مطالب گوناگون

[EN-EZEL 13039]

انتقال گرما به وسيله نانوسيالات

خلاصه

تحقيقات اخير روي نانوسيالات، افزايش قابل توجهي را در هدايت حرارتي آنها نسبت به سيالات بدون نانوذرات و يا همراه با ذرات بزرگ*تر (ماکرو ذرات) نشان مي*دهد. از ديگر تفاوت*هاي اين نوع سيالات، تابعيت شديد هدايت حرارتي از دما، همچنين افزايش فوق*العادة فلاکس حرارتي بحراني در انتقال حرارت جوشش آنهاست. نتايج آزمايشگاهي به دست آمده از نانوسيالات نتايج قابل بحثي است که به عنوان مثال مي*توان به انطباق نداشتن افزايش هدايت حرارتي با تئوري*هاي موجود اشاره کرد

 

چکيده

اخيراً استفاده از نانوسيالات که در حقيقت سوسپانسيون پايداري از نانوفيبرها و نانوذرات جامد هستند، به عنوان راهبردي جديد در عمليات انتقال حرارت مطرح شده است.

تحقيقات اخير روي نانوسيالات، افزايش قابل توجهي را در هدايت حرارتي آنها نسبت به سيالات بدون نانوذرات و يا همراه با ذرات بزرگ*تر (ماکرو ذرات) نشان مي*دهد. از ديگر تفاوت*هاي اين نوع سيالات، تابعيت شديد هدايت حرارتي از دما، همچنين افزايش فوق*العاده فلاکس حرارتي بحراني در انتقال حرارت جوشش آنهاست. نتايج آزمايشگاهي به دست آمده از نانوسيالات نتايج قابل بحثي است که به عنوان مثال مي*توان به انطباق نداشتن افزايش هدايت حرارتي با تئوري*هاي موجود اشاره کرد. اين امر نشان دهنده ناتواني اين مدل ها در پيش*بيني صحيح خواص نانوسيال است. بنابراين براي کاربردي کردن اين نوع از سيالات در آينده و در سيستم*هاي جديد، بايد اقدام به طراحي و ايجاد مدل*ها و تئوري*هايي شامل اثر نسبت سطح به حجم و فاکتورهاي سياليت نانوذرات و تصحيحات مربوط به آن کرد.

1. مقدمه

سيستم*هاي خنک کننده، يکي از مهم*ترين دغدغه*هاي کارخانه*ها و صنايعي مانند ميکروالکترونيک و هر جايي است که به نوعي با انتقال گرما روبه*رو باشد. با پيشرفت فناوري در صنايعي مانند ميکروالکترونيک که در مقياس*هاي زير صد نانومتر عمليات*هاي سريع و حجيم با سرعت*هاي بسيار بالا (چند گيگا هرتز) اتفاق مي*افتد و استفاده از موتورهايي با توان و بار حرارتي بالا اهميت به سزايي پيدا مي*کند، استفاده از سيستم*هاي خنک*کننده پيشرفته و بهينه، کاري اجتناب*ناپذير است. بهينه*سازي سيستم*هاي انتقال حرارت موجود، در اکثر مواقع به وسيله افزايش سطح آنها صورت مي*گيرد که همواره باعث افزايش حجم و اندازه اين دستگاه*ها مي*شود؛ لذا براي غلبه* بر اين مشکل، به خنک کننده*هاي جديد و مؤثر نياز است و نانو سيالات به عنوان راهکاري جديد در اين زمينه مطرح شده*اند. [1]

نانوسيالات به علت افزايش قابل توجه خواص حرارتي، توجه بسياري از دانشمندان را در سال*هاي اخير به خود جلب کرده است، به عنوان مثال 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 حرارتي اين سيالات ايجاد مي*کند [2] [3]؛ در حالي که براي رسيدن به چنين افزايشي در سوسپانسيون*هاي معمولي، به غلظت*هاي بالاتر از ده درصد از ذرات احتياج است؛ اين در حالي است که مشکلات رئولوژيکي و پايداري اين سوسپانسيون*ها در غلظت*هاي بالا مانع از استفاده گسترده از آنها در انتقال حرارت مي*شود. در برخي از تحقيقات، هدايت حرارتي نانوسيالات، چندين برابر بيشتر از پيش*بيني تئوري*ها است. از ديگر نتايج بسيار جالب، تابعيت شديد هدايت حرارتي نانوسيالات از دما [4] [5] و افزايش تقريباً سه برابري فلاکس حرارتي بحراني آنها در مقايسه با سيالات معمولي است [6 و7].

