وبلاگ

یکی از راه‌های بهبود فرایند انتقال حرارت در مبدل‌های حرارتی، افزودن موادی با ضریب هدایت حرارتی بالا به سیال است. محققان سال‌ها بر روی استفاده از مخلوط ذرات جامد معلق بسیار کوچک در ابعاد میکرو در سیال برای بهبود انتقال حرارت کار کردند. اما این سیالات مشکلات فراوانی مانند رسوب گذاری، ناخالصی، خوردگی و افزایش افت فشار و… داشته اند تا اینکه در سال 1881 ایده استفاده از ذرات برای اولین بار توسط ماکسول [2] مطرح شد و انقلاب بزرگی در زمینه انتقال حرارت در سیالات پدید آمد. در واقع او دیدگاه تازه­ای را در مورد سوسپانسیون سیال جامد با ذراتی در ابعاد نانو مطرح کرد. اولین بار ماسودا و همکاران [‎5] این سیال حاوی ذرات معلق را با نام ” نانوسیال” معرفی کردند و بعد از آنها چوی [‎6] در آزمایشگاه آرگون آمریکا این مفهوم را به طور گسترده‌ای توسعه داد.
نانوسیال عبارت است از ذرات بسیار ریز جامد در ابعاد بین 1 تا 100 نانومتر معلق در یک سیال پایه. بطور معمول نانوذرات از جنس فلزاتی مانند مس، آلومینیوم، پتاسیم، سیلیسیم و اکسیدهای آن­ها و همچنین نانولوله‌های کربن و سیالات پایه نیز عمدتا از سیالات با رسانایی نسبتاً پایین‌تر مانند آب، اتیلن گلیکول و سیالاتی از این دسته که در صنعت به عنوان‌ هادی انتقال حرارت مورد استفاده قرار می­گیرند، می­باشند. نانوذرات نسبت به ذرات بزرگتر مانند میکروذرات، بسیار پایدارتر بوده و سطح تماس بیشتری با ناحیه سیال دارند. در واقع دو مشخصه اصلی نانوسیال یکی پایداری بسیار زیاد و دیگری ضریب هدایت حرارتی بسیار بالای آن است. همچنین به دلیل کوچک بودن ذرات، تا حد زیادی مشکلات خوردگی و افت فشار کاهش پیدا می‌کند و همچنین پایداری برخی سیالات در مقابل رسوب­گذاری بطور چشم­گیری بهبود می‌یابد.
2-1  كاربردهای نانوسیال   
از نانوسیال می‌توان برای بهبود انتقال حرارت و افزایش راندمان در سیستم‌های مختلف انرژی همانند خنک‌کاری اتومبیل‌ها و موارد مشابه استفاده كرد. در حال حاضر تعداد مؤسسات صنعتی و تحقیقاتی كه در حال بررسی استفاده از نانوسیال در محصولات خود هستند در حال افزایش است. در مورد زمینه‌های مختلف كاربرد نانوسیال، چه آنان كه بصورت بالقوه وجود دارند و چه آنهایی كه بصورت بالفعل در آمده‌اند، بطور مختصر می‌توان به کاربردهای آن در صنعت حمل و نقل، خنک کاری صنعتی،  رئوکتورهای اتمی، استخراج انرژی از منابع گرمایی و دیگر منابع انرژی، خنک کاری قطعات الکترونیکی، زمینه‌های نظامی، کاربردهای فضایی، زمینه‌های پزشکی و انتقال دارو نام برد. برای کسب اطلاعات کامل در زمینه تولید و کاربرد نانوسیالات می‌توانید به رامیار [‎7] مراجعه کنید.

2-2 پارامترهای تأثیرگذار بر ضریب هدایت حرارتی

نتایج اولیه تجربی از بررسی انتقال حرارت نانوسیال در کانال‌هایی با هندسه‌های مختلف، حاکی از بهبود شدید در ضریب هدایت حرارتی و به تبع آن، ضریب انتقال حرارت جابجایی بود. تحقیقات متعددی برای بررسی علت این رفتار غیر متعارف صورت گرفت و حتی برخی از مقالات در سال‌های اخیر این رفتار را رد کردند. عوامل مؤثر بر خواص انتقال حرارتی نانوسیال عبارتند از:
کسر حجمی، جنس نانوذرات، نوع سیال، اندازه نانوذرات، شکل نانوذرات، دما، حرکت براونی، خوشه‌ای شدن، لایه‌ای شدن در اطراف

 نانوذره، ترموفورسیس، دیفیوژئوفورسیس.

برای توضیحات بیشتر در مورد هر یک از این عوامل می‌توانید به رامیار [‎7] مراجعه فرمایید.

