مقالات
در حال خواندن
آشنایی با نانو سیال ها
0

نانو سیالات

گروهي جديد از سيالات که قادر به انتقال حرارت مي‌باشند، نانوسيال ناميده مي‌شوند. نانوسيالات به ‌وسيلة پخش و منتشر کردن ذرات در اندازه‌هاي نانومتري در سيالات متداول منتقل کنندة گرما، به ‌منظور افزايش هدايت گرمايي و بهبود عملکرد انتقال حرارت، ساخته مي‌شوند.
نتايج آزمايش‌هايي که در رابطه با نحوة انتقال حرارت بر روي چندين نمونة نانوسيال انجام شد، نشان مي‌دهد که عملکرد نانوسيالات در انتقال حرارت عموماً بيشتر از آن چيزي است که به ‌صورت نظري پيش‌بيني شده است. اين واقعيت يک کشف اساسي در مسئلة انتقال حرارت مي‌باشد.

ذراتی که در تحقیقات قدیمی به سیالات افزوده می‌شد دارای اندازه‌های میکرومتری بودند. این ذرات پایداری لازم در سوسپانسیون را نداشته و به سرعت ته‌نشین می‌شوند. همین امر سبب می‌شود که مجاری عبور سیال به سرعت مسدود گردد. در حالی که ذرات با اندازه نانو، تشکیل سوسپانسیون‌های بسیار پایدارتری داده و پائین بودن سرعت ته‌نشینی آنها سبب می‌گردد که مشکل گرفتگی و انسداد مجاری به حداقل برسد.

نمودار ۱- درصد افزايش هدايت گرمايي ذرات مس، اکسيد مس و آلومينيم در اتيلن گليکول (EG). همچنين نمايش افزايش هدايت گرمايي نانولوله‌هاي کربني چندجداره در روغن و تطبيق آن با نظريه ماکسول

از نانوسيالات مي‌توان به ‌منظور توسعة سيستم‌هاي کنترل حرارت در بسياري کاربردها از جمله وسايل نقلية سنگين استفاده نمود. کنترل حرارت يکي از عوامل کليدي در فناوري‌‌هاي مربوط به محصولاتي مانند پيل‌ سوختي و وسايل نقلية دوگانه سوز– الکتريکي مي‌باشد که بيشتر آنها تحت دماهاي عمدتاً کمتر از دماي موتورهاي احتراقي داخلي متداول، عمل مي‌کنند.
بنابراين نياز مبرمي به توسعة سيالات انتقال ‌دهندة حرارت با هدايت گرمايي خيلي بالا و نيز انتقال اين فناوري به صنايع خودرو وجود دارد.
اخيراً پژوهش‌هايي در مورد نانوسيالات فلزي حاوي نانوذراتِ مسِ با قطرِ کمتر از ۱۰ نانومتر که در اتيلن گليکول پخش شده بودند انجام شده است. اين پژوهش‌ها نشان مي‌دهد که در جزء حجمي بسيار اندکي از نانوذرات، رسانايي گرمايي مي‌تواند بيشتر از قابليت رسانايي صرف خود سيال و يا نانوسيالات اکسيدي (مانند اکسيد مس و اکسيد آلومنيوم با قطر متوسط ذرات ۳۵ نانومتر) باشد. همان‌طور که در نمودار ۱ نشان داده شده است. به علت اينکه تاکنون هيچکدام از نظريه‌هاي معمول، اثرات ناشي از قطر ذرات و يا هدايت آنها بر روي ميزان هدايت نانوسيالات را پيش‌بيني نکرده‌اند، اين نتايج غير منتظره است.
اخيراً نانوسيالاتي حاوي نانو لوله كربني ساخته شده‌اند و نتايج آزمايش‌هاي انجام شده بر روي اين نانوسيالات نشان داده است که وجود نانولوله‌ها در يک سيال، هدايت گرمايي آن را بطور چشمگيري افزايش مي‌دهد.

