مقاله انتقال گرما به وسيله نانو سيالات

[mim-shimi 25,686]

اخيرا استفاده از نانو سيالات که در حقيقت سوسپانسيون پايداري از نانوفيبرها و نانو ذرات جامد هستند،به عنوان راهبردي جديد در عمليات انتقال گرما مطرح شده است.تحقيقات اخير روي نانو سيالات ، افزايش قابل توجهي را در هدايت گرماي آن ها نسبت به سيالات بدون نانو ذرات و يا همراه با ذرات بزرگتر (ماکرو ذرات)نشان مي دهد.از ديگر تفاوتهاي اين نوع سيالات ، تابعيت شديد هدايت گرماي از دما،همچنين افزايش فوق العاده شار گرماي بحراني در انتقال گرما جوشش آنهاست.نتايج آزمايشگاهي به دست آمده از نانو سيالات نتايج قابل بحثي است که به عنوان مثال مي توان به انطباق نداشتن افزايش هدايت گرما با تئوريهاي موجود اشاره کرد.اين امر نشان دهنده ناتواني اين مدلها در پيش بيني صحيح خواص نانوسيال است.بنابراين براي کاربردي کردن اين نوع از سيالات در آينده و در سيستمهاي جديد ، بايد اقدام به طراحي و ايجاد مدلها و تئوريهايي شامل اثر نسبت سطح به حجم و فاکتورهاي سياليت نانوذرات و تصحيحات مربوط به آن کرد.

مقدمه

 

 

سيستمهاي خنک کننده ، يکي از مهمترين دغدغه هاي کارخانه ها و صنايعي مانند ميکرو الکترونيک و هر جايي است که به نوعي با انتقال گرما روبه رو باشد.با پيشرفت فناوري در صنايعي مانند ميکرو الکترونيک که در مقياسهاي زير صد نانومتر عملياتهاي سريع و حجيم با سرعت هاي بسيار بالا (چند گيگا هرتز) اتفاق مي افتد و استفاده از موتورهايي با توان و بار گرمايي بالا اهميت به سزايي پيدا مي کند،استفاده از سيستمهاي خنک کننده پيشرفته و بهينه ، کاري اجتناب نا پذير است.بهينه سازي سيستمهاي انتقال گرماموجود،در اثر مواقع به وسيله افزايش سطح آنها صورت مي گيرد که همواره باعث افزايش حجم و اندازه اين دستگاهها مي شود;لذا براي غلبه بر اين مشکل،به خنک کننده هاي جديد و موثر نياز است و نانوسيالات به عنوان راهکاري جديد در اين زمينه مطرح شده اند.

 

نانو سيالات به علت افزايش قابل توجه خواص گرمايي،توجه بسياري از دانشمندان را در سالهاي اخير به خود جلب کرده است.به عنوان مثال مقدار کمي (حدود يک درصد حجمي )از نانوذرات مس يا نانو لوله هاي کربني در اتيلن گليکول يا روغن به ترتيب افزايش 40 و 150 درصدي در هدايت گرمايي اين سيالات ايجاد مي کند;در حالي که براي رسيدن به چنين افزايشي در سوسپانسيون هاي معمولي ، به غلظتهاي بالاتر از ده درصد از ذرات احتياج است;اين در حاليست که مشکلات رئولوژيکي و پايداري اين سوسپانسيون ها در غلظتهاي بالا مانع از استفاده گسترده آنها در انتقال گرما مي شود.

 

در برخي از تحقيقات ، هدايت گرماي نانوسيالات ، چندين برابر بيشتر از پيش بيني تئوريها است.از ديگر نتايج بسيار جالب،تابعيت شديد هدايت گرماي نانوسيالات و افزايش تقريبا سه برابري فلاکس گرماي بحراني آنها در مقايسه باسيالات معمولي است.

 

اين تغييرات در خواص گرماي نانوسيالات فقط مورد توجه دانشگاهيان نبوده است،در صورت تهيه موفقيت اميز و تاييد پايداري آنها مي تواند آينده اي اميدوار کننده در مديريت گرماي صنعت را رقم بزند.البته از سوسپانسيون نانو ذرات فلزي،در ديگر زمينه ها از جمله صنايع دارويي و درمان سرطان نيز استفاده شده است.به هر حال تحقيق در زمينه نانوذرات،داراي آينده اي بسيار گسترده است.