اين تغييرات در خواص حرارتي نانوسيالات فقط مورد توجه دانشگاهيان نبوده در صورت تهيه موفقيت*آميز و تأييد پايداري آنها، مي*تواند آينده*اي اميدوارکننده در مديريت حرارتي صنعت را رقم بزند. البته از سوسپانسيون نانوذرات فلزي، در ديگر زمينه*ها از جمله صنايع دارويي و درمان سرطان نيز استفاده شده است [8]. به هر حال تحقيق در زمينه نانوذرات، داراي آينده*اي بسيار گسترده است [9].

 

2. تهيه نانوسيالات

بهبود خواص حرارتي نانوسيال احتياج به انتخاب روش تهيه مناسب اين سوسپانسيون*ها دارد تا از ته*نشيني و ناپايداري آنها جلوگيري شود. متناسب با کاربرد، انواع بسياري از نانوسيالات از جلمه نانوسيال اکسيد فلزات، نيتريت*ها، کاربيد فلزات و غيرفلزات 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 روش*هاي پراکنده*سازي آنها درسيال پايه انجام شده است که در اينجا به طور مختصر چند روش متداول* را که براي تهيه نانوسيال وجود دارد ذکر مي*کنيم.

يکي از روش*هاي متداول تهيه نانوسيال، روش دو مرحله*اي است [10]. در اين روش ابتدا نانوذره يا نانولوله معمولاً به وسيله روش رسوب بخار شيميايي (CVD) در فضاي گاز بي*اثر به صورت پودرهاي خشک تهيه مي*شود [11] [ شکل 1. وسط]، در مرحله بعد نانوذره يا نانولوله در داخل سيال پراکنده مي*شود. براي اين کار از روش*هايي 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 [10] و براي نانوسيالات شامل نانوذرات فلزي سنگيني، کمتر موفق بوده است [12].

روش دو مرحله*اي داراي مزاياي اقتصادي بالقوه*اي است؛ زيرا شرکت*هاي زيادي توانايي تهيه نانوپودرها در مقياس صنعتي را دارند [13].

روش يک مرحله*اي نيز به موازات روش دو مرحله*اي پيشرفت کرده است؛ به طور مثال نانوسيالاتي شامل نانوذرات فلزي با استفاده از روش تبخير مستقيم تهيه شده*اند [2] و [12]. در اين روش، منبع فلزي تحت شرايط خلاء تبخير مي*شود [14] [شکل 1. چپ].

در اين روش، تراکم توده نانوذرات به حداقل خود مي*رسد، اما فشار بخار پايين سيال يکي از معايب اين فرايند محسوب مي*شود؛ ولي با اين حال روش*هاي شيميايي تک مرحله*اي مختلفي براي تهيه نانوسيال به وجود آمده است که از آن جمله مي*توان به روش احياي نمک فلزات و تهيه سوسپانسيون آن در حلال*هاي مختلف براي تهيه نانوسيال فلزات اشاره کرد [16] [شکل 1. راست]. مزيت اصلي روش يک مرحله*اي، کنترل بسيار مناسب روي اندازه و توزيع اندازه ذرات است.

 

3. انتقال حرارت در سيالات ساکن

خواص استثنايي نانوسيالات شامل هدايت حرارتي بيشتر نسبت به سوسپانسيون*هاي معمولي، رابطه غيرخطي بين هدايت وغلظت مواد جامد و بستگي شديد هدايت به دما و افزايش شديد فلاکس حرارتي در منطقه جوشش است. اين خواص استثنايي، به همراه پايداري، روش تهيه نسبتاً 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. نتايج يکي از تحقيقات منتشر شده در زمينه تغيير هدايت حرارتي نانوسيال به عنوان تابعي از غلظت در شکل (2) آمده است.

 

 

بيشترين تحقيقات روي هدايت حرارتي نانوسيالات، در زمينه سيالات حاوي نانوذرات اکسيد فلزي انجام شده است [18].

