X
تبلیغات
مهندسی شیمی-پتروشیمیChemical Engineering - انتقال گرما به وسیله نانو سیالات

  سرفصل:  تاسیسات

اخیرا استفاده از نانو سیالات که در حقیقت سوسپانسیون پایداری از نانوفیبرها و نانو ذرات جامد هستند،به عنوان راهبردی جدید در عملیات انتقال گرما مطرح شده است.تحقیقات اخیر روی نانو سیالات ، افزایش قابل توجهی را در هدایت گرمای آن ها نسبت به سیالات بدون نانو ذرات و یا همراه با ذرات بزرگتر (ماکرو ذرات)نشان می دهد.از دیگر تفاوتهای این نوع سیالات ، تابعیت شدید هدایت گرمای از دما،همچنین افزایش فوق العاده شار گرمای بحرانی در انتقال گرما جوشش آنهاست.نتایج آزمایشگاهی به دست آمده از نانو سیالات نتایج قابل بحثی است که به عنوان مثال می توان به انطباق نداشتن افزایش هدایت گرما با تئوریهای موجود اشاره کرد.این امر نشان دهنده ناتوانی این مدلها در پیش بینی صحیح خواص نانوسیال است.بنابراین برای کاربردی کردن این نوع از سیالات در آینده و در سیستمهای جدید ، باید اقدام به طراحی و ایجاد مدلها و تئوریهایی شامل اثر نسبت سطح به حجم و فاکتورهای سیالیت نانوذرات و تصحیحات مربوط به آن کرد.

  1. مقدمه

سیستمهای خنک کننده ، یکی از مهمترین دغدغه های کارخانه ها و صنایعی مانند میکرو الکترونیک و هر جایی است که به نوعی با انتقال گرما روبه رو باشد.با پیشرفت فناوری در صنایعی مانند میکرو الکترونیک که در مقیاسهای زیر صد نانومتر عملیاتهای سریع و حجیم با سرعت های بسیار بالا (چند گیگا هرتز) اتفاق می افتد و استفاده از موتورهایی با توان و بار گرمایی بالا اهمیت به سزایی پیدا می کند،استفاده از سیستمهای خنک کننده پیشرفته و بهینه ، کاری اجتناب نا پذیر است.بهینه سازی سیستمهای انتقال گرماموجود،در اثر مواقع به وسیله افزایش سطح آنها صورت می گیرد که همواره باعث افزایش حجم و اندازه این دستگاهها می شود;لذا برای غلبه بر این مشکل،به خنک کننده های جدید و موثر نیاز است و نانوسیالات به عنوان راهکاری جدید در این زمینه مطرح شده اند.نانو سیالات به علت افزایش قابل توجه خواص گرمایی،توجه بسیاری از دانشمندان را در سالهای اخیر به خود جلب کرده است.به عنوان مثال مقدار کمی (حدود یک درصد حجمی )از نانوذرات مس یا نانو لوله های کربنی در اتیلن گلیکول یا روغن به ترتیب افزایش 40 و 150 درصدی در هدایت گرمایی این سیالات ایجاد می کند;در حالی که برای رسیدن به چنین افزایشی در سوسپانسیون های معمولی ، به غلظتهای بالاتر از ده درصد از ذرات احتیاج است;این در حالیست که مشکلات رئولوژیکی و پایداری این سوسپانسیون ها در غلظتهای بالا مانع از استفاده گسترده آنها در انتقال گرما می شود.در برخی از تحقیقات ، هدایت گرمای نانوسیالات ، چندین برابر بیشتر از پیش بینی تئوریها است.از دیگر نتایج بسیار جالب،تابعیت شدید هدایت گرمای نانوسیالات و افزایش تقریبا سه برابری فلاکس گرمای بحرانی آنها در مقایسه باسیالات معمولی است.این تغییرات در خواص گرمای نانوسیالات فقط مورد توجه دانشگاهیان نبوده است،در صورت تهیه موفقیت امیز و تایید پایداری آنها می تواند آینده ای امیدوار کننده در مدیریت گرمای صنعت را رقم بزند.البته از سوسپانسیون نانو ذرات فلزی،در دیگر زمینه ها از جمله صنایع دارویی و درمان سرطان نیز استفاده شده است.به هر حال تحقیق در زمینه نانوذرات،دارای آینده ای بسیار گسترده است.    