 

 

2.تهيه نانوسيالات

 

 

بهبود خواص گرماي نانوسيال احتياج به انتخاب روش تهيه مناسب اين سوسپانسيونها دارد تا از ته نشيني و ناپايداري آنها جلوگيري شود.متناسب با انواع کاربرد،انواع بسياري از نانوسيالات از جمله نانوسيال اکسيد فلزات،نيتريت ها،کاربيد فلزات و غير فلزات که به وسيله يا بدون استفاده از سورفکتانت در سيالاتي مانند آب،اتيلن گليگول و روغن به وجود آمده است.مطالعات زيادي روي چگونگي تهيه نانوذرات و روشهاي پراکنده سازي آنها در سيال پايه انجامشده است که در اينجا به طور مختصر چند روش متداول را که براي تهيه نانو سيال وجود دارد ذکر مي کنيم.

 

يکي از روشهاي متداول تهيه نانوسيال،روش دو مرحله اي است.در اين روش ابتدا نانوذره يا نانو لوله معمولا به وسيله روش رسوب بخار شيميايي(CVD)در فضاي گاز بي اثر به صورت پودر هاي خشک تهيه مي شود،در مرحله بعد نانو ذره يا نانو لوله در داخل سيال پراکنده مي شود.براي اين کار از روشهايي مانند لرزاننده هاي مافوق صوت و يا از سورفکتانت ها استفاده مي شود تا توده هاي نانوذره اي به حداقل رسيده و باعث بهبود رفتار پراکندگي شود.روش دو مرحله اي براي بعضي موارد مانند اکسيد فلزات در آب،ديونيزه شده بسيار مناسب است و براي نانو سيالات شامل نانو ذرات فلزي سنگين،کمتر موفق بوده است.

 

روش دو مرحله اي داراي مزاياي اقتصادي بالقوه اي است;زيرا شرکتهاي زيادي توانايي تهيه نانو پودر ها در مقياس صنعتي را دارند.

 

روش يک مرحله اي نيز به موازات روش دو مرحله اي پيشرفت کرده است;به طور مثال نانو سيالاتي شامل نانوذرات فلزي با استفاده از روش تبخير مستقيم تهيه شده اند.در اين روش ،منبع فلزي تحت شرايط خلا تبخير مي شود.

 

در اين روش،تراکم توده نانوذرات به حداقل خود ميرسد،اما فشار بخار پايين سيال يکي از معايب اين فرايند محسوب مي شود;ولي با اين حال روشهاي شيميايي تک مرحله اي مختلفي براي تهيه نانو سيال به وجود آمده است که از آن جمله مي توان به روش احياي نمک فلزات و تهيه سوسپانسيون آن در حلالهاي مختلف براي تهيه نانوسيال فلزات اشاره کرد.مزيت اصلي روش يک مرحله اي ،کنترل بسيار مناسب روي اندازه و توزيع اندازه ذرات است.

 

 

3.انتقال گرما در سيالات ساکن

 

 

خواص استثنايي نانو سيالات شامل هدايت گرماي بيشتر نسبت به سوسپانسيون هاي معمولي،رابطه غير خطي بين هدايت به دما و افزايش شديد فلاکس گرماي در منطقه جوشش است.اين خواص استثنايي، به همراه پايداري،روش تهيه نسبتا آسان و ويسکوزيته قابل قبول باعث شده تا اين سيالات به عنوان يکي از مناسب ترين و قوي ترين انتخاب ها در زمينه سيالات خنک کننده مطرح شوند.

 

بيشترين تحقيقات روي هدايت گرماي نانوسيالات ، در زمينه سيالات حاوي نانوذرات اکسيد فلزي انجام شده است.

 

ماسودا افزايش 30 درصدي هدايت گرما را با اضافه کردن 4.3 درصد حجمي آلومينا به آب گزارش کرده است.لي افزايش 15% درصدي را براي همين نوع نانوسيال با همين درصد حجمي گزارش کرده است که تفاوت اين نتايج را ناشي از تفاوت در اندازه نانوذرات به کار رفته در اين دو تحقيق مي داند.قطر متوسط ذرات آلوميناي به کار رفته در آزمايش اول 13 نانومتر و در آزمايش دوم33 نانو متر بوده است.زاي و همکاران افزايش 20 درصدي را براي 50 درصد حجمي از همين نانو ذرات گزارش کرده اند.گروه مشابهي براي نانوذرات کاربيد سيليکون نيز به نتايج مشابهي رسيده اند.لي بهبود نسبتا کمتري را در هدايت گرماي نانو سيالات حاوي نانوذرات اکسيد مس،نسبت به نانوذرات آلومينا مشاهده کرد;در حاليکه ونگ 17 درصد افزايش هدايت گرما را براي فقط 4% درصد حجمي از نانوذرات اکسيد مس در آب گزارش کرده است.براي نانو سيال با پايه اتيلن گليکول، افزايش بالاي 40 درصد براي 3%درصدحجمي مس با متوسط قطر ده نانومتر گزارش شده است.پتل افزايش بالاي 21% براي سوسپانسيون 11% حجمي از نانو ذرات طلا و نقره که به ترتيب در آب تولوئن پراکنده شده بودند را مشاهده کرد.در مواردي هم هيچ افزايش قابل توجهي در هدايت مشاهده نشده است.

