong chất lỏng nanô để tăng cường đồng thời tính dẫn nhiệt hiệu quả và nhiệt dung riêng của chất lỏng. Ví dụ, một huyền phù của các hạt nanô indium (nhiệt độ nóng chảy: 157°C) trong polyalphaolefin đã được tổng hợp bằng cách sử dụng phương pháp tạo nhũ nanô một bước. Các tính chất nhiệt vật lý của chất lỏng như là độ dẫn nhiệt, độ nhớt, nhiệt dung riêng, và sự phụ thuộc vào nhiệt độ của chúng được đo bằng thực nghiệm. Sự chuyển đổi giai đoạn “nóng chảy-đóng băng” của các hạt nanô indium đã làm tăng đáng kể nhiệt dung riêng hiệu dụng của chất lỏng.

Nghiên cứu này là một trong số ít các công trình giải thích quy trình của sự khuếch tán nhiệt. Các nghiên cứu tương tự cho phép áp dụng chất lỏng nanô trong làm mát công nghiệp mà không cần hiểu thấu đáo về tất cả các cơ chế truyền nhiệt trong chất lỏng nanô.

Hình 1.14. Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng dùng bơm trong máy chủ của

Google

d) Quản lý nhiệt cho linh kiện điện tử

Quản lý nhiệt cho linh kiện điện tử đã và đang trở thành một vấn đề cấp bách với các kỹ sư và nhà khoa học khi linh kiện điện tử ngày càng được thiết kế nhỏ gọn hơn, dẫn đến mật độ dày hơn của chúng trong cùng một đơn vị diện tích. Bài toán đặt ra là tăng công suất tỏa nhiệt để đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định, nhưng diện tích tiếp xúc lại giảm. Do đó, chúng ta cần một hệ thống tản nhiệt phù hợp để giúp cho các linh kiện hoạt động ổn định và tăng tuổi thọ của chúng. Có 2 hướng nghiên cứu chính nhằm tăng hiệu suất quản lý nhiệt: đưa ra một thiết kế tối ưu trong quản lý nhiệt cho các linh kiện, hoặc đơn giản hơn, tăng khả năng truyền nhiệt cho các vật liệu được dùng trong hệ thống quản lý nhiệt. Vì vậy, chất lỏng nanô, với độ dẫn nhiệt tốt của mình, có thể được dùng để quản lý nhiệt cho linh kiện điện tử. Một số nhóm nghiên cứu trên thế giới đã cho ra đời một hệ thống quản lý nhiệt có sự kết hợp của chất lỏng nanô. Kết quả cho thấy hiệu suất của hệ thống tốt hơn so với sử dụng nước thông thường. Cụ thể hơn, chất lỏng nanô làm giảm nhiệt trở của linh kiện cũng như sự chênh lệch nhiệt độ giữa dòng nước nóng và nước mát. Do vậy, một hệ quản lý nhiệt kết hợp chất lỏng nanô có thể được sử dụng trong tương lai để tản nhiệt khỏi các linh kiện điện tử công suất lớn. Một ưu điểm khác cũng cần phải nhắc tới là do kích thước nhỏ gọn, khối lượng nhẹ cũng như phần trăm thể tích thấp, các nạt nanô không gây thêm áp lực lên hệ thống trong quá trình di chuyển của chất lỏng tản nhiệt. Ví dụ như trên hình 1.15 là một hệ chất lỏng nanô sử dụng Al2O3 nồng độ 0,5%, việc này đã giúp nhiệt trở của hệ giảm được từ 15% đến 22%.

