بایگانی دسته بندی ها : نانوسیال

خواص ترموفیزیکی نانوسیال

۱) ضریب هدایت حرارتی

ضریب هدایت حرارتی مهمترین پارامتر برای نشان دادن پتانسیل نانوسیال برای افزایش انتقال حرارت می‌باشد. مطالعات تجربی در زمینه‌ی ضریب هدایت حرارتی نانوسیال در چند سال اخیر رشد زیادی نموده و مشخص شده که نتایج اکثر آزمایشات انجام گرفته بیشتر از پیش‌‌‌بینی‌های ریاضی برای هدایت می‌باشد. در ارائه مدل‌های ریاضی ضریب هدایت حرارتی سیال معمولاً به دو صورت عمل می‌شود: یا از مدل های ماکرو، با ایجاد محدودیت‌ها و ضرایب تصحیح استفاده می‌کنند و یا از مدل‌های مولکولی که فرض پیوستگی در آن اثری ندارد، استفاده می‌شود.

۱-۱) پارامتر‌های مؤثر بر ضریب هدایت حرارتی

۱) جنس نانوذرات

۲) جنس سیال پایه: درصد افزایش ضریب هدایت حرارتی نانوسیالی که از سیال پایه ضعیف‌تر ساخته شده است بیشتر می‌باشد. این مسئله مطلوب است، زیرا افزایش ضریب هدایت حرارتی در سیالی با ضریب هدایت حرارتی پائین و کوچک مد نظر است.

۳) اندازه نانوذرات: طبق آزمایشات انجام شده اندازه نانوذرات، با توجه به نوع نانوسیال تأثیر متفاوتی بر ضریب هدایت حرارتی نانوسیال دارد. طبق مطالعات نارکی و همکارانش، ضریب هدایت حرارتی نانوسیال با کاهش اندازه نانوذرات افزایش می‌یابد.

۴) شکل نانوذرات: نتایج تحقیقات صورت گرفته بیانگر آن است که، نانوذرات به شکل استوانه‌ای و یا باریک نسبت به نانوذرات کروی، تأثیر بیشتری بر افزایش ضریب هدایت حرارتی نانوسیال دارند.

۵) افزودنی‌ها: مطابق با پژوهش های انجام شده، افزودنی‌ها موجب افزایش ضریب هدایت حرارتی می‌شوند.

۶) دما: نتایج تمامی آزمایشات صورت گرفته حاکی از آن است که افزایش دما باعث افزایش ضریب هدایت حرارتی است.

۷) درصد حجمی نانوذرات: با توجه به نتایج تجربی، ضریب هدایت حرارتی نانوسیال با افزایش درصد حجمی نانوذرات افزایش می‌یابد.

۸) اسیدیته سیال: تحقیقات کمی در خصوص تأثیر اسیدیته سیال بر ضریب هدایت حرارتی صورت گرفته است، نتایج آزمایشات انجام شده بیانگر آن است که اسیدیته سیال تأثیر مثبتی در افزایش ضریب هدایت حرارتی نانوسیال دارد.

۲-۱) مدل‌های ریاضی ارائه شده برای محاسبه ضریب هدایت حرارتی

مدل ماکسول یکی از اولین مدل های ریاضی در خصوص هدایت حرارتی سوسپانسیون‌های ماکرو می‌باشد که این مدل فقط برای ذرات کروی مناسب می‌باشد و در مورد ذرات غیر کروی خطای بالائی را از خود نشان می‌دهد. در این مدل هدایت حرارتی سوسپانسیون فقط تابعی از درصد حجمی ذره و هدایت حرارتی سیال و ذره می‌باشد:

d1

پس از مدل ماکسول، مدل همیلتون کروز در سال ۱۹۶۲ میلادی برای هدایت حرارتی مؤثر مخلوط دو جزئی ارائه شد که علاوه بر درصد حجمی و هدایت حرارتی سیال و ذره، شکل ذرات معلق را نیز در هدایت حرارتی سوسپانسیون مؤثر دانست:

d2

n فاکتور شکل و ψ عبارتست از نسبت مساحت کره (با حجمی برابر حجم ذره) به مساحت سطح ذره؛ که نشان دهنده‌ی افزایش هدایت حرارتی مؤثر ذرات غیر کروی می‌باشد.