 

اخيرا تحقيقات ديگري روي وابستگي هدايت به دما براي غلظتهاي بالاي نانوذرات اکسيد فلزات و غلظتهاي پايين نانوذرات فلزي در حال انجام است که در هر دو مورد در محدوده دماي 20 تا 50 درجه سانتيگراد افزايش 2 تا 4 برابري در هدايت مشاهده شده است و در صورت تاييد اين خواص براي دماهاي بالاتر مي توان نانوسيال را در سيستمهاي گرمايشي نيز استفاده کرد.بيشترين افزايش هدايت در سوسپانسيون نانولوله هاي کربني گزارش شده است که علاوه بر هدايت گرماي بالا ، نسبت طول به قطر بالايي دارند.از آنجا که نانو لوله هاي کربني ،تشکيل يک شبکه فيبري مي دهند،سوسپانسيون آنها بيشتر شبيه کامپوزيتهاي پليمري عمل ميکند.بيرکاک افزايش 125 درصدي هدايت را در اپوکسي پليمر-نانولوله حاوي يک درصد نانو لوله حاوي يک درصد نانولوله تک ديواره گزارش کرد،همچنين مشاهده کرد که با افزايش دما ،هدايت گرما افزايش مي يابد.

 

چون براي سوسپانسيون يک درصد نانولوله هاي چند ديواره در روغن 16 درصد افزايش هدايت گرما گزارش کرده است.گزارشها و تحقيقات مختلفي در زمينه افزايش هدايت گرماي سوسپانسيون نانو لوله کربني ارائه شده است;زاي افزايش 10 تا 20 درصدي هدايت گرما را در سوسپانسيون يک درصد حجمي با سيال آب گزارش کرده است.ون و دينگ نيز 25 درصد افزايش هدايت را در سوسپانسيون 8 درصد حجمي در آب گزارش کرده است.اسيل بيشترين افزايش را 38 درصد براي سوسپانسيون 6 درصد حجمي در آب گزارش کرده است.

 

ون و دينگ افزايش سريع هدايت در غلظتهاي حدود 2 درصد حجمي را گزارش کرده و نشان داده است که اين افزايش از آن به بعد تقريبا ثابت مي ماند. در تمامي گزارشها افزايش هدايت با دما مشاهده شده ;هر چند براي دماهاي بالاتر از 30 درجه سانتيگراد اين افزايش تقريبا متوقف مي شود.

 

 

4.جريان،جابجايي و جوشش

 

 

اخيرا ضريب انتقال گرما نانو سيال در جابجايي آزاد و اجباري اندازه گيري شده است.داس آزمايشهاي تعيين خواص گرماي جوشش را براي نانوسيال شروع کرد.يو فلاکس گرماي بحراني نانو سيال آلومينا_آب در حال جوشش را اندازه گيري کرد و افزايش سه برابري در فلاکس گرماي بحراني (CHF) را نسبت به آب خالص گزارش کرد. در همين زمينه واسالو نانو سيال سيليکا-آب را تهيه کرد و همان افزايش سه برابري در CHF را گزارش کرد.

 

ضريب انتقال گرما جابجايي آزاد علاوه بر اينکه به هدايت گرما بستگي دارد، به خواص ديگري مانند گرماي ويژه،دانسيته و ويسکوزيته ديناميک نيز وابسته است که البته در اين درصدهاي حجمي پايين همان طور که انتظار مي رفت و مشاهده شد،گرماي ويژه و دانسيته بسيار به سيال پايه نزديک است.ونگ ويسکوزيته آلومينا-آب را اندازه گرفت و نشان داد که هر چه ذرات بهتر و بيشتر پراکنده شوند ويسکوزيته پايين تري را مشاهده مي کنيم.وي افزايش 30 درصدي در ويسکوزيته را براي سوسپانسيون 3 درصد حجمي گزارش کرد که در مقايسه با نتيجه پک رچو 3 برابر بيشتر به نظر ميرسد که نشان دهنده وابستگي ويسکوزيته به روش تهيه نانو سيال است.ژوان ولي ضريب اصطکاک را براي نانو سيال حاوي يک تا دو درصد ذرات مس به دست آورد و نشان داد که اين ضريب تقريبا مشابه سيال پايه آب است.ايستمن نشان داد که ضريب انتقال گرما جابجايي اجباري سوسپانسيون 9 درصد حجمي از نانو ذرات اکسيد مس ،15 درصد بيشتر از سيال پايه است.