Hình 1.15. Chất lỏng nanô trong quản lý nhiệt cho linh kiện điện tử

e) Làm mát hệ thống hạt nhân

Kim và cộng sự [46] tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã thực hiện một nghiên cứu để đánh giá tính khả thi của chất lỏng nanô trong các ứng dụng hạt nhân bằng cách cải thiện hiệu suất của các hệ thống hạt nhân làm mát bằng nước. Các ứng dụng có thể bao gồm chất làm mát sơ cấp cho lò phản ứng nước có áp suất (PWR), hệ thống an toàn dự phòng, máy gia tốc, bộ chuyển hướng plasma, v.v…

Trong hệ thống nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò phản ứng nước có áp suất (PWR), quá trình bị hạn chế trong việc tạo ra hơi nước bởi thông lượng nhiệt tới hạn (CHF) giữa các thanh nhiên liệu và nước. Khi các bong bóng hơi phủ lên bề mặt của các thanh nhiên liệu, chúng sẽ dẫn rất ít nhiệt so với nước lỏng. Do vậy, khi sử dụng chất lỏng nanô thay vì nước, các thanh nhiên liệu sẽ được phủ các hạt nanô như nhôm, đồng, mà sẽ đẩy các bong bóng mới hình thành đi, và ngăn chặn sự tạo thành của một lớp hơi xung quanh thanh và do đó làm tăng CHF đáng kể.

Sau khi thử nghiệm trong lò phản ứng nghiên cứu hạt nhân của MIT, các thí nghiệm sơ bộ đã cho thấy thành công đầy hứa hẹn khi cho thấy rằng PWR có hiệu suất cao hơn đáng kể. Việc sử dụng chất lỏng nanô làm chất làm mát cũng có thể được áp dụng trong các hệ thống làm mát khẩn cấp, nơi chúng có thể làm mát các bề mặt cực nóng nhanh hơn, dẫn đến cải thiện độ an toàn của nhà máy điện.

f) Chất lỏng thông minh

Trong thời đại mà việc sử dụng năng lượng tái tạo đã trở nên cấp thiết, việc thiếu nguồn năng lượng sạch và sự phổ biến rộng rãi của các thiết bị hoạt động bằng pin, chẳng hạn như ô tô điện, đã nhấn mạnh sự cần thiết của việc áp dụng công nghệ thông minh đối với các nguồn năng lượng để giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Chất lỏng nanô đã được chứng minh là có thể đảm nhận vai trò này trong một số trường hợp như một chất lỏng thông minh.

Trong một bài báo gần đây, Ali và cộng sự [47] cho thấy rằng một số loại chất lỏng nanô cụ thể có thể được sử dụng như một vật liệu thông minh hoạt động giống một van nhiệt để kiểm soát dòng nhiệt. Chất lỏng nanô có thể được “cấu hình” theo ý muốn ở trạng thái “thấp”, nơi nó dẫn nhiệt kém hoặc ở trạng thái “cao”, nơi tản nhiệt hiệu quả hơn. Để vượt qua giới hạn về công nghệ sưởi ấm và

làm mát, các nhà nghiên cứu sẽ phải đưa ra nhiều bằng chứng hơn về một hệ vận hành ổn định mà có thể đáp ứng dải hoạt động lớn hơn của dòng nhiệt.

g) Lĩnh vực không gian và quốc phòng

Do sự hạn chế về không gian, năng lượng, cân nặng trên không gian và máy bay nên việc chế tạo hệ thống làm mát hiệu quả cao với kích thước nhỏ hơn đã trở thành một vấn đề cấp thiết [48-50]. Nghiên cứu sâu hơn về chất lỏng nanô đã dẫn đến sự phát triển của thế hệ tiếp theo của các thiết bị có sự kết hợp chất lỏng nanô với hệ thống điện tử, mở ra khả năng tăng tốc độ của chip trong linh kiện điện tử hoặc đơn giản hóa yêu cầu làm mát cho các ứng dụng trong không gian. Ngoài ra, một số thiết bị quân sự và hệ thống đòi hỏi thông lượng nhiệt làm mát cao với mức độ hàng chục MW/m2. Ở cấp độ này, làm mát các thiết bị quân sự và hệ thống là rất quan trọng để đảm bảo rằng hệ thống hoạt động ổn định và tin cậy. Chất lỏng nanô với khả năng dẫn nhiệt tốt có tiềm năng để đáp ứng các yêu cầu làm mát trong các ứng dụng dân sự cũng như trong các hệ thống quân sự khác, bao gồm cả xe quân sự, tàu ngầm, rađa, và laser công suất cao [51,52]. Vì vậy, chất lỏng nanô có ứng dụng rộng rãi trong không gian và quốc phòng, trong các hệ có mật độ năng lượng cao trong khi hệ thống tản nhiệt nhỏ hơn và trọng lượng ít hơn.