2-3 تعیین خواص نانوسیال

تاکنون محققان بسیاری در زمینه بدست آوردن خواص نانوسیالات پژوهش‌های متعددی انجام داده‌اند. در ‏جدول 2-1خواص برخی سیال‌ها و نانوذرات آورده شده است. در این پژوهش از نانوذره TiO2  استفاده شده است. همانطور که در قسمت قبل نیز اشاره شد، با توجه به تغییر غیر طبیعی خواص نانوسیال، بخصوص ضریب انتقال حرارت هدایتی و لزجت دینامیکی، تلاش‌های زیادی در جهت شناخت عواملی که منجر به این تغییرات می‌شوند و دستیابی به رابطه مناسب برای تعیین این خصوصیات صورت گرفته است. در این بخش به بررسی روابط استفاده شده در این پژوهش پرداخته می‌شود
گرمایش و سرمایش یک سیستم توسط سیال در بسیاری از صنایع مانند صنایع الکترونیک، نیروگاه­ها، دستگاه­های نوری، آهنرباهای ابر رسانا، کامپیوتر­های فوق سریع، موتور اتومبیل و … حائز اهمیت است. با توجه به طراحــی سیستم­های خنک‌کننده و گرمایشی بر پایه روش‌های مختلف انتقال حرارت و محدودیت منابع طبیعی و تمایل به کاهش هزینه­ها ، توسعه تکنیک­های موثر انتقال حرارت بسیار ضروری می­باشد. در این فصل بطور مختصر، برخی از اثرات و نتایج در ابعاد میکرو مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

3-1 دلایل گرایش به ابعاد میکرو

فرایند انتقال حرارت به مساحت سطح دیواره بستگی دارد که برای هندسه دایروی با قطر لولهD   متناسب است، در حالیکه دبی حجمی سیال عبوری با سطح مقطع سیال متناسب است که بطور خطی با D2 تغییر می‌کند. بنابراین نسبت مساحت دیواره به حجم سیال که معیاری از نسبت گرمای دفع شده توسط کانال مورد نظر به دبی سیال عبوری یا حجم سیال موجود است و در طراحی مبدل‌های حرارتی بخصوص میکرو مبدل‌ها از اهمیت زیادی برخوردار است، با 1/D تغییر می‌کند. بنابراین با کاهش قطر، نسبت مساحت دیواره به حجم سیال و کارآیی حرارتی مبدل افزایش می‌یابد. بنابراین با کاهش قطر هیدرولیکی کانال، نسبت سطح به حجم آن و در نتیجه کارآیی حرارتی آن افزایش می‌یابد.

3-2 دسته‌بندی کانال‌ها از لحاظ ابعاد

معیارهای مختلفی برای دسته‌بندی کانال‌ها وجود دارد. همان‌طور که در بخش بعد خواهیم گفت، نتایج برخی تحقیقات حاکی از تغییر رفتار سیال در ابعاد کوچک است. در مورد این‌که آیا این تغییرات اصولاً وجود دارند یا این‌که در صورت وجود برای یک هندسه کانال خاص از چه قطر هیدرولیکی اتفاق می‌افتند، اختلاف وجود دارد، اما آنچه که در مورد آن توافق کلی وجود دارد، عدم تبعیت گاز از شرط عدم لغزش در دیواره کانال در ابعاد خیلی کو‌چک است. ‏جدول 3-1 دسته‌بندی کانال‌ها را از لحاظ ابعاد یا قطر هیدرولیکی نشان می‌دهد که با توجه به نتایج موجود، به نظر می‌رسد محدوده میکروکانال آن بر اساس لغزش سیال انتخاب شده است[‎7].
 
3-3  اثرات ابعادی در میکروکانال
با توجه به فرضیاتی که در رسیدن به معادلات حاکم بر جریان سیال در کانال‌هایی با ابعاد معمول از آنها استفاده می‌شود، همانند فرض جریان پایا و خواص ثابت سیال، به نظر می‌رسد که با تغییر ابعاد کانال، معادلات برقرار هستند. اما با دقت بیشتر مشاهده خواهد شد که برخی از فرضیات در ابعاد خیلی کوچک برقرار نیستند یا برخی موارد جدید باید درنظر گرفته شوند که بر معادلات حاکم تأثیر خواهند گذاشت. در این قسمت به بررسی اجمالی اثر ترم اتلاف لزجی، که در این پایان‌نامه مورد بررسی قرار گرفته است، بر شرایط فیزیکی جریان پرداخته خواهد شد. برای بررسی مفصل این اثرات می‌توانید به رامیار ]7[ مراجعه کنید.

3-3-1   اثر ورودی

عدد ناسلت در جریان آرام درون كانال‌ها، تنها برای جریان كاملاً توسعه‌یافته یعنی حالتی كه پروفیل سرعت و گرادیان دما بدون تغییر باقی بمانند، ثابت است. در ناحیه ورودی، پروفیل سرعت و دما در حال توسعه می‌باشند و عدد ناسلت تغییر می‌كند. در تئوری كلاسیک دینامیک سیال، دو طول ورودی حائز اهمیت هستند:
1- طول ورودی هیدرودینامیكی، Lh، كه بعد از آن پروفیل سرعت توسعه‌ یافته می‌شود.
2- طول ورودی دما Lt كه بعد از آن پروفیل دما توسعه یافته می‌شود.
هرگاه هیچ‌كدام از پروفیل‌های سرعت و دما توسعه ‌یافته نباشند، گفته می‌شود كه جریان به ‌طور همزمان در حال توسعه است، یعنی جریان در حال توسعه هیدرودینامیكی و گرمایی است.
هرگاه پروفیل سرعت توسعه یافته باشد و پروفیل دما در حال توسعه باشد، جریان را از لحاظ گرمایی در حال توسعه گویند كه در این حالت تنها طول ورودی گرمایی حائز اهمیت است.