ماسودا افزايش 30 درصدي هدايت حرارتي را با اضافه کردن 3/4 درصد حجمي آلومينا به آب گزارش کرده است. لي [15] 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 بکاررفته در آزمايش اول 13نانومتر و در آزمايش دوم 33 نانومتر بوده است. زاي و همکاران [20] [19] افزايش 20 درصدي را براي 50 درصد حجمي از همين نانوذرات گزارش کرده*اند. گروه مشابهي [21] براي نانوذرات کاربيد سيليکون نيز به نتايج مشابهي رسيدند. لي بهبود نسبتاً کمتري را در هدايت حرارتي نانوسيالات حاوي نانوذرات اکسيد مس، نسبت به نانوذرات آلومنيا مشاهده کرد؛ در حالي که ونگ [24] 17 درصد افزايش هدايت حرارتي را براي فقط 4/0 درصد حجمي از نانوذرات اکسيد مس در آب گزارش کرده است. براي نانوسيال با پايه اتيلن گليکول، افزايش بالاي 40 درصد براي 3/0 درصد حجمي مس با متوسط قطر ده نانومتر گزارش شده است. پتل [5] افزايش بالاي 21 درصد براي سوسپانسيون 11 درصد حجمي از نانوذرات طلا و نقره که به ترتيب در آب و تولوئن پراکنده شده بودند را مشاهده کرد. در مواردي هم هيچ افزايش قابل توجهي در هدايت مشاهده نشده است

 

 

[23].

اخيراً تحقيقات ديگري روي وابستگي هدايت به دما براي غلظت*هاي بالاي نانوذرات اکسيد فلزات و غلظت*هاي پايين نانوذرات فلزي در حال انجام است که در هر دو مورد در محدوده دماي 20 تا 50 درجه سانتيگراد افزايش دو تا چهار برابري در هدايت مشاهده شده است و در صورت تأييد اين خواص براي دماهاي بالاتر مي*توان نانوسيال را در سيستم*هاي گرمايشي نيز استفاده کرد.

بيشترين افزايش هدايت در سوسپانسيون نانولوله*هاي کربني گزارش شده است که علاوه بر هدايت حرارتي بالا، نسبت طول به قطر بالايي دارند[شکل 3]. از آنجا که نانولوله*هاي کربني، تشکيل يک شبکه فيبري مي*دهند، سوسپانسيون آنها بيشتر شبيه کامپوزيت*هاي پليمري عمل مي*کند. بيرکاک[25] افزايش 125 درصدي هدايت را در اپوکسي پليمر- نانولوله حاوي يک درصد نانولوله تک ديواره گزارش کرد، همچنين مشاهده کرد که با افزايش دما، هدايت حرارتي افزايش مي*يابد.

چوي[3] براي سوسپانسيون يک درصد نانولوله*هاي چند ديواره در روغن [شکل 3 ب] 16 درصد افزايش هدايت حرارتي گزارش کرده است. گزارش*ها و تحقيقات مختلفي در زمينه افزايش هدايت حرارتي سوسپانسيون نانولوله*کربني ارائه شده است؛ زاي [26] افزايش ده تا 20 درصدي هدايت حرارتي را در سوسپانسيون يک درصد حجمي با سيال آب گزارش کرده است. ون و دينگ [27] نيز 25درصد افزايش هدايت را در سوسپانسيون 8/0 درصد حجمي در آب گزارش کرده است. اسيل [23] بيشترين افزايش را 38 درصد براي سوسپانسيون شش درصد حجمي در آب گزارش کرده است.

ون و دينگ افزايش سريع هدايت در غلظت*هاي حدود 2/0 درصد حجمي را گزارش کرده و نشان داده است که اين افزايش از آن به بعد تقريباً ثابت مي*ماند. در تمامي گزارش*ها افزايش هدايت با دما مشاهده شده؛ هر چند براي دماهاي بالاتر از 30 درجه سانتيگراد اين افزايش تقريباً متوقف مي*شود.

 

 

4. جريان، جابه*جايي و جوشش

اخيراً ضرايب انتقال حرارت نانوسيال در جابه*جايي آزاد و اجباري اندازه*گيري شده است. داس [17] آزمايش*هاي تعيين خواص حرارتي جوشش را براي نانوسيال شروع کرد. يو [6] فلاکس حرارتي بحراني نانوسيال آلومينا- آب در حال جوشش را اندازه*گيري کرد و افزايش سه برابري در فلاکس حرارت بحراني (CHF) را نسبت به آب خالص گزارش کرد. در همين زمينه واسالو [7] نانوسيال سيليکا- آب را تهيه کرد و همان افزايش سه برابري در CHF را گزارش کرد.