h) Sưởi ấm và giảm ô nhiễm

Chất lỏng nanô có thể được áp dụng trong việc xây dựng hệ thống sưởi ấm. Kulkarni và cộng sự [53] đã đánh giá việc thực hiện hệ sưởi ấm ở các vùng lạnh sử dụng chất lỏng nanô. Ở các vùng lạnh, người ta sử dụng ethylene glycol hoặc propylene glycol pha với nước theo tỷ lệ khác nhau như một chất lỏng truyền nhiệt. Thông thường chất lỏng nền được sử dụng là ethylene glycol pha với nước theo tỷ lệ 60:40 về trọng lượng. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng chất lỏng nanô trong bộ trao đổi nhiệt có thể làm giảm lưu lượng thể tích và khối lượng, từ đó giúp tiết kiệm đáng kể năng lượng bơm. Chất lỏng nanô giúp hệ thống sưởi ấm nhỏ hơn nhưng tương đương với hệ thống sưởi ấm lớn hơn mà lại ít tốn kém [54-56]. Điều này làm giảm chi phí thiết kế ban đầu, không tính đến chi phí chất lỏng nanô. Hơn nữa, việc sử dụng chất lỏng nanô cũng sẽ làm giảm ô nhiễm môi trường, vì các bộ phận truyền nhiệt nhỏ hơn với ít chất lỏng hơn sẽ giúp giảm vật liệu phế thải vào cuối vòng đời của hệ [57-58].

Bảng 1.3. Diện tích bề mặt sưởi ấm giảm khi pha thêm hạt nanô

Kulkarni và cộng

sự

oxit đồng

oxit nhôm

silicon dioxide

% diện tích giảm

20.37

17.3

8.5

1.3. Chất lỏng nanô trong quản lý nhiệt cho vệ tinh

Vệ tinh nhân tạo là thiết bị đòi hỏi sự khắt khe trong quá trình quản lý nhiệt để đảm bảo vệ tinh hoạt động trong môi trường nhiệt ổn định, bền bỉ, qua đó nâng cao hiệu quả cũng như độ bền tuổi thọ cho vệ tinh. Cụ thể, khi hoạt động trên quỹ đạo, vệ tinh sẽ phải chịu đựng môi trường không gian khắc nghiệt: bề mặt vệ tinh hướng về phía trái đất sẽ có nhiệt độ thấp, trong khi ở mặt đối diện hướng về phía mặt trời sẽ có nhiệt độ cao. Theo chu kỳ thời gian, nhiệt độ của một vệ tinh hoạt động trên quỹ đạo không gian có thể dao động trong khoảng từ -170oC đến 130oC [59]. Bên cạnh đó các thiết bị điện tử nói chung và vệ tinh nói riêng sẽ chỉ hoạt động hiệu quả ở một dải nhiệt độ nhất định. Một số linh kiện điện tử bên trong vệ tinh sẽ tỏa nhiệt trong quá trình hoạt động (như vi xử lý), một số linh kiện khác cần được sưởi ấm (như camera, cảm biến, và các thiết bị đo đạc hướng về phía trái đất). Vì vậy mà việc giữ cho các thiết trên vệ tinh hoạt động trong dải nhiệt độ cho phép là điều rất quan trọng. Điều này có thể thực hiện bằng việc dẫn nhiệt từ vùng nóng sang vùng lạnh: vùng nóng giảm nhiệt và vùng lạnh tăng nhiệt. Để thực hiện nhiệm vụ này có nhiều phương pháp khác nhau, như phương pháp quản lý nhiệt bị động, phương pháp heat pipe, sử dụng vật liệu thay đổi trạng thái, và phương pháp sử dụng chất lỏng dẫn nhiệt tuần hoàn [60]. Luận án này hướng đến việc giải quyết bài toán quản lý nhiệt sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần vật liệu nanô để quản lý nhiệt hiệu quả hơn cho vệ tinh.

