Research

"เพราะจิ๋วจึงแจ๋ว" ของไหลนาโนกับการเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน


ผศ.ดร.ขวัญจิต วงษ์ชารี  
อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมเคมี ​ 
คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร  
13 กันยายน 2557  

       การถ่ายเทความร้อนมีบทบาทสำคัญในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น  การขนส่ง การผลิตพลังงาน อุตสาหกรรมอิเลคทรอนิกส์ อุตสาหกรรมเคมี เป็นต้น  สำหรับตัวกลางทั่วไปที่ใช้ในการถ่ายเทความร้อน เช่น น้ำ น้ำมันและเอทิลีนไกลคอล (ethylene glycol) มีข้อจำกัดคือมีการนำความร้อนต่ำ จึงทำให้ประสิทธิภาพในการถ่ายเทความร้อนต่ำด้วย วิธีหนึ่งในการเพิ่มค่าสภาพการนำความร้อนของของไหลคือการผสมอนุภาคของแข็งที่มีค่าสภาพการนำความร้อนสูงกว่าของไหลลงในของไหลพื้นฐาน เพื่อให้สามารถเห็นถึงความแตกต่างระหว่างค่าสภาพการนำความร้อนของอนุภาคของแข็งบางชนิดเปรียบเทียบกับของของไหลพื้นฐานที่นิยมใช้เป็นตัวกลางในการถ่ายเทความร้อนได้ชัดเจนขึ้น จึงแสดงข้อมูลเปรียบเทียบในตารางที่ 1 ซึ่งจะเห็นได้ว่าวัสดุที่เป็นของแข็งโดยเฉพาะกลุ่มที่เป็นโลหะมีค่าสภาพนำความร้อนสูงกว่าน้ำและน้ำมันเครื่องถึงประมาณ 700 และ 3000 เท่าตามลำดับ  

ตารางที่ 1 ค่าสภาพนำความร้อนของวัสดุต่างๆ ที่ 300 K [1]

       ในยุคก่อนการตื่นตัวทางด้านเทคโนโลยีนาโนนั้นมีการเพิ่มค่าการนำความร้อนของของไหลโดยการเตรียมสารแขวนลอยด้วยวิธีการเติมอนุภาคของแข็งที่มีขนาดในระดับไมโครเมตร (อนุภาคที่มีขนาดอยู่ระหว่าง 0.1-100 µm) หรือแม้แต่ในระดับมิลลิเมตร (mm) ลงในของไหลพื้นฐาน (base fluid) ซึ่งหมายถึงตัวกลางทั่วไปที่ใช้ในการถ่ายเทความร้อน แต่วิธีการนี้ก่อให้เกิดปัญหาทางเทคนิคหลายประการ จนกระทั่งเมื่อเทคโนโลยีนาโนมีเริ่มเข้ามามีบทบาทในอุตสาหกรรมต่างๆ ได้เริ่มมีการประยุกต์ใช้อนุภาคนาโน(อนุภาคที่มีขนาด 1-100 นาโนเมตร) ซึ่งมีชื่อเล่นว่า “อนุภาคจิ๋ว” แทนอนุภาคที่มีขนาดระดับระดับไมโครเมตรและมิลลิเมตร โดยเตรียมในรูปของไหลที่ประกอบด้วยอนุภาคนาโนและของไหลพื้นฐาน เรียกว่า “ของไหลนาโน (nanofluids)”  ซึ่งชื่อนี้ได้รับการกำหนดโดยนักวิจัยชื่อ Stephen Choi [2]  เนื่องจากอนุภาคนาโนมีขนาดเล็กจึงทำให้มีความเหมาะสมสำหรับการใช้งานในการเพิ่มการถ่ายเทความร้อนมากกว่าสารแขวนลอยที่ประกอบด้วยอนุภาคในขนาดระดับไมโครเมตรหรือมิลลิเมตร ดังข้อเปรียบเทียบที่แสดงไว้ในรูปที่ 1

รูปที่ 1 ลักษณะของสารแขวนลอยที่ประกอบด้วยอนุภาคขนาดไมโครเมตรหรือมิลลิเมตรเปรียบเทียบกับของไหลนาโน

