اخبار
در حال خواندن
مقاله نانو سیال ها و اهمیت آن در انتقال گرما ۱
0

مقاله نانو سیال ها و اهمیت آن در انتقال گرما ۱

توسط دکتر فرهاد صادق۷ آبان, ۱۳۹۵

با پیشرفت تکنولوژی تجهیزاتی تولید شده‌اند که شار گرمایی تولید شده در آنها روز به روز افزایش می‌یابد اما مسئله خنک‌کاری این تجهیزات مشکلی بزرگ در مقابل پیشرفت تکنولوژیست. روش‌های معمول خنک‌کاری تا حد مشخصی قادر به جذب شار گرمایی تولید شده می‌باشد. روش‌های معمول بهبود انتقال گرما بر مبنای افزایش سطح تبادل گرما یا تغییر در میدان و سرعت جریان می‌باشد اما با وجود تمامی راه‌های بهبود انتقال گرما باز یک مشکل اساسی وجود دارد و آن خواص گرمایی ضعیف سیالات کارکن معمول است.

از بیش از یک قرن پیش ماکسول سعی کرد با افزودن ذراتی در ابعاد میلی ومیکرو خواص انتقال گرمایی آنها را بهبود بخشد اما مشکل اصلی با این ذرات ته نشینی سریع آنها بود. به منظور جلوگیری از ته نشینی سریع ذرات، سیال باید مدام در حال حرکت باشد که این امر نیز با ساییدگی سطح لوله‌ها، پمپ‌ها و سایر تجهیزات همراه بود. علاوه بر این استفاده از این نوع مخلوط سیال و جامد برای کانال‌های با ابعاد کوچکتر مناسب نبود زیرا سبب گرفتگی مجرا می‌شود. این نوع سوسپانسیون جامد-مایع کاربرد عملی چندانی نیافت زیرا لازم بود مقدار زیادی(بزرگتر از ۱۰ درصد حجمی) جسم جامد به سیال اضافه شود که این امر به افزایش شدید افت فشار و توان پمپاژ می‌انجامید.

تصویر TEM از نانو ذرات

تصویر TEM از نانو ذرات

در فرآیند توسعه سیال‌های کارآمد، خاصیت هدایت گرمایی سیال نقشی اساسی ایفا می‌کند. با وجود تحقیقات گسترده روی بهبود انتقال گرما، اکثر قابلیت‌ها محدود شده‌اندزیرا سیالات مورد استفاده که شامل آب، روغن‌ها،و مواد آلی می‌شوند ضریب انتقال گرمای به مراتب پایین‌تری حتی از اکثر جامدات دارند. به خوبی می‌دانیم که جامدات فلزی در دمای اتاق ضرایب هدایت گرمایی به مراتب بالاتری نسبت به مایعات دارند. به عنون مثال ضریب هدایت گرمایی مس در دمای اتاق ۷۰۰ برابر آب و ۳۰۰۰ برابر روغن موتور است. بنابراین به نظر می رسد هدایت گرمایی سیالی که در آن ذرات فلزی جامد پخش شده است باید بیشتر از سیال خالص باشد.

تکنولوژی جدید ما را قادر می‌سازد تا به تولید ذرات فلزی یا غیر فلزی با ابعاد زیر ۱۰۰ نانومتر دست یابیم.

نانو ذرات پالادیوم

نانو ذرات پالادیوم

چوی(choi) ، دانشمند کره ای ، با تصور اینکه می‌توان پای تکنولوژی نانو را به حوزه علوم گرمایش و سرمایش وارد نمود نانو سیال را معرفی نمود. نانوسیال‌ شاخه‌ای از نانوتکنولوژی است که از پخش کردن ذراتی با ابعاد کوچکتر از ۱۰۰ نانومتر در سیال پایه بدست می‌آید. این عمل خواص گرمایی سیال پایه را بهبود می‌بخشد.