جالبتر آنکه افزايش هدايت گرمايي مربوط به نانولوله يک گام از پيش‌بيني ‌هاي انجام شده به وسيلة نظريه‌‌هاي موجود فراتر است. از اين گذشته نمودار هدايت گرمايي اندازه ‌گيري شده بر حسب حجم‌هاي جزئي، به ‌صورت غيرخطي مي‌باشد حال آنکه تئوري‌هاي رايج به وضوح وجود يک نسبت خطي را ميان اين دو پارامتر نشان داده بودند (نمودار ۲).
از ويژگي‌هاي کليدي نانوسيالات که تاکنون کشف شده‌‌اند مي‌توان هدايت‌هاي گرمايي بسيار بالاتر از آنچه که سوسپانسيون‌هاي مرسوم از خود نشان داده بودند، وجود نسبت غير خطي ميان هدايت گرمايي و غلظت نانولوله‌هاي کربني در نانوسيالات و نيز وابستگي شديد هدايت گرمايي به دما و افزايش چشمگير در شار حرارتي بحراني را نام برد. هر کدام از اين ويژگي‌ها در جاي خود براي سيستم‌هاي حرارتي بسيار مطلوب مي‌باشند و در کنار هم، نانوسيالات را بهترين کانديدا براي توليد سرد کننده‌هاي مبتني بر مايع مي‌نمايند. اين يافته‌ها همچنين وجود محدوديت‌هاي اساسي در مدل‌هاي انتقال گرمايي متداول براي سوسپانسيون‌هاي جامد/ مايع را به وضوح نشان مي‌دهد.
از جمله عوامل انتقال حرارت در نانوسيالات، عبارتند از: حرکت نانوذرات، سطح مولکولي لايه‌اي مايع در سطح مشترک مايع با ذرات، انتقال حرارت پرتابه‌اي در نانوذرات و تأثير خوشه‌اي شدن نانوذرات از جمله عوامل انتقال حرارت در نانوسيالات مي‌باشند.
يک پروژة جديد با هدف کشف پارامترهاي کليدي، که در تئوري‌هاي موجود و مفاهيم بنيادي مکانيزم‌هاي افزايش انتقال حرارت نانوسيالات از قلم افتاده‌اند، و نيز کشف مبناي تئوري براي افزايش غير عادي هدايت گرمايي نانوسيالات در جولاي سال ۲۰۰۰ با حمايت وزارت انرژي آمريكا و مرکز انرژي علوم پايه به تصويب رسيد.
ساختار نانوذرات در نانوسيالات در حال بررسي و آزمايش بوسيلة منبع فوتوني پيشرفتة آزمايشگاه ملي آرگون مي‌باشد. بر طبق نتايج گزارش شده از دانشگاه A&M تگزاس، اين دانشگاه در حال مطالعه بر روي ارتباط بين جنبش نانوذرات و افزايش انتقال حرارت در آنها مي‌باشد. با استفاده از نتايج جمع‌آوري شده، توسعة يک مدل جديد انتقال انرژي در نانوسيالات که وابسته به اندازة نانوذره، ساختار و تأثير پويايي بر روي خصوصيات حرارتي نانوسيالات مي‌باشد، امکان پذير شده است.
اين نحوة ارتباط رشته‌هاي مختلف علمي و پروژه‌هاي مشترک منجر به کشف مرزهاي جديدي در تحقيقات ترموفيزيک براي طراحي و مهندسي در زمينة توليد خنک‌کننده‌ها خواهد گرديد. تحقيق در مورد نانوسيالات مي‌تواند به يک پيشرفت غير منتظره در زمينة سيستم‌هاي ترکيبي مايع/جامد، براي کاربردهاي بي‌شمار مهندسي از جمله خنک‌کننده‌هاي اتومبيل‌ها و کاميون‌هاي سنگين بيانجامد.
از عمده‌ترين تأثيرات اين تحقيقات مي‌توان به بيشتر شدن کارايي انرژي، کوچک‌تر و سبک‌تر شدن سيستم‌هاي حرارتي، کمتر شدن هزينه‌هاي عملياتي و پاک‌سازي محيط زيست اشاره نمود.

نمودار ۲- مقادير اندازه‌گيري شده(منحني ‌هاي پيوسته) و مقادير پيش‌بيني شده(خطوط ناپيوسته) افزايش هدايت گرمايي براي نانولوله در نانوسيالات روغن. به علت تشابه کلية مقادير محاسبه شده در حجم‌هاي کوچک، بعضي از مقادير محاسبه شده با مقياس بزرگ‌تري دوباره بر روي نمودار نمايش داده شده‌اند. خط A: همبستگي کروسر هاميلتون، خطB: همبستگي برادي – بونکاز
(Bonnecaze & Brady)، خط C: نظريه ماکسول

