Nytt på korrosions- och köldbäraresfronten TEXT: Monika Ignatowicz, Åke Melinder Backgrund Avdelningen för Tillämpad Termodynamik och Kylteknik bedriver, med stöd av Kylbranschens Samarbetsstiftelse, KYS, Energimyndighetens program Effsys+ och olika sponsorer, forskning om inverkan av adsorberande korrosionsinhibitorer och andra tillsatser på värmeöverföring och termofysikaliska egenskaper för köldbärare som används i indirekta kylsystemen. Forskningen bedrivs av doktorand Monika Ignatowicz under ledning av doktor Åke Melinder och professor Björn Palm. Projektet kommer att kunna resultera i bättre kunskaper om termofysikaliska egenskaper för verkliga blandningar av köldbärare som finns på marknaden. Dessa kunskaper är då till nytta både för tillverkarna, som kan förbättra sina produkter, och för kunderna. Dessutom kommer detta projekt att ge bättre förståelse för traditionella såväl som adsorberande korrosionsinhibitorer och deras inverkan på värmeöverföringsprocessen. Om de förväntade fördelarna med adsorberande inhibitorer kan påvisas, kan detta leda till ändring av den nuvarande tekniken som är fokuserad på nu använda vanliga korrosionsinhibitorer och kan resultera i: ökad värmeöverföring, minimering av de negativa hälso- och miljöeffekterna, minimering av beläggningsproblem, förenklade rengöringsrutiner, förbättring av det övergripande korrosionsskyddet och utvidgad livslängd för systemen. Pågående aktiviteter Termofysikaliska egenskaper (densitet, dynamisk viskositet, värmeledningsförmåga, termisk diffusivitet, fryspunkt och specifik värmekapacitet) för köldbärare med tillsatser mäts i temperaturområdet -40 C till +40 C med hjälp av olika tekniker och mätinstrument. Densitet Mätningar av densitet utförs på två olika sätt i detta projekt genom att använda aerometrar (eller hydrometrar) och pyknometrar. En aerometer är ett relativt okomplicerat instrument utformat för att mäta densiteten av en vätska vid 15 C eller 20 C enligt ISO 17025 med noggrannhet + / - 0,001 g/ml [1]. Aerometerns konstruktion är mycket enkel, där huvudkroppen är ett ihåligt rör i vilket en vikt och en skala placerats. Aerometerns kropp placeras i en behållare med vätskan som skall mätas. Principen av aerometern byggs på Arkimedes lag som säger att den uppåtriktade kraften av en vätska motsvarar den massa av vätskan som är förskjuten. Då aerometerns vikt är konstant och det är möjligt att mäta densiteten av vätskor baserat på hur djupt enheten sjunker i vätskan (ju djupare aerometern sjunker i vätskan, desto större densitet och vikt). Densiteten bestäms genom att observera värdet vid vätskans övre yta [2].
Mätningar av densitet med aerometrar. En pyknometer, dvs. en flaska med specifik vikt, är ett annat sätt att erhålla korrekta mätningar av relativ densitet med en hög noggrannhet. Pyknometern är en kolv med en propp som har ett kapillärrör genom den. Detta hål i proppen släpper in extra vätska och avlägsnar luft efter stängning. Den specifika volymen för pyknometern bestämdes enligt DIN ISO 3507 med tolerans + / -0,01 cm3. För att definiera volymen av en pyknometer används en arbetsvätska med välkänd densitet, såsom destillerat vatten. Genom att känna till volym och mäta vikt av tom och full pyknometer, med hjälp av analytisk balans med hög noggrannhet från Mettler Toledo, är det möjligt att bestämma densiteten av en köldbärare med tillsatser vid +20 C. En tredje punkt för att definiera funktionen erhålls med en andra typ av kalibrerad pyknometer med termometer. För att mäta densitetsgradienten utförs tester vid två olika temperaturer och densitetsökningen per grad beräknas [2,3].
Pyknometrar. Dynamisk viskositet Brookfield programmerbar digital viskosimeter DV-II Pro med särskild låg viskositetsadapter (UL- adapter) med temperaturreglerad vatten - etylenglykol jacka används för att utföra mätningar vid temp -20 C till +100 C. Principen för drift av roterande viskosimeter är att köra en spindel (som är nedsänkt i testvätskan) genom en kalibrerad torsionsfjäder (kalibrering utförs före varje provning) [1]. Det viskösa motståndet av fluiden mot spindeln resulterar in i en avböjning av torsionsfjädern vilken mäts med en roterande givare. Viskosimeterns mätområde bestäms av rotationshastigheten för spindeln, storleken och formen av spindeln, behållaren spindeln roterar i (UL- adapter), och vridmomentets fulla omfattning av den kalibrerade spindeln [1,4]. Alla viskositetsmätningar i temperaturområdet - 20 C till +40 C för olika köldbärare görs med UL-adapter och samma spindel för att minska osäkerheten i mätningarna. Referensvätskor för dessa mätningar är destillerat vatten och en ren blandning av köldbärare utan tillsatser.
Brookfield programmerbar digital viskosimeter DV-II Pro med UL-adapter och Brookfield TC-502 termostat. Värmeledningsförmåga och termisk diffusivitet Mätningar av värmeledningsförmåga och termisk diffusivitet utförs med Transient Plane Source (TPS) metoden med hjälp av ett Hot Disk Thermal Constants Analyzer TPS-2500 instrument. Det är en modern teknik, som ger information om värmeledningsförmåga, termisk diffusivitet samt specifik värme per volymsenhet av materialet. Metoden bygger på användandet av en transient uppvärmd plan sensor [1,5]. Kapton typ Hot Disk sensorn.