ضريب انتقال حرارت جابجايي آزاد علاوه بر اينکه به هدايت حرارتي 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 [33]. ونگ [34] 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 سه درصد حجمي گزارش کرد که در مقايسه با نتيجه پک*رچو [35] سه برابر بيشتر به نظر مي*رسد که نشان*دهنده وابستگي ويکسوزيته به روش تهيه نانوسيال است. ژوان*ولي [32] ضريب اصطکاک را براي نانوسيال حاوي يک تا دو درصد ذرات مس به دست آورد و نشان دادکه اين ضريب تقريباً مشابه سيال پايه آب است. ايستمن [36] نشان داد که ضريب انتقال حرارت جابه*جايي اجباري سوسپانسيون 9/0 درصد حجمي از نانوذرات اکسيد مس، 15 درصد بيشتر از سيال پايه است.

 

شکل 2. ارتباط هدايت الکتريکي با جزء حجمي نانو ذرات، بر اساس تئوري ميانگين متوسط براي نانو ذرات بسيار هادي (خط چين پايين) و مدل کلوخه هاي متراکم

شکل 3. تصاوير SEM از نانو لوله هاي کربني تک ديواره (a) و چند ديواره (b) مورد استفاده در سوسپانسيون ها و کامپوزيت ها.

ژوان ولي [32] ضريب انتقال حرارت جابه*جايي اجباري در جريان آشفته را نيز اندازه گرفتند و نشان دادند که مقدار کمي از نانوذرات مس در آب ديونيزه شده، ضريب انتقال حرارت را به صورت قابل توجهي افزايش مي*دهد، به طور مثال افزودن دو درصد حجمي از نانوذرات مس به آب، حدود 39 درصد انتقال حرارت آن را افزايش مي*دهد. در حالي که در تناقض با نتايج بالا، پک*وچو [35] کاهش 12درصدي ضريب انتقال حرارت را در سوسپانسيون حاوي سه درصد حجمي از آلومينا و تيتانا در همان شرايط مشاهده کردند. پوترا [28] با کار روي جابجائي آزاد، بر خلاف هدايت و جابه*جايي اجباري، کاهش انتقال حرارت را مشاهده کرد. داس با [17] انجام آزمايش*هاي 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 تغيير خواص سيال. يو [6] با اندازه*گيري فلاکس حرارتي بحراني براي جوشش روي سطوح تخت و مربعي مس که در نانوسيال آب- آلومينا غوطه*ور بودند، نشان داد که فلاکس حرارتي اين سيالات سه برابر آب است و اندازه متوسط حباب، افزايش و فرکانس توليد آنها کاهش مي*يابد. اين نتايج را واسالو [7] نيز تأييد کرد. وي روي نانوسيال آب - سيليکا* کار مي*کرد و افزايش فلاکس حرارت بحراني را براي غلظت*هاي کمتر از يک*هزارم درصد حجمي گزارش کرد. هنوز مدلي براي پيش*بيني اين افزايش*ها و فاکتورهاي مؤثر بر آن وجود ندارد.

 

5. هدايت حرارتي نانوسيال

هدايت حرارتي نانوسيال بيشترين مطالعات را به خود اختصاص داده است. اين مقاله نيز به هدايت حرارتي در سيال ساکن پرداخته است. از آنجا که نانوسيال جزو مواد مرکب و کامپوزيتي محسوب مي*شود، هدايت حرارتي آن به وسيله تئوري متوسط مؤثر به دست مي*آيد که به وسيله موسوتي، کلازيوس، ماکسول و لورانزا در قرن 19 به دست آمد [37 و38].

اگر از تأثيرات سطح مشترک نانوذرات کروي صرف*نظر شود، در مقادير بسيار اندک نانوذرات [ f = جزء حجمي نانوذرات] همه مدل*هاي منتج از تئوري متوسط مؤثر، حل يکساني دارند. در مواردي که نانوذرات داراي هدايت حرارتي بالايي باشد پيش*بيني مي*شود که افزايش هدايت حرارتي نانوسيال3× f خواهد شد که اين پيش*بيني، تخمين خوبي براي مواردي است که هدايت ذرات، بيشتر از 20 برابر هدايت حرارتي سيال باشد [39]. همان*طور که در شکل (2) نشان داده شده بسياري از تحقيقات تطابق خوبي با اين پيش*بيني دارد، از جمله مي*توان به تحقيقات زير اشاره کرد: نانوسيال کاربيد سيليکون با اندازه 26 نانومتر و نانوسيال آلومينا- آب و آلومينا- اتيلن گليکول [10].