 

ژوان ولي ضريب انتقال گرما جابجايي اجباري در جريان آشفته را نيز اندازه گرفتند و نشان دادند که مقدار کمي از نانو ذرات مس در آب ديونيزه شده ، ضريب انتقال گرما را به صورت قابل توجهي افزايش مي دهد ، به طور مثال افزودن 2 درصد حجمي از نانو ذرات مس در آب ،حدود 39 درصد انتقال گرما آن را افزايش مي دهد. در حالي که در تناقض با نتايج بالا ، پک وچو کاهش 12 درصدي ضريب انتقال گرما را در سوسپانسيون حاوي 3 درصد حجمي از آلومينا و تيتانا در همان شرايط مشاهده کردند.پوترا با کار روي جابجايي آزاد،بر خلاف هدايت و جابجايي اجباري ،کاهش انتقال گرما را مشاهده کرد.داس با انجام آزمايشهاي جوشش روي آلومينا- آب نشان داد که با افزايش درصد حجمي نانوذرات،بازدهي جوشش نسبت به سيال پايه کم مي شود.وي اين کاهش را به تغيير خواص سطحي بويلر به علت ته نشيني نانوذرات روي سطح ناهموار آن نسبت داد نه به تغغير خواص سيال.يو با اندازه گيري فلاکس گرماي بحراني براي جوشش روي سطوح تخت و مربعي مس که در نانو سيال آب - آلومينا غوطه ور بودند،نشان داد که فلاکس گرمايي اين سيالات سه برابر آب است واندازه متوسط حباب،افزايش و فرکانس توليد آنها کاهش مي يابد.

 

اين نتايج را واسالو نيز تاييد کرد.وي روي نانو سيال آب -سيليکا کار مي کرد و افزايش فلاکس گرماي بحراني را براي غلظتهاي کمتر از يک هزارم درصد حجمي گزارش کرد.هنوز مدلي براي پيش بيني اين افزايشها و فاکتورهاي موثر بر آن وجود ندارد.

 

 

5.هدايت گرماي نانوسيال

 

 

هدايت گرماي نانو سيال بيشترين مطالعات را به خود اختصاص داده است.اين مقاله نيز به هدايت گرمايي در سيال ساکن پرداخته است.از آنجا که نانوسيال جز مواد مرکب و کامپوزيتي محسوب مي شود ، هدايت گرمايي آن به وسيله تئوري متوسط موثر به دست مي آيد که به وسيله موسوتي،کلازيوس،ماکسول و لورانزا در قرن 19 به دست آمد.

 

اگر از تاثيرات سطح مشترک نانو ذرات کروي صرف نظر شود،در مقادير بسيار اندک نانو ذرات[ f=جز حجمي نانو ذرات] همه مدلهاي منتج از تئوري متوسط موثر ، حل يکساني دارند.در مواردي که نانوذرات داراي هدايت گرمايي بالايي باشند پيش بيني مي شود که افزايش هدايت گرماي نانو سيال f*3 خواهد شد که اين پيش بيني ، تخمين خوبي براي مواردي است که هدايت ذرات ، بيشتر از 20 برابر هدايت گرماي سيال باشد.

 

 

6.چشم انداز

 

 

در ده سال گذشته ، خواص جالبي براي نانو سيالات گزارش شده است که در اين ميان،هدايت گرما بيشترين توجه را به خود جلب کرده است;ولي اخيرا خواص گرماي ديگري نيز مورد پژوهش قرار گرفته است.

 

نانو سيالات را مي توان در زمينه هاي مختلفي به کار برد،اما اين کار با موانعي روبرو است،از جمله اينکه درباره نانوسيال چند نکته بايد بيشتر مورد توجه قرار گيرد:

 

تطابق نداشتن نتايج تجربي در آزمايشگاههاي مختلف

ضعف در تعيين مشخصات سوسپانسيون نانوذرات

نبود مدلها و تئوريهاي مناسب براي بررسي تغيير خواص نانوسيال.

 

 

نکات برگزيده

 

 

خواص استثنايي نانو سيالات شامل هدايت گرمايي بيشتر نسبت به سوسپانسيونهاي معمولي،رابطه غير خطي بين هدايت و غلظت مواد جامد و بستگي شديد هدايت به دما و افزايش شديد فلاکس گرما در منطقه جوشش است.

 

خواص استثنايي،به همراه پايداري،روش تهيه نسبتا آسان و ويسکوزيته قابل قبول باعث شده تا نانوسيالات به عنوان يکي از مناسب ترين و قوي ترين انتخاب ها در زمينه سيالات خنک کننده مطرح شوند.

 

مقدار کمي (حدود يک درصد حجمي)از نانوذرات مس يا نانولوله هاي کربني در اتيلن گليکول يا روغن به ترتيب افزايش 40 و 150 درصدي در هدايت گرمايي اين سيالات ايجاد مي کند.