مدل لوو و لین برای ذرات کروی و غیرکروی نیز بصورت مقابل می‌باشد:

d3

با توجه به اینکه مدل های ارائه شده در مقیاس ماکرو برای سوسپانسیون های جامد/ مایع انطباق خوبی بر روی نانوسیال ندارند، دانشمندان در چند سال اخیر در پی ارائه مدل های مناسب و اصلاحات لازم روی این مدل ها بوده‌اند. یکی از اساسی ترین مشکل این مدل ها، عدم در نظر گرفتن اندازه ذره می‌باشد. در حالیکه آزمایشاتی که روی اندازه های متفاوت ذرات انجام شده است به خوبی این موضوع را آشکار می‌سازد که با کوچکتر شدن ذره، هدایت حرارتی بیشتری در سوسپانسیون بوجود می‌آید.

از مدل های دیگری که در این زمینه ارائه شد، مدل یو و چوی است. آن‌ها بیان کردند که مدل ساختاری نانوسیال ممکن است شامل مایع بالک، نانو ذره جامد و نانو لایه شبه جامد (همان لایه بین وجهین) باشد که نانو لایه شبه جامد مانند یک پل گرمایی بین نانو ذره جامد و مایع بالک عمل می‌کند. این مدل به فرم زیر است:

d4

که β  نسبت ضخامت نانو لایه به شعاع ذره اصلی است. در این مدل، تخمین ضریب هدایت حرارتی، هنگامی که قطر ذره کمتر از ۱۰ نانو متر باشد، دارای صحت و دقت بیشتری است.

چوی در سال ۲۰۰۶ برای ضریب هدایت حرارتی ناشی از حرکت براونی، مدلی را ارائه داد که تخمین های حاصل از این مدل در تطابق خوبی با نتایج آزمایشگاهی است.

d5

ثابت تجربی C1 برابر ۱۰۶×۶ است، β ثابت مرتبط با مقاومت کاپیتزا نیز برابر ۰٫۰۱ است.

۳-۱) مقایسه مدل های ارائه شده

اکثر مدل های ارائه شده بر اساس مدل های ماکرو (مدل ماکسول و همیلتون و…) شکل گرفته که مورد تصحیح قرار گرفته‌اند. در رابطه با ضریب هدایت حرارتی سوسپانسیون های نانوذرات، در ابتدا تئوری هایی ارائه شدند که این تئوری ‌ها تنها به ضرایب هدایت حرارتی جامد و مایع و درصد حجمی ذرات جامد بستگی داشتند اما مکانیسم ها و مدل هایی که به دنبال آن‌ها مطرح شدند، بیانگر عدم توانایی این تئوری‌ها در تحلیل و توجیه افزایش ضریب هدایت حرارتی نانوسیال بودند.

۲) ویسکوزیته

ویسکوزیته مؤثر نانوسیال برای سوسپانسیون های رقیق، با استفاده از مدل انیشتین بصورت زیر می‌باشد:

%d8%a81

۳) چگالی

چگالی مؤثر نانوسیال با استفاده از تئوری مخلوط ها بصورت زیر محاسبه می‌گردد:

%d8%a83

۴) ظرفیت گرمایی ویژه

ظرفیت گرمایی ویژه مؤثر نانوسیال را نیز با استفاده از تئوری مخلوط ها می‌توان با رابطه زیر بدست آورد:

%d8%a82

منبع:

منصوری مهران، محمدی رفعت، “شبیه سازی جریان و انتقال حرارت نانوسیال در میکروکانال مستطیلی در جریان آرام”، دانشگاه اراک، ۱۳۹۳٫

نانوسیال

مقدمه

امروزه نیاز به سیستم های کارامد و بهینه به منظور کاهش مصرف انرژی و افزایش بازده به عنوان یک چالش مطرح هستش. یکی از فرایندهای مهم در صنایع مختلف، خنک کاری است. خنک کاری معمولاً توسط سیالات رایج انجام می گیره که این سیالات نسبت به جامدات دارای خواص حرارتی ضعیفی هستند. خواص حرارتی مناسب جامدات این ایده را به ذهن می رسونه که از مخلوط ذرات ریز جامد درون سیال به منظور بهبود خواص حرارتی سیال استفاده کنیم، اما چه چیزی مانع از انجام این عمل میشه؟ مشکل اصلی پایداریست، چون ترکیب نهایی ذرات جامد در ابعاد میلی/میکرومتر در سیال، ترکیب پایداری نیست و پس از مدتی کوتاه، ذرات جامد درون سیال ته نشین شده و باعث مسدود شدن مسیر عبور سیال می شوند. اما در سال ۱۹۹۵ آقای چوی سوسپانسیونی از نانوذرات جامد در مایع را معرفی کرد که مشکل عدم پایداری را نداشت !