مقاومت سطح مشترک نانوذرت و سيال اطراف آن پيش*بيني اين تئوري را کاهش مي*دهد؛ البته هر چه ذرات ريزتر باشند اين مقاومت کاهش پيدا مي*کند. در غلظت*هاي بالاي نانوذر*ات [شکل 1. وسط] اگر توده*هاي نانوذره کوچک باشد، تئوري متوسط مؤثر خوب جواب مي*دهد؛ زيرا توده نانوذرات فضاي بيشتري نسبت به نانوذر*ات منفرد اشغال مي*کند و بنابراين جزء حجمي توده بيشتر از نانوذرات منفرد است. [40] در توده*هاي متراکم نانوذرات، دانسيته نسبي تقريباً 0 6 درصد است و در مواردي که توده**ها از نظر وضعيت ساختماني بازتر باشد، افزايش بيشتري را مشاهده مي*کنيم [ شکل 4] که نتايج آزمايشي نيز همين را نشان مي*دهد [20]؛ البته هدايت حرارتي نانوذرات توده*اي، کوچک*تر از ذر*ات منفرد است؛ البته عامل مهمي در مقابل هدايت حرارتي بالاي نانوذرات نيست.

 

6. چشم*انداز

در ده سال گذشته، خواص جالبي براي نانوسيالات گزارش شده است که در اين ميان، هدايت حرارتي بيشترين توجه را به خود جلب کرده است؛ ولي اخيراً خواص حرارتي ديگري نيز مورد پژوهش قرار گرفته است.

نانوسيالات را مي*توان در زمينه*هاي مختلفي به کاربرد، اما اين کار با موانعي روبه*رو است، از جمله اينکه درباره نانوسيال چند نکته بايد بيشتر مورد توجه قرار گيرد:

• تطابق نداشتن نتايج تجربي در آزمايشگاه*هاي مختلف؛

• ضعف در تعيين مشخصات سوسپانسيون نانوذرات؛

• نبود مدل*ها و تئوري*هاي مناسب براي بررسي تغيير خواص نانوسيال.

[EN-EZEL 13039]

مقدمه ای بر جابه جایی

 

معادلات لایه مرزی

پیش بینی و بررسی جریان سیال برای مطالعات مهندسی در زمینه انتقال حرارت و مکانیک سیالات از اهمیت زیادی برخوردار است. به طور کلی بررسی حرکت سیال از طریق مطالعات تجربی و تئوری امکان پذیر می باشد. حل معادلات مربوط به لایه مرزی و به دست آوردن پارامترهای لایه مرزی همواره مورد توجه بوده است و روش های متعدد تجربی ، تحلیلی و عددی برای محاسبه این پارامترها توسط افراد مختلف به کار گرفته شده است. البته معادلات مذکور در حالت کلی با دشواری زیاد همراه بوده و با در نظر گرفتن فرضیات مناسب سعی در حل معادلات شده است.

استنباط معادلات لایه مرزی شاید یکی از مهمترین پیشرفت ها در مکانیک سیالات باشد.با استفاده از یک سری تحلیل های مقداری ، توابع معروف ناویر استوکس سیال ویسکوز، جریان میتواند در طول لایه مرزی ساده شود.به طور برجسته مشخصه معادلات دیفرانسیل جزئی بیشتر از بیضی همه معادلات ناویراستوکس سهمی وار شدند.این حل معادلات را ساده می کند. با ساخت تخمینی لایه مرزی ، جریان به یک بخش غیر ویسکوز(که با روش های متعددی حل آن ساده است) و لایه مرزی که تابعی برای حل PDE می باشد. پیوستگی و معادلات ناویر استوکس برای یک جریان تراکم ناپذیر پایای دوبعدی در مختصات کارتزین عبارت است از :

 

 

 

که در آن u و V اجزای سرعت ، ρ چگالی ، P فشار ، و ν ویسکوزیته جنبشی سیال در یک نقطه می باشند.

