Nanofluidi per raffreddamento più efficiente

I nanofluidi sono un argomento molto interessante per le applicazioni di raffreddamento e scambio termico, e per questo attualmente oggetto di numerosi studi e ricerche. I nanofluidi si ottengono mediante dispersione di nanoparticelle in fluidi base tradizionali, come acqua, glicole e oli industriali, aumentandone la conducibilità e il coefficiente di scambio termico. I materiali prodotti sulla nanoscala possiedono infatti superiori e inedite proprietà meccaniche, termiche, magnetiche, elettriche e ottiche.

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Moltissime sono le potenziali applicazioni dei nanofluidi, nel settore HVAC e nei chiller, per aumentare l’efficienza degli scambiatori di calore, fuel cell, sistemi ad assorbimento e impianti solari a concentrazione. Questi fluidi possono quindi essere impiegati come nanolubrificanti, in quanto l’aggiunta di nanoparticelle e nanotubi alla base di oli minerali tradizionali aumenta la dissipazione del calore e le proprietà tribologiche dei normali lubrificanti, con superiori proprietà anti-usura aumentando il ciclo di vita delle parti in movimento nei motori e nei compressori impiegati nei sistemi frigoriferi.

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L’idea di miscelare particelle metalliche ai liquidi per creare delle sospensioni solido-liquido come termovettori potenziati risale agli studi Maxwell, che nel 1873 osservò che i solidi presentano una conducibilità termica molto superiore ai liquidi. Particelle micrometriche o millimetriche avevano però la forte tendenza a depositarsi creando ostruzioni e usura. E’ con la nascita della nanotecnologia e delle nanoparticelle che l’originale idea ha ripreso vigore, rilanciata da Choi che nel 1995 diede a questi innovativi termovettori il nome di nanofluidi.

Ambito di studi promettente, la ricerca sui nanofluidi è ancora nella sua fase sperimentale, con risultati spesso discordanti tra i diversi laboratori. Ciò è dovuto a una serie di fattori, a partire dalla capacità di creare nanofluidi stabili, evitando effetti di deposito e aggregazione delle nanoparticelle all’interno della sospensione, ad esempio con l’impiego di surfattanti. Va inoltre valutato il fatto che l’aggiunta di nanoparticelle a un fluido termovettore di base ne incrementa la viscosità, e quindi le possibili perdite di carico, oltre a richiedere maggiore forza per pompare il fluido attraverso i circuiti idraulici delle apparecchiature. Le proprietà dei nanofluidi dipendono quindi fortemente dal tipo di nanomateriale impiegato, dalla forma e dalla grandezza delle particelle, dalla concentrazione della sospensione, oltre che da fattori quali temperatura, pressione e campi magnetici applicati. A ciò si aggiunga che sono ancora poco noti a livello teorico i meccanismi che determinano i cambiamenti di proprietà termo-fisiche e di comportamento termo-fluido-dinamico delle nanoparticelle.

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Cercando un poco sul web si trovano ad ogni modo moltissimi studi in una varietà di campi di applicazione dei nanofluidi, a partire ad esempio dall’impiego di nanorefrigeranti in impianti di refrigerazione. L’aggiunta di nanoparticelle di TiO2, ossido di Titanio, ha per esempio dimostrato in alcuni test di poter aumentare la solubilità di R134a in olio minerale, migliorando le prestazioni delle macchine frigorifere e restituendo al contempo più olio lubrificante al compressore.

Prodotti a base di nanofluidi si trovano anche già in commercio, come questo fluido nanorefrigerante CF Cooling Fluid a base vegetale per sistemi chiusi di raffreddamento all’interno dei motori. Altre interessanti ricerche riguardano quindi l’uso di termovettori nanotech come fluido di lavoro per migliorare il rendimento di unità ORC, o l’impiego di nanofluidi come fluido organico per l’accumulo e il trasporto di calore agli scambiatori in impianti solari a concentrazione. Per le applicazioni negli impianti nucleari, infine, il MIT (Massachussetts Institute of Technology) ha istituito un centro interdisciplinare di ricerca apposito, dove si stima che l’uso di nanofluidi potrebbe aumentare di circa il 20% la capacità degli impianti a parità di caratteristiche tecniche dei reattori.

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In Italia è infine attivo il NHT, Nano Heat Transfer lab di Padova, impegnato nella ricerca di soluzioni innovative nel campo dei nanofluidi e del trasferimento termico nanotech.