نانو‌سیال‌ها مشکلات مربوط به سوسپانسون ذرات میکرو را ندارند. در مقایسه با ذرات میکرو، نانو ذرات در سیال بسیار پایدارترند و سطح بسیار بیشتری دارند. نسبت سطح به حجم نانوذرات ۱۰۰۰ برابر میکروذرات است. سطح تبادل حرارت بسیار بالای نانوذرات هدایت گرمایی را بسیار افزایش داده است زیرا انتقال گرما در سطح اتفاق می‌افتد. نانو ذرات چون دارای ابعاد کوچکتری هستند مشکلات مربوط به ساییدگی و انسداد مجراها خود به خود حل می‌شود از طرفی در مقایسه با میکروذرات درصد حجمی کمتری از آنها مورد نیاز است انرژی پمپاژ نیز چندان تغییر نمی‌کند.

انواع نانوذرات

نانوذرات مورد استفاده در نانوسیال‌ها از ذرات مختلفی مثل اکسید‌های سرامیکی( Al2O3 و CuO )، سرامیک‌های نیتریدی( AlNو SiN)، سرامیک‌های کربنی(  SiCو TiC)، فلزات(  Auو AgوCu ) ،نیمه هادی‌ها( TiO2وSiC)، نانولوله‌های کربنی و مواد کامپوزیتی با هسته نانوذره و پوسته پلیمرساخته می‌شوند.

سیال های متداول استفاده شده عبارتند از: آب، اتیلن گلیکول وانواع روغن‌ها

الف-تصویر سیال پایه  بدون افزودن نانو ذرات ب-نانوسیال پایدار به ازای درصد حجمی 3/0%

الف-تصویر سیال پایه بدون افزودن نانو ذرات ب-نانوسیال پایدار به ازای درصد حجمی ۳/۰%

نتیجه محققان حوزه نانو نشان داده است که نانو سیال ها ، سیالاتی هوشمند هستند زیرا به تغییرات دمای سیال واکنش نشان می دهند به صورتی که با افزای دما، ضریب هدایت گرمایی نانو سیال نیز افزایش می یابد. این ویژگی نانو سیال که به ویژه در خنک کاری لکه های داغ بسیار اهمیت دارد. نتایج تحقیقات نشان می دهد که ضریب هدایت گرمایی نانوسیال‌ها به عوامل زیر بستگی دارد:

جنس ذرات، ابعاد ذرات، شکل ذرات، نحوه توزیع ذرات، درصد حجمی ذرات و دمای سیال.

بررسی رفتار نانو سیال ها نشان می دهد که مکانیزم‌های موجود در مورد سوسپانسیون‌هایی که با استفاده از ذرات با ابعاد میکرو بدست آمده‌اند برای توجیه رفتار نانوسیال‌ها کافی نیست که این امر آزمایشات ومطالعات بیشتری را برای کشف مکانیزم‌های دخیل طلب می‌کند.

افزودن نانوذرات به سیال پایه، ضریب انتقال گرمای جابجایی نانوسیال را بیشتر از مقادیر پیش‌بینی شده در روابط کلاسیک   افزایش می‌دهد. اما این مورد در مورد جابجایی طبیعی اثر معکوس دارد و دلیل آن همانطور که ذکر شد وجود اثر گرانش زمین است.

در یک جمع بندی کلی باید گفت که استفاده از نانو سیال ها میزان انتقال گرما را افزایش می دهد اما دنیای نانوسیال با یک مشکل اساسی دست به گریبان است و آن تولید سوسپانسیون پایدار است. نانو سیالات تولید شده برای مدت طولانی پایدار نیستند و پس از مدتی ذرات ته نشین می شوند. تحقیقات بسیار زیادی در زمینه نانوسیال ها در زمینه تولید سیال پایدار با مشخصات انتقال گرمایی بسیار بالا در حال انجام است.

این مقاله همچنان ادامه دارد …

نویسنده : دکتر فرهاد صادق مغانلو

واکنش شما چیست؟
I like it
94%
interested
6%
Hate it
0%
What
0%
درباره نویسنده
دکتر فرهاد صادق
هیئت علمی دانشگاه محقق اردبیلی

پاسخ بدهید