حالت های نزدیکی که برای یک عدد رینولدز به اندازه کافی بالا، جریان می تواند روی یک سطح به یک ناحیه خارجی جریان غیرویسکوز ساده شده به وسیله ویسکوزیته ( بیشتر جریان ) ، و یک ناحیه نزدیک به سطح که ویسکوزیته در آن مهم است(لایه مرزی) تبدیل شود. بگذارید U و V به ترتیب سرعت های جریان معقول و متقاطع درون لایه مرزی باشند.با استفاده از تحلیل های مقیاسی ، می توان نشان داد که معادلات کاهش حرکت بالا درون لایه مرزی می شود :

 

 

 

و اگر سیال تراکم ناپذیر باشد( به عنوان مثال مایعاتی که زیر شرایط استاندارد هستند):

 

 

تحلیل های asymptotic همچنین نشان می دهد که V ، سرعت متقاطع ، در مقایسه با u ، سرعت معقول ، کوچکتر می باشد و آن اختلافات در ویژگی ها در جهت جریان معقول معمولاً خیلی پایین تر از جهت جریان متقاطع می باشد.

تا زمانی که فشار استاتیکی p مستقل از yاست ، فشار لبه لایه مرزی فشار سراسر لایه مرزی در یک موقعیت جریان معقول داده شده است.فشار اضافی ممکن است از میان یک کاربردمعادله برنولی به دست آید. u0 را سرعت سیال خارج از لایه مرزی ، جایی که u و u0 هر دو موازی هستند قرار دهید.اگر P را جاگذاری کنیم :

 

 

با شرط مرزی :

 

 

برای یک جریان فشار استاتیکی P در جهت جریان تغییر نمی کند پس :

 

بنابراین u0 ثابت می ماند :

در نتیجه معادله حرکت ساده می شود :

 

 

این تخمین ها در یک نوع مسائل جریان کاربردی علمی و منافع مهندسی استفاده شده اند. تحلیل های بالا برای هر لایه مرزی لمینار یا توربولانس می باشد. اما عمدتاً در مطالعات جریان لمینار استفاده شده است نظر به اینکه جریان اصلی جریان آنی است زیرا درصد نوسان سرعتی وجود ندارد.

[M!Zare 48037]

عايق كاري ديناميكي

 

اين نوع عايق كاري بيشتر تداعي كننده يك سيستم ميباشد تا يك ماده عايق ديناميك. اولين بار مطالعه عايق كاري ديناميكي در اواسط قرن نوزدهم در دانشگاه مونيخ توسط پرفوسور Max Von Pettenkoffer صورت گرفت . در سال 1965 دكتر Pattin پرفسور مهندسي علوم در كالج معماري Ostario كانادا تئوري حرارتي و توضيحات رياضي براي اين محاسبات را انجام داد. اولين خانه در انگلستان با بكار گيري روش عايق كاري ديناميكي در سال 96- 1995ساخنه شد . اين روش در كشورهاي اسكانديناوي بخصوص اسكاتلند در بعضي از ساختمانها ايجاد شده است,اما بايد به خاطر داشت كه نتايج اين روش هم در بخش مطالعات تئوري و هم مطالعات تجربي جديد و نا مشخص است .

عايق كاري ديناميكي به نوعي عايق كاري گفته ميشود كه بخشي يا همه اتلاف حرارتي هدايت را بوسيله جريان سيال فعال ( جريان هوا در بناي ساختمان )در خلاف جهت اختلاف دما , جذب ميكند. در بعضي از بناها نيز مي توان از جريان موازي كه در آن جريان سيال و گرما هم جهت هستند , استفاده كرد. بناي همه ساختمانها جاذب هوا هستند اما براي مصالح عايق كاري ديناميكي قابليت نفوذ پذيري ها بالا تر ميباشد.