نانوسيالات و کاميون هاي پيشرفته :
به علت نياز به موتورهايي با نيروي بيشتر، توليد کنندگان کاميون دائماً در جستجوي راه‌هايي براي گسترش طرح‌هاي آيروديناميک در وسايل نقليه‌شان هستند. از جمله تلاش‌ها در اين زمينه معطوف به کاهش مقدار انرژي مورد نياز جهت مقابله با مقاومت‌هاي بالا مي‌باشد. در يک کاميون سنگين معمولي، با سرعت ۱۱۰ کيلومتر در ساعت، در حدود ۶۵ درصد کل بازده موتور، صرف غلبه بر کشش‌هاي آيروديناميک مي‌شود که يکي از دلايل بزرگ اين امر مقاومت هوا مي‌باشد.
در سيستم‌هاي خنک کننده، با توجه به نوع سيال مورد استفاده رادياتورهاي متفاوتي مورد نياز است. جهت انتقال حرارت از موتور به رادياتور و در نهايت آزاد شدن اين حرارت به محيط اطراف، به کارگيري سيالات با ظرفيت‌هاي گرمايي بالا ضروري مي‌باشد.
اين سيالات قادرند بدون افزايش دماي خودشان حرارت را جذب و سپس آن را بسيار آهسته و بدون نياز به مقدار سيال بيشتر به محيط اطراف منتقل نمايند که اين انتقال آهستۀ گرما به محيط، موجب بزرگي اندازۀ رادياتورهاي وسايل نقليه معمولي مي‌شود.
اگر سرعت انتقال حرارت توسط سيالات به‌گونه‌اي افزايش يابد، طراحي رادياتورها آسان و مؤثرتر شده و مي‌توان آنها را کوچکتر ساخت. همچنين اندازۀ پمپ‌‌هاي خنک کنندۀ وسايل نقليه مي‌تواند کاهش يابد. موتورهاي کاميون‌ها نيز مي‌توانند به علت کارکردن تحت دماهاي بالاتر نيروي بيشتري توليد نمايند. افزايش هدايت گرمايي خنک‌کننده‌ها نيز مي‌تواند ايده‌اي مناسب براي توليد پيل‌هاي سوختي پيشرفته و وسايل نقليۀ دوگانه سوز/الکتريکي باشد.
محققان آزمايشگاه آرگون در حال پيدا کردن روشي براي افزايش زياد هدايت گرمايي خنک کننده‌ها در موتورهاي معمولي بدون بروز تأثيراتي مغاير با ظرفيت‌هاي گرمايي آنها هستند.
بخش انرژي آزمايشگاه آرگون به طور مشترک با کمپاني Valvo Line، در حال کار در زمينۀ توسعۀ خنک‌کننده‌هاي نانوسيالي و روغن‌هاي روان‌ساز براي موتورهاي کاميون مي‌باشد.
محققان آرگون هم‌اکنون از يک روش يک مرحله‌اي براي توليد نانوسيالات بر مبناي نانوذرات فلزي و يک روش دومرحله‌اي براي توليد نانوسيالات بر مبناي نانوذرات اکسيدي، استفاده مي‌کنند که هر دو شيوه، روش‌هاي نسبتاَ آسان و اقتصادي براي توليد نانوسيالات هستند.
هم‌اکنون محققان آرگون در حال بررسي تأثير دوده در روغن موتور مي‌باشند. ميزان دوده در روغن موتور گاهي اوقات بيشتر از حد انتظار است. با وجود اينکه ذرات دوده به کوچکي ذرات نانومتري موجود در نانوسيالات نيستند، محققان دريافتند تجمع آنها در روغن موتور منجر به افزايش ۱۵ درصدي در هدايت گرمايي روغن موتور مي‌شود.
بر اساس اين يافته‌ها محققان حسگري توليد نمودند که با اندازه‌گيري ميزان افزايش هدايت گرمايي ذرات دودۀ جمع شده در روغن موتور قادر به نشان‌دادن نحوۀ عملکرد موتور مي‌باشد.

نانوسيالات فلزي و موتورهاي خنک‌کننده :
ويژگي‌هاي موتورهاي ديزلي از نظر محدوديت در واکنش‌ها و راندمان کار به سرعت در حال دگرگون شدن است. سيستم‌هاي خنک‌کننده بايد بتوانند تحت دماهاي بالاتر کار کرده و مقادير بيشتري گرما به محيط اطراف منتقل کنند. اندازۀ رادياتورها نيز بايد کاهش يابد تا تجهيزات اضافي کاميون‌ها حذف شده و رفت‌و‌آمد با آنها ساده‌تر گردد. به‌طور واقع‌بينانه، محصور کردن نيروي خنک‌کنندۀ بيشتر در فضاي کمتر، تنها با به کار بردن فناوري‌‌هاي جديدي مانند نانوسيالات ممکن خواهد بود.
کاربرد ديگر اين مدل‌سازي‌ها، پيش‌بيني ميزان هدايت گرمايي يک نانوسيال بر مبناي غلظت، دماي عملياتي و اندازۀ نانوذرات پخش شده در سيال مي‌باشد. از اين گذشته اين امکان وجود دارد که خواص نانولايه‌هايي که روي سطح نانوذرات معلق تشکيل مي‌شوند، عاملي براي افزايش بيشتر هدايت گرمايي نانوسيالات مي باشد.
دو مکانيزم کليدي حرکت براوني و نانولايه‌ها، توأماً از مهم‌ترين عوامل افزايش هدايت گرمايي سيالات انتقال دهندۀ گرما مي‌باشند.
محققان آزمايشگاه آرگون در حال بررسي خطرات احتمالي نانوسيالات براي سيستم هاي رادياتور مي‌باشند. آنها موفق به ساخت وسيله‌اي شدند که قادر به اندازه‌گيري و آزمايش تأثيرجريان‌هاي خنک کنندۀ متفاوت بر عملکرد يک رادياتور مي‌باشد.
تحقيقات آينده بيشتر بر روي جنس نانوذرات به کار‌‌رونده در ساخت نانوسيالات از جمله ذرات آلومينيوم و نانوذرات اکسيد فلزي روکش شده متمرکز خواهد شد.

برگرفته از کانون توسعه و پژوهش مکانیک

 

واکنش شما چیست؟
I like it
100%
interested
0%
Hate it
0%
What
0%
درباره نویسنده
رضا قهرمانی
دانشجوی مهندسی مکانیک

پاسخ بدهید