نانوسیال چیست؟

نانوسیال، نسل جدیدی از سیالات با پتانسیل بسیار زیاد در کاربردهای صنعتی است. با توسعه سریع تکنولوژی مدرن در صنایع مختلف، افزایش انتقال حرارت، کاهش مصرف انرژی، کاهش ابعاد مبدل های حرارتی و نهایتاً افزایش راندمان سیستم های انتقال حرارت یک نیاز جدی است. در حال حاضر، خنک کاری به عنوان یکی از مهمترین چالش های موجود در صرفه جویی انرژی و افزایش بهره وری بسیاری از صنایع مطرح می باشد. اولین مانع جدی در فشرده سازی و کارامد کردن سیستم های انتقال حرارت، خواص ضعیف انتقال حرارت سیالات متداولی همچون آب و اتیلن گلیکول می باشد. در فرایندهای انتقال حرارت هدایتی و جابه جایی، یکی از مشخصه های مؤثر سیال، ضریب هدایت حرارتی آن است. بالا بودن این مشخصه بیانگر بالا بودن نرخ انتقال حرارت توسط هر یک از دو مکانیسم یاد شده است. با توجه به اینکه جامدات فلزی و اکسیدهای آنها هدایت بالاتری نسبت به سیالات دارند، ایده پراکنده سازی ذرات جامد در سیال، برای بالا بردن هدایت حرارتی سیال به وجود آمد، که این ایده در سال ۱۸۸۱ به وسیله پراکنده سازی ذرات جامد میکرو و میلی متری در سیال عملی شد، ولی همواره مشکلات عدم پایداری، ته نشینی، سائیدگی و فرسایش مجاری و مسدود کردن لوله ها در مورد این سیالات مانع از دستیابی به یک محصول تجاری شده است. چوي درسال ۱۹۹۵ ميلادي در مؤسسه تحقيقاتي آرگونه آمريکا، اولين کسي بود که از لفظ “نانوسیال” براي سوسپانسيون هاي نانو ذره در مايع استفاده کرد و ادّعا کرد که چنين سيالاتي هم از نظر تهيه و هم از نظر خواص پايداري و انتقالي در مقايسه با سوسپانسيون هاي معمولي جامد/مایع و ماکرو سيالات تفاوت هاي فراواني دارند. تفاوت اساسي نانوسیال با سوسپانسيون هاي معمولي از اندازه بسيار ريز ذرات پراکنده نشأت مي گيرد. زیرا بسياري از نيروهاي مؤثر در بُعد ماکرو، با کوچک شدن ذرات تأثير خود را از دست می دهند و جاي خود را به نيروهاي بين مولکولي مي دهند. بیشترین تأثیر ذرات نانو در خواص انتقالی سیال پایه، به‌ویژه در خواص انتقال گرما می باشد.

کاربردها

پيش بيني مي‌شود نانوسيال با داشتن هدایت حرارتي بالا و پايداري فوق العاده آن در آينده اي نزديک در گستره عظيمي از صنعت و علوم مختلف مورد استفاده قرار گيرد که عمده ترين آنها عبارتند از:

صنعت حمل و نقل: با استفاده از نانوسیال خواص حرارتی سیال بهبود پیدا کرده و مقدار سیال مصرفی کاهش می یابد، در نتیجه می توان از رادیاتورهای کوچکتری برای ماشین ها استفاده کرد.

صنایع هوا و فضا: استفاده از نانوسيال در مبدل هاي گرمايي منجر به کاهش چشمگيري در دبي سيال عامل می‌شود، که در نهايت مبدل هاي گرمايي با اندازه و وزن کمتر طراحي می‌شود که در صنايع هوا و فضا نياز به چنين سيستم هايي احساس مي شود.

سیستم های میکرو الکترو مکانیک: براي خنک کردن سيستم هاي این چنینی، که شار گرمايي بالايي ايجاد مي‌کنند، بايستي از کانال هاي بسيار باريک براي جريان سيالِ خنک کننده استفاده شود که سيالات معمولي توانايي لازم را براي خنک کردن اين سيستم ها را ندارند. در حالي که نانوسيال بدون مسدود کردن اين کانال ها، مي تواند منتقل کننده اين شار بالاي گرمايي باشند .