همانطور كه گفته شد كار تجربي بسيار كمي بر روي عايق كاري ديناميكي صورت گرفته است , ضمنا" محاسبات تحليلي نيز بيشتر يك بعدي و بدون در نظر گرفتن اثرات خورشيد و باد انجام شده است. با استفاده از يك برنامه كامپيوتري شبيه سازي ساختمان ميتوان به ارز يابي دقيق اين روش و مقايسه كار كرد ساختمان با بكار گيري اين روش و ساختمان معمولي دست يافت. عايق كاري ديناميكي قابليت صرفه جوئي در انرژي و حرارتي و كاهش آلودگي محيط داخل ساختمان را دارد.ضمن اينكه با بهبود پخش رطوبت,قابليت كنترل رطوبت نسبي RH و جلوگيري از ايجاد فرايند تقطير بر روي شكافها را دارد. نكته مهم اين است كه استانداردهاي ساخت ساختمانهاي با عايق كاري ديناميكي ميبايستي سطح بالاتري نسبت به ساختمان معمولي داشته باشد , در حالت ايده آل كليه منافذ هوا مانند محل اتصالات سازه ها و شكافهاي اطراف درها و پنجره ها بايد به خوبي بسته و پوشيده شوند. همچنين افراد ساختمان نيز بايد نكاتي را رعايت كنند , مثلا" هر زماني نمي توانند پنچرها را باز كنند چرا كه اين نوع ساختمانها تاثير زيادي از باد و خورشيد ميگيرند.

مطالعات تحليلي نشان داده اند كه سرعت هوا بر روي پوشش ساختمان تاثير زيادي بر عايق كاري ديناميكي دارد . به اين نكته بايد توجه كرد كه با تنظيم سرعت ميتوان به ضريب انتقال حرارت صفر دست يافت . يعني كليه اتلاف حرارتي جدارها با اين روش اصلاح ميگرددند . البته هر ساختمان با شرايط خود داراي سرعت بهينه اي براي رسيدن به حد اقل مصرف انرزي ميباشد. در سرعت كمتر از اين مقدار بخشي از اتلاف حرارتي بازيافت نشده و در سرعت بيشتر از اين گرما ي اضافي لازم براي گرم كردن هواي اضافي ورودي بايد توسط دستگاه گرمايش تاميين شود. شار حرارتي سطح خارجي با افزايش مقاومت حرارتي ديوار كاهش مييابد بنا براين ساختمان با مقاومت حرارتي بالا امكان صرفه جوئي بيشتري دارد.

 

منبع:مقاله محصولات عايق و رهيافت هاي نو در صنعت عايقكاري نوشته: خانم ناهيد مهاجري

[M!Zare 48037]

عايق دياتومه اي ( diatomaceous insulation )

 

ماده عايق كه عمدتا" از بقاياي دياتومه ها ( ذرات سيليسي سلولي با اندازه ميكروسكپي) تشكيل شده است و به شكل ماده پودري , متصل يا دانه اي در دسترس است.

( استاندارد ملي 8084- بند 4-9)

آجر دياتومه اي : آجر عايق پخته شده اي است كه عمدتا" از اسكلت ( بقاياي) دياتومه ها تشكيل مي شود. ( استاندارد ملي 8084)

 

رستني ذره بيني از گروه جلبکها (رستنيهاي ابتدائي فاقد ريشه و ساقه و برگ و گل ولي داراي کلوروفيل و از منابع عمده غذاي ماهيها) دياتومه ها بصورت سلولهاي منفرد و هم بصورت دسته جمعي وجود دارند رنگ آنها معمولا مايل به زردي يا خرمايي است و در آبهاي شيرين يا شور يا در خاکهاي مرطوب يا بر سطح مرطوب رستنيهاي ديگر زيست ميکنند در نواحي شمالي و ساير نواحي سرد فراوانتر از جاهاي ديگرند. قريب پانزده هزار جنس از آنها شناخته شده است . ماده حياتي دياتومه ها در صدفي سيليسي جاي دارد. پوسته خارجي دياتومه در زير ميکرسکوپ داراي نقوش ظريف و زيباست و از آن در صنعت براي عايق سازي نسبت به حرارت و صوت و در ساختن ديناميت و ساير مواد منفجره ، در ساختن صافيها وغيره بکار ميبرند و از منابع غذايي عمده ماهيها و ساير حيوانات آبي ميباشند و بيشتر سنگهاي آهکي زمين از دياتومه ها ساخته شده است و دياتومه ها منشاء قسمت عمده ذخاير نفتي است .