Hot Disk sensorn består av ett elektriskt ledande mönster i form av en dubbel spiral, som har etsats ur en tunn metallfolie av nickel. Denna spiral är inklämd mellan två tunna lager av ett isolerande material (Kapton). Provhållare med Kapton-sensor. När en mätning av termisk transport utförs är Kapton-sensorn monterad mellan två bitar av provhållare så att en plan yta är vänd mot sensorn. Genom att skicka en elektrisk ström, tillräckligt hög för att öka temperaturen hos sensorn mellan en bråkdel av en grad upp till flera grader, och på samma gång registrera hur motståndet (temperaturen) ökar som en funktion av tiden, används sensorn både som en värmekälla och som en dynamisk temperatursensor. Hot Disk Thermal Constants Analyzer TPS-2500 och Thermo Haake C50 Termostat.
Lösningen av den termiska ledningsförmågans formel bygger på antagandet att sensorn är placerad i ett oändligt medium, vilket innebär att transient registrering måste avbrytas så snart som något inflytande från de yttre gränserna för de två provstyckena registreras av sensorn [5]. Den typiska testvolymen av köldbärare med tillsats är 10 ml. Varje prov sprutas till en provhållare för att avlägsna luft och placeras i en metallbehållare med ett flytande bad av en 43 vikts-% etylenglykol - vatten lösning (för att undvika att provet fryser och samt för att förbättra kontakt mellan provhållare och metallbehållare). Denna metallbehållare är samtidigt täckt på toppen med isolering. Fryspunkt Fryspunktstesterna utförs med en specialdesignad testutrustning som består av: en Sanyo Ultra Low frys (temperaturområdet -10 C till -90 C), Agilent 34970A Datainsamlingsenheten är ansluten till en dator och en speciellt konstruerad fryspunktsmätningsenhet på Energiteknik, KTH. Fryspunkt testutrusning designad på Energiteknik, KTH. Denna enhet består av 9 identiska plastbehållare (volym 100 ml) placerade i en cirkel, monterade på en plexiglasskiva. Behållarna försluts från toppen med en stängningsplatta. Hela enheten stöds av fyra metallben och en bottenplatta för att säkerställa att behållarna inte är i direkt kontakt med botten av frysen. Plastbehållarna har särskilda avslutande lock anpassade till den övre plattan för att undvika kontamination med smuts och korsinteraktioner av prov. Dessutom, i mitten av varje lock placeras ett styrt termoelement för att säkerställa att avläsningarna görs i mitten av varje behållare. Ytterligare 2 termoelement är fästa i frysenheten att mäta förhållandena i frysen
under varje test. Alla 11 termoelement är kalibrerade med noggrannhet på + / -0,1 C. Normalt är temperaturen för frysen inställd några grader under den förväntade fryspunkten [1]. För att minimera underkylning innan iskristaller bildas kyls frysen och proverna ner så att temperaturdifferensen mellan proverna och den omgivande luften inte blir för stor. Då iskristaller börjar bildas planar temperturen ut och stiger kanske något innan den sjunker igen. Om underkylningen inte är för stor kan detta temperaturmaximum väljas som fryspunkten [6]. Speciellt konstruerad fryspunktsmätningsenheten på Energiteknik, KTH. Specifik värmekapacitet Differentiell Scanning Calorimetry (DSC) är en termoanalytisk teknik som mäter skillnaden i mängden värme som krävs för att öka temperaturen av ett prov och en referens. Både provet och referensen hålls vid samma temperatur under hela experimentet. Generellt är temperaturprogrammet för en DSC-analys utformad så att provhållarens temperatur ökar linjärt som en funktion av tiden. Referensprovet bör ha en väldefinierad värmekapacitet över det temperaturintervall som skall skannas. Ett standard DSC instrument verkar inte lämpligt för denna typ av tester på grund av för hög hastighet av scanningens temperaturändring och för liten provvolym. Litteraturstudier visar att för flytande prover, ett mer känsligt instrument med lägre kylnings- eller värmningshastighet
(0,001-2K / min), större provvolym och 3D-Calvet sensor typ behövs. Därför beslöts köpa ett mikro-dsc evo 7 instrument från Setaram Instrumentation för att kunna mäta specifik värmekapacitet med högre noggrannhet och inom några veckor kommer instrumentet att kunna börja användas. Referenser 1. The influence of adsorption type corrosion inhibitors and other additives on the heat transfer and thermo-physical properties of secondary refrigerants in indirect refrigeration systems - Project status report, 2012, Ignatowicz M.; Melinder Å., KTH, Energiteknik, KTH 2. Fundamentals of fluid mechanics, Schetz, J.A.; Fuhs A.E., Wiley, John&Sons, Incorporated. 3. Fundamentals of Fluid Mechanics, Munson B.R., Young D.F., Okishi T.H., Wiley, John&Sons, Incorporated. 4. Operating Instructions Manual No. M/03-165 BROOKFIELD DV-II+ Pro programmable rotational viscometer, 2010, Brookfield Viscometers Limited 5. Hot Disk Thermal Constants Analyser Instruction Manual, 2013, Hot Disk AB 6. Thermophysical properties of liquid secondary refrigerants A Critical Review on Literature References and Laboratory Measurements, Engineering Licentiate thesis, 1998, Melinder Å. För frågor och kommentarer kontakta gärna Monika ( monika.ignatowicz@energy.kth.se).