انرژی های تجدیدپذیر: در توليد و ذخيره انرژي هاي تجديد پذير مانند باطري هاي خورشيدي انتقال گرما به وسيله نانوسيال از گيرنده انرژي تا ذخيره سازي آن، به صورت مؤثرتري عمل مي‌کنند.

راکتورهای هسته ای: با توجه به ویژگی های نانوسیالات، استفاده از آن‌ها در نیروگاه های هسته ای به عنوان سیال خنک کننده راکتورها منطقی و اقتصادی می‌باشد. افزایش شار حرارتی بحرانی تا حدود ۲۰۰% ، افزایش میزان حرارت دفع شده در هنگام بروز حوادث ناگهانی در راکتورها و افزایش ضریب ایمنی راکتورهای اتمی از جمله مزایا و پتانسیل های برجسته استفاده از نانوسیال در راکتورهای هسته ای بشمار می‌رود.

تراشه هاي ابر‌کامپيوتري: با توجه به خواص حرارتی مناسب نانوسیال می توان از آن در سيستم هاي محاسباتي با سرعت زياد و تجهيزات الکترونيکي با توان بالا استفاده کرد.

بیو داروها: کاربرد نانوسیالات به عنوان رساننده نانو دارو به سلول های معیوب و تومورها می‌باشد. بدین صورت که به وسیله اعمال نیروهای مغناطیسی نانو ذره فعال شده و باعث از بین رفتن سلول های مریض بدون آسیب رسانی به دیگر سلول ها می‌شود. که در اینجا از خون به عنوان سیال پایه استفاده می‌کنند.

مزایا

توانایی خنک سازي ميکروکانال‌ها: اگر نانو ذرات بزرگتر از چند نانومتر نباشند، امکان استفاده از نانوسیالات در ميکروکانا‌ل‌ها وجود دارد.

حداقل گرفتگی: ذرات با اندازه ميکرون به خاطر مشکلات گرفتگي در تجهيزات انتقال حرارت عملي، کاربرد ندارند.

کاهش ابعاد سيستم ها: تکنولوژي نانوسيالات امکان ساخت مبدل‌های حرارتي کوچکتر را فراهم می‌سازد.

صرفه جويي در انرژي و هزينه: استفاده از نانوسيالات از آنجا که منجر به ساخت مبدل‌هاي حرارتي سبک تر و کوچک تر مي‌شود، صرفه جويي قابل توجهي را در انرژي و هزينه به دست مي‌دهند.

کاهش فرسایش و اصطکاک: نانو ذرات به علت انرژی جنبشی کمی که در برخورد با سطح ایجاد می‌کنند، اصطکاک و فرسایش کمی را ایجاد کرده و صدمه کمتری را به کانال ها و پمپ ها می‌زنند.

روش‌های تهیه

روش تک مرحله‌ای: در این روش، نانوذرات فلزی با استفاده از روش تبخیر مستقیم (منبع فلزی تحت شرایط خلاء تبخیر می‌شود) تهیه می‌شوند. در این فرایند، تراکم توده نانو ذرات به حداقل خود می‌رسد، اما فشار بخار پایین سیال یکی از معایب آن محسوب می‌شود. مزیت اصلی این روش، کنترل بسیار مناسب روی اندازه و توزیع اندازه ذرات است.

روش دو مرحله‌ای: در این روش ابتدا نانو ذره یا نانو لوله معمولاً به وسیله روش رسوب بخار شیمیایی (CVD) در فضای گاز بی‌اثر به صورت پودرهای خشک تهیه می‌شود، در مرحله بعد نانو ذره یا نانو لوله در داخل سیال پراکنده می‌شود. برای این کار از روش‌هایی مانند لرزاننده‌های مافوق صوت و یا از سورفکتانت‌ها استفاده می‌شود تا توده‌های نانو ذره‌ای به حداقل رسیده و باعث بهبود رفتار پراکندگی شود. روش دو مرحله‌ای برای بعضی موارد مانند اکسید فلزات در آب دیونیزه شده بسیار مناسب است و برای نانوسیالات شامل نانوذرات فلزی سنگین، کمتر موفق بوده است. روش دو مرحله‌ای دارای مزایای اقتصادی بالقوه‌ای است؛ زیرا شرکت‌های زیادی توانایی تهیه نانوپودرها در مقیاس صنعتی را دارند.

 منبع:

منصوری مهران، محمدی رفعت، “شبیه سازی جریان و انتقال حرارت نانوسیال در میکروکانال مستطیلی در جریان آرام”، دانشگاه اراک، ۱۳۹۳٫