  2.تهیه نانوسیالات

بهبود خواص گرمای نانوسیال احتیاج به انتخاب روش تهیه مناسب این سوسپانسیونها دارد تا از ته نشینی و ناپایداری آنها جلوگیری شود.متناسب با انواع کاربرد،انواع بسیاری از نانوسیالات از جمله نانوسیال اکسید فلزات،نیتریت ها،کاربید فلزات و غیر فلزات که به وسیله یا بدون استفاده از سورفکتانت در سیالاتی مانند آب،اتیلن گلیگول و روغن به وجود آمده است.مطالعات زیادی روی چگونگی تهیه نانوذرات و روشهای پراکنده سازی آنها در سیال پایه انجامشده است که در اینجا به طور مختصر چند روش متداول را که برای تهیه نانو سیال وجود دارد ذکر می کنیم.یکی از روشهای متداول تهیه نانوسیال،روش دو مرحله ای است.در این روش ابتدا نانوذره یا نانو لوله معمولا به وسیله روش رسوب بخار شیمیایی(CVD)در فضای گاز بی اثر به صورت پودر های خشک تهیه می شود،در مرحله بعد نانو ذره یا نانو لوله در داخل سیال پراکنده می شود.برای این کار از روشهایی مانند لرزاننده های مافوق صوت و یا از سورفکتانت ها استفاده می شود تا توده های نانوذره ای به حداقل رسیده و باعث بهبود رفتار پراکندگی شود.روش دو مرحله ای برای بعضی موارد مانند اکسید فلزات در آب،دیونیزه شده بسیار مناسب است و برای نانو سیالات شامل نانو ذرات فلزی سنگین،کمتر موفق بوده است.روش دو مرحله ای دارای مزایای اقتصادی بالقوه ای است;زیرا شرکتهای زیادی توانایی تهیه نانو پودر ها در مقیاس صنعتی را دارند.روش یک مرحله ای نیز به موازات روش دو مرحله ای پیشرفت کرده است;به طور مثال نانو سیالاتی شامل نانوذرات فلزی  با استفاده از روش تبخیر مستقیم تهیه شده اند.در این روش ،منبع فلزی تحت شرایط خلا تبخیر می شود.در این روش،تراکم توده نانوذرات به حداقل خود میرسد،اما فشار بخار پایین سیال یکی از معایب این فرایند محسوب می شود;ولی با این حال روشهای شیمیایی تک مرحله ای مختلفی برای تهیه نانو سیال به وجود آمده است که از آن جمله می توان به روش احیای نمک فلزات و تهیه سوسپانسیون آن در حلالهای مختلف برای تهیه نانوسیال فلزات اشاره کرد.مزیت اصلی روش یک مرحله ای ،کنترل بسیار مناسب روی اندازه و توزیع اندازه ذرات است