Cùng với sự phát triển của công nghệ nanô, trong những năm gần đây vật liệu Cácbon cấu trúc nanô với nhiều tính chất ưu việt đã trở thành đối tượng được giới khoa học tập trung nghiên cứu và cho thấy tiềm năng ứng dụng lớn. Những kết quả nghiên cứu đã chứng minh rằng vật liệu CNTs và Graphene (Gr) là loại vật liệu có độ dẫn nhiệt rất cao, với kCNT ~ 2.000 – 3.000 W/mK và kGr ~ 5.000 W/m.K. Nói cách khác, vật liệu Cácbon cấu trúc nanô (bao gồm Graphene, CNTs) là loại vật liệu có hệ số dẫn nhiệt cao nhất được biết đến hiện nay và trở thành loại vật liệu có tiềm năng lớn trong các ứng dụng về quản lý nhiệt [61, 62].

Trong những năm qua, chất lỏng chứa thành phần nanô đã trở thành một đối tượng nghiên cứu được giới khoa học đặc biệt quan tâm nhằm nâng cao hiệu quả cũng như cải thiện hiệu suất cho hệ thống quản lý nhiệt. Chất lỏng nanô có khả năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống quản lý nhiệt của nhiều loại linh kiện và thiết bị khác nhau như: linh kiện điện tử công suất lớn, động cơ, các thiết bị công nghiệp, nhà máy điện, v.v... Với những tính chất nhiệt ưu việt của CNTs và Graphene như đã đề cập đến ở trên, các chất lỏng khi đưa thêm thành phần vật liệu cácbon cấu trúc nanô sẽ có hệ số dẫn nhiệt cao và cải thiện nhiều tính chất cơ lý khác [63].

Việc nâng cao hiệu quả quản lý nhiệt cho vệ tinh không những giúp cho các linh kiện và thiết bị điện tử trên vệ tinh hoạt động ổn định, hiệu quả mà còn giúp vệ tinh nâng cao độ bền tuổi thọ và kéo dài thời gian hoạt động của vệ tinh trên không gian [64], từ đó giúp tiết kiệm chi phí cho nhà sản xuất.

1.3.1. Tổng quan về quản lý nhiệt cho vệ tinh

Vệ tinh nhân tạo là một vật thể không người lái bay quanh trái đất được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như: thông tin liên lạc, quan sát trái đất, dự báo thời tiết, dẫn đường, khám phá không gian và các hành tinh. Tùy thuộc vào giá thành và nhiệm vụ cụ thể mà vệ tinh sẽ được thiết kế với sự khác nhau về khối lượng, kích thước, độ cao quỹ đạo… Phụ thuộc vào khối lượng mà vệ tinh được phân loại ra thành: vệ tinh lớn (> 1.000 kg), vệ tinh trung bình (500-1.000 kg), vệ tinh nhỏ (dưới 500 kg). Đối với vệ tinh bay quanh trái đất, tùy thuộc vào độ cao mà có thể phân chia ra làm 3 loại quỹ đạo: quỹ đạo thấp (LEO: 160 km đến 2.000 km), quỹ đạo trung bình (MEO: 2.000 km đến 35.786 km), và quỹ đạo cao (HEO: trên 35.786 km). Ở độ cao 35.786 km là quỹ đạo địa tĩnh nơi mà vệ tinh luôn có vị trí tương đối cố định đối với 1 điểm trên bề mặt trái đất [65].

Điều khiển nhiệt trên vệ tinh là quá trình kiểm soát nhiệt độ bên trong và trên bề mặt vệ tinh, trong đó điều kiện môi trường bên ngoài đóng 1 vai trò rất quan trọng. Các vệ tinh nhỏ (dưới 500kg) thường hoạt động ở quỹ đạo thấp (từ 160 km đến 2.000 km), có độ cao không đáng kể so với bán kính trái đất, và trường nhìn của vệ tinh chỉ là 1 phần rất nhỏ của bề mặt trái đất tại một thời điểm bất kỳ. Do vậy trong quá trình di chuyển, vệ tinh sẽ trải qua những điều kiện khí hậu khác nhau ở những vùng khác nhau như: biển, đất liền, tuyết, sa mạc hay nhiều mây bao phủ. Sự