       นอกจากข้อดีของของไหลนาโนที่กล่าวข้างต้นแล้ว ของไหลนาโนยังมีข้อดีในแง่ที่มีความสะดวกในการปรับเปลี่ยนคุณสมบัติเพื่อให้ตรงกับความต้องการ เช่น ขนาดของอนุภาค  รูปร่างของอนุภาค  และการเปียกของพื้นผิว (surface wettability) โดยการปรับสภาวะในการเตรียมอนุภาค การปรับความเข้มข้นของอนุภาคหรือการใช้สารเติมแต่ง (additives) ต่างๆ
       ในปัจจุบันมีการวิจัยเกี่ยวกับการเพิ่มการถ่ายเทความร้อนด้วยของไหลนาโนอย่างกว้างขวาง  ทิศทางในการพัฒนาของไหลนาโนสำหรับเพิ่มการถ่ายเทความร้อนมีการเน้นหนักเพื่อการหล่อเย็น โดยเฉพาะในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีแนวโน้มการพัฒนาให้อุปกรณ์มีขนาดเล็กลง จึงทำให้ฟลักซ์ความร้อน (ความร้อนที่ปล่อยออกมาต่อหน่วยพื้นที่) สูงขึ้น รวมทั้งระบบยานยนต์ในอุตสาหกรรมการขนส่งเนื่องจากมีแนวโน้มการพัฒนาที่จะใช้เครื่องยนต์ที่มีกำลังสูงขึ้น ล่าสุดมีพัฒนาของไหลนาโนในเชิงพาณิชย์ เพื่อใช้งานสำหรับการหล่อเย็นในเครื่องคอมพิวเตอร์ [3]  และการหล่อเย็นและหล่อลื่นในรถ [4]  ในกรณีของการหล่อเย็นในเครื่องคอมพิวเตอร์นั้นผู้พัฒนาได้ประกาศว่าของไหลนาโนสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนได้สูงกว่าน้ำถึง 20% ส่งผลให้สามารถลดขนาดของอุปกรณ์ถ่ายเทความร้อนลงได้ ในทำนองเดียวกันการใช้ของไหลนาโนในรถนั้น ผลจากการเพิ่มประสิทธิภาพในการหล่อเย็นทำให้สามารถลดขนาดของระบบหล่อเย็นและขนาดของปั๊มลงได้ ซึ่งส่งผลให้ประหยัดน้ำมันเชื้อเพลิงได้ นอกจากการใช้งานเพื่อการถ่ายเทความร้อนในระบบที่กล่าวมาข้างต้นแล้ว ปัจจุบันยังมีการขยายขอบเขตการวิจัยเพื่อประยุกต์ใช้ของไหลนาโนสำหรับด้านอื่นด้วยได้แก่ ด้านการแพทย์โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่เกี่ยวข้องกับการผ่าตัดให้มีความปลอดภัยยิ่งขึ้น ด้วยการหล่อเย็นบริเวณที่ทำการผ่าตัดเพื่อลดความเสี่ยงในการทำลายอวัยวะที่บริเวณที่รับการผ่าตัด [5] 

 รูปที่ 2 ชุดสาธิตการใช้ของไหลนาโนเพื่อการหล่อเย็นในเครื่องคอมพิวเตอร์ [3]

     การใช้ประโยชน์ต่างๆจากของไหลนาโนที่กล่าวมาข้างต้นเกิดขึ้นได้เพราะความพิเศษอันเนื่องจากความเล็กของอนุภาคนาโนในของไหลนาโนเป็นสำคัญ  ซึ่งพอจะทำให้สามารถสรุปได้ว่าอนุภาคนาโนนั้นแจ๋วเพราะจิ๋วจริงๆ

เอกสารอ้างอิง
[1] Das, S. K., Choi, S.U.S. Yu, W., Pradeep, T. (2007) Nanofluids: Science and Technology, John Wiley  & Sons, Inc., New Jersey.
[2] Choi S. U. S. (1995) Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles, in developments and applications of non-Newtonian flows, American Society of Mechanical Engineers, New York, FED–231/MD-66, 99–105.
[3]  Ice dragon cooling [Online]. Available: http://www.overclockersclub.com/reviews/ces2013/12.htm
[4] A new nano extreme WS2 technology engine oil additive best for cars and industrial [Online].  Available: http://nanoextremews2.com/technology/
[5] Jordan A., Scholz R., Wust P., Fahling H., Felix R. (1999) Magnetic fluid hyperthermia (MFH): cancer treatment with ac magnetic field induced excitation of biocompatible superparamagnetic nanoparticles, J. Magn. Magn. Mater., 201, 413-419

<< ย้อนกลับ