 3.انتقال گرما در سیالات ساکن

خواص استثنایی نانو سیالات شامل هدایت گرمای بیشتر نسبت به سوسپانسیون های معمولی،رابطه غیر خطی بین هدایت به دما و افزایش شدید فلاکس گرمای در منطقه جوشش است.این خواص استثنایی، به همراه پایداری،روش تهیه نسبتا آسان و ویسکوزیته قابل قبول باعث شده تا این سیالات به عنوان یکی از مناسب ترین و قوی ترین انتخاب ها در زمینه سیالات خنک کننده مطرح شوند.بیشترین تحقیقات روی هدایت گرمای نانوسیالات ، در زمینه سیالات حاوی نانوذرات اکسید فلزی انجام شده است.ماسودا افزایش 30 درصدی هدایت گرما را با اضافه کردن 4.3 درصد حجمی آلومینا به آب گزارش کرده است.لی افزایش 15% درصدی را برای همین نوع نانوسیال با همین درصد حجمی گزارش کرده است که تفاوت این نتایج را ناشی از تفاوت در اندازه نانوذرات به کار رفته در این دو تحقیق می داند.قطر متوسط ذرات آلومینای به کار رفته در آزمایش اول 13 نانومتر و در آزمایش دوم33 نانو متر بوده است.زای و همکاران افزایش 20 درصدی را برای 50 درصد حجمی از همین نانو ذرات گزارش کرده اند.گروه مشابهی برای نانوذرات کاربید سیلیکون نیز به نتایج مشابهی رسیده اند.لی بهبود نسبتا کمتری را در هدایت گرمای نانو سیالات حاوی نانوذرات اکسید مس،نسبت به نانوذرات آلومینا مشاهده کرد;در حالیکه ونگ 17 درصد افزایش هدایت گرما را برای فقط 4% درصد حجمی از نانوذرات اکسید مس در آب گزارش کرده است.برای نانو سیال با پایه اتیلن گلیکول، افزایش بالای 40 درصد برای 3%درصدحجمی مس با متوسط قطر ده نانومتر گزارش شده است.پتل افزایش بالای 21% برای سوسپانسیون 11% حجمی از نانو ذرات طلا و نقره که به ترتیب در آب تولوئن پراکنده شده بودند را مشاهده کرد.در مواردی هم هیچ افزایش قابل توجهی در هدایت مشاهده نشده است.اخیرا تحقیقات دیگری روی وابستگی هدایت به دما برای غلظتهای بالای نانوذرات اکسید فلزات و غلظتهای پایین نانوذرات فلزی در حال انجام است که در هر دو مورد در محدوده دمای 20 تا 50 درجه سانتیگراد افزایش 2 تا 4 برابری در هدایت مشاهده شده است و در صورت تایید این خواص برای دماهای بالاتر می توان نانوسیال را در سیستمهای گرمایشی نیز استفاده کرد.بیشترین افزایش هدایت در سوسپانسیون نانولوله های کربنی گزارش شده است که علاوه بر هدایت گرمای بالا ، نسبت طول به قطر بالایی دارند.از آنجا که نانو لوله های کربنی ،تشکیل یک شبکه فیبری می دهند،سوسپانسیون آنها بیشتر شبیه کامپوزیتهای پلیمری عمل میکند.بیرکاک افزایش 125 درصدی هدایت را در اپوکسی پلیمر-نانولوله حاوی یک درصد نانو لوله حاوی یک درصد نانولوله تک دیواره گزارش کرد،همچنین مشاهده کرد که با افزایش دما ،هدایت گرما افزایش می یابد.چون برای سوسپانسیون یک درصد نانولوله های چند دیواره در روغن 16 درصد افزایش هدایت گرما گزارش کرده است.گزارشها و تحقیقات مختلفی در زمینه افزایش هدایت گرمای سوسپانسیون نانو لوله کربنی ارائه شده است;زای افزایش 10 تا 20 درصدی هدایت گرما را در سوسپانسیون یک درصد حجمی  با سیال آب گزارش کرده است.ون و دینگ نیز 25 درصد افزایش هدایت را در سوسپانسیون 8 درصد حجمی در آب گزارش کرده است.اسیل بیشترین افزایش را 38 درصد برای سوسپانسیون 6 درصد حجمی در آب گزارش کرده است.ون و دینگ افزایش سریع هدایت در غلظتهای حدود 2 درصد حجمی را گزارش کرده و نشان داده است که این افزایش از آن به بعد تقریبا ثابت می ماند. در تمامی گزارشها افزایش هدایت با دما مشاهده شده ;هر چند برای دماهای بالاتر از 30 درجه سانتیگراد این افزایش تقریبا متوقف می شود.     

  4.جریان،جابجایی و جوشش 

 اخیرا ضریب انتقال گرما نانو سیال در جابجایی آزاد و اجباری اندازه گیری شده است.داس آزمایشهای تعیین خواص گرمای جوشش را برای نانوسیال شروع کرد.یو فلاکس گرمای بحرانی نانو سیال آلومینا_آب در حال جوشش را اندازه گیری کرد و افزایش سه برابری در فلاکس گرمای بحرانی (CHF) را نسبت به آب خالص گزارش کرد. در همین زمینه واسالو نانو سیال سیلیکا-آب را تهیه کرد و همان افزایش سه برابری در CHF را گزارش کرد.ضریب انتقال گرما جابجایی آزاد علاوه بر اینکه به هدایت گرما بستگی دارد، به خواص دیگری مانند گرمای ویژه،دانسیته و ویسکوزیته دینامیک نیز وابسته است که البته در این درصدهای حجمی پایین همان طور که انتظار می رفت و مشاهده  شد،گرمای ویژه و دانسیته بسیار به سیال پایه نزدیک است.ونگ ویسکوزیته آلومینا-آب را اندازه گرفت و نشان داد که هر چه ذرات بهتر و بیشتر پراکنده شوند ویسکوزیته پایین تری را مشاهده می کنیم.وی افزایش 30 درصدی در ویسکوزیته را برای سوسپانسیون 3 درصد حجمی گزارش کرد که در مقایسه با نتیجه پک رچو 3 برابر بیشتر به نظر میرسد که نشان دهنده وابستگی ویسکوزیته به روش تهیه نانو سیال است.ژوان ولی ضریب اصطکاک را برای نانو سیال  حاوی یک تا دو درصد ذرات مس به دست آورد و نشان داد که این ضریب تقریبا مشابه سیال پایه آب است.ایستمن نشان داد که ضریب انتقال گرما جابجایی اجباری سوسپانسیون 9 درصد حجمی  از نانو ذرات اکسید مس ،15 درصد بیشتر از سیال پایه است.ژوان ولی ضریب انتقال گرما جابجایی اجباری در جریان آشفته را نیز اندازه گرفتند و نشان دادند که مقدار کمی از نانو ذرات مس در آب دیونیزه شده ، ضریب انتقال گرما را به صورت قابل توجهی افزایش می دهد ، به طور مثال افزودن 2 درصد حجمی از نانو ذرات مس در آب ،حدود 39 درصد انتقال گرما آن را افزایش می دهد. در حالی که در تناقض با نتایج بالا ، پک وچو کاهش 12 درصدی ضریب انتقال گرما را در سوسپانسیون حاوی 3 درصد حجمی از آلومینا و تیتانا در همان شرایط مشاهده کردند.پوترا با کار روی جابجایی آزاد،بر خلاف هدایت و جابجایی اجباری ،کاهش انتقال گرما را مشاهده کرد.داس با انجام آزمایشهای جوشش روی آلومینا- آب نشان داد که با افزایش درصد حجمی نانوذرات،بازدهی جوشش نسبت به سیال پایه کم می شود.وی این کاهش را به تغییر خواص سطحی بویلر به علت ته نشینی نانوذرات روی سطح ناهموار آن نسبت داد نه به تغغیر خواص سیال.یو با اندازه گیری فلاکس گرمای بحرانی برای جوشش روی سطوح تخت و مربعی مس که در نانو سیال آب - آلومینا غوطه ور بودند،نشان داد که فلاکس گرمایی این سیالات سه برابر آب است واندازه متوسط حباب،افزایش و فرکانس تولید آنها کاهش می یابد.این نتایج را واسالو نیز تایید کرد.وی روی نانو سیال آب -سیلیکا کار می کرد و افزایش فلاکس گرمای بحرانی را برای غلظتهای کمتر از یک هزارم درصد حجمی گزارش کرد.هنوز مدلی برای پیش بینی این افزایشها و فاکتورهای موثر بر آن وجود ندارد.     

  5.هدایت گرمای نانوسیال

هدایت گرمای نانو سیال بیشترین مطالعات را به خود اختصاص داده است.این مقاله نیز به هدایت گرمایی در سیال ساکن پرداخته است.از آنجا که نانوسیال جز مواد مرکب و کامپوزیتی محسوب می شود ، هدایت گرمایی آن به وسیله تئوری متوسط موثر به دست می آید که به وسیله موسوتی،کلازیوس،ماکسول و لورانزا در قرن 19 به دست آمد.اگر از تاثیرات سطح مشترک نانو ذرات کروی صرف نظر شود،در مقادیر بسیار اندک نانو ذرات[ f=جز حجمی نانو ذرات] همه مدلهای منتج از تئوری متوسط موثر ، حل یکسانی دارند.در مواردی که نانوذرات دارای هدایت گرمایی بالایی باشند پیش بینی می شود که افزایش هدایت گرمای نانو سیال f*3 خواهد شد که این پیش بینی ، تخمین خوبی برای مواردی است که هدایت ذرات ، بیشتر از 20 برابر هدایت گرمای سیال باشد.      

 

 6.چشم انداز

در ده سال گذشته ، خواص جالبی برای نانو سیالات گزارش شده است که در این میان،هدایت گرما بیشترین توجه را به خود جلب کرده است;ولی اخیرا خواص گرمای دیگری نیز مورد پژوهش قرار گرفته است.نانو سیالات را می توان در زمینه های مختلفی به کار برد،اما این کار با موانعی روبرو است،از جمله اینکه درباره نانوسیال چند نکته باید بیشتر مورد توجه قرار گیرد:

  • تطابق نداشتن نتایج تجربی در آزمایشگاههای مختلف
  • ضعف در تعیین مشخصات سوسپانسیون نانوذرات
  • نبود مدلها و تئوریهای مناسب برای بررسی تغییر خواص نانوسیال.

  نکات برگزیده

خواص استثنایی نانو سیالات شامل هدایت گرمایی بیشتر نسبت به سوسپانسیونهای معمولی،رابطه غیر خطی بین هدایت و غلظت مواد جامد و بستگی شدید هدایت به دما و افزایش شدید فلاکس گرما در منطقه جوشش است.خواص استثنایی،به همراه پایداری،روش تهیه نسبتا آسان  و ویسکوزیته قابل قبول باعث شده تا نانوسیالات به عنوان یکی از مناسب ترین و قوی ترین انتخاب ها در زمینه سیالات خنک کننده مطرح شوند.مقدار کمی (حدود یک درصد حجمی)از نانوذرات مس یا نانولوله های کربنی  در اتیلن گلیکول یا روغن به ترتیب افزایش 40 و 150 درصدی در هدایت گرمایی این سیالات ایجاد میکند.  
+ نوشته شده توسط مهدی بهزادی نسب در سه شنبه 1388/08/19 و ساعت 1:30 |


Powered By
BLOGFA.COM