منبع:دائرة المعارف فارسي - گياهشناسي

 

 

 

 

 

 

[spow 44197]

در يك نيروگاه فسيلي حداكثر حرارت توليدي در محفظه احتراق بايد صرف توليد انرژي شده و از اتلاف آن جلوگيري كرد. جهت جلوگيري از اتلاف حرارت از مواد عايق در اطراف محفظه احتراق و لوله‌هاي انتقال حرارت استفاده مي‌شود.

نانوكامپوزيت‌هاي آيروژل خواص اصلي آيروژل‌ها را داشته و در عين حال خواص مكانيكي و پايداري شيميايي لازم براي مصارف خاص صنعتي را نيز دارا هستند. اين كامپوزيت‌ها عايق‌هاي بسيار خوب حرارت هستند. اين مواد نانوساختار به خاطر مناسب بودن آن‌ها براي كاربرد در پانل‌هاي عايق و بلوك‌هاي نسوز در نيروگاه در محفظه احتراق و ساير قسمت‌هايي كه نياز به جلوگيري از اتلاف حرارت دارند قابل استفاده است. همچنين مواد نسوزي كه از ذرات نانومتري توليد مي‌شوند مي‌توانند خاصيت ضد آتش بودن را به ميزان بالاتر و توأم با استحكام مكانيكي داشته باشند.

شركت آمريكايي GE‌از نانوكامپوزيت‌هاي فوق در ساخت قطعات توربين گازي استفاده كرده است.

 

* افزايش راندمان واكنش ها با استفاده از نانوكاتاليست‌ها در صنعت نفت و پتروشيمي

 

كاتاليست‌ها كاربردهاي فراواني در صنايع پالايش نفت و پتروشيمي دارند. توليد بسياري از محصولات در طي فرآيندهاي شيميايي صورت مي‌گيرد و در اين ميان كاتاليست‌ها از اهميت زيادي برخوردارند چون نسبت به مواد اوليه، داراي وزن كمي هستند ولي قلب بسياري از واكنش‌ها محسوب مي‌شوند و حتي بسياري از فرآيندهاي شيميايي بدون آن اقتصادي نيست. كاتاليست‌ها با افزودن سرعت انجام واكنش‌ها موجب تسهيل انجام آنها مي‌شوند، و در اين ميان فعاليت كاتاليست‌هاي فلزي پايه‌دار شديداً به اندازه و شكل ذرات بستگي دارد.

نانوكاتاليست‌ها نسل جديدي از كاتاليست‌ها هستند كه با به كار بردن روش‌هاي توليد مواد نانوساختار به وجود آمده‌اند

 

كاتاليست‌هاي نانوساختار با زياد كردن قابليت دسترسي به ذرات فلزي، فعاليت كاتاليستي را به نحو چشمگيري بالا مي‌برند. روش مرسوم آماده‌سازي كاتاليست‌ها، شامل هم‌رسوبي و پر كردن پايه با محلول آبي حاوي ذرات فلزي مي‌باشد. در اين روش اندازه و شكل ذرات كاتاليست را به سختي مي‌توان كنترل كرد. اما سنتز نانوساختارهاي اكسيد فلز مركب با مورفولوژي‌هاي مختلف كره، سيم، طناب و لوله و قلم مو امكان دارد كه مي‌توانند بدون محلول يا با وجود آن، صورت بگيرد.

در قالب طرحي مشترك بين شركت Degussa‌ در آلمان و Headwaters/Inc در آمريكا، يك واحد براي توليد مستقيم پروكسيدهيدروژن مورد استفاده در ساخت اكسيد پروپيلن با استفاده از تكنولوژي شركت Degussa- Uhde- technology احداث شده است. از نوعي نانوكاتاليست‌ ويژه در اين فرآيند استفاده مي‌شود.

شركت آمريكايي Hheadwaters nanokinetix inc‌با تكنولوژي NxCat توانايي توليد انواع نانوكاتاليست از جمله نانو كاتاليست‌هاي اكسيد روي را دارا بوده و نيز صاحب روش‌هاي ويژه‌اي براي توليد نانوذرات با قطر 2 نانومتر است.

 

* پوشش‌هاي مايع نانوساختار به عنوان عايق حرارت و ضد خوردگي

 

پوشش‌هاي با بهره‌گيري از فناوري نانو، انقلابي در صنعت عايق‌كاري و محافظت از خوردگي در سطح جهاني پديد آورده و با خواص منحصر به فرد خود، از اتلاف انرژي و منابع مالي جلوگيري مي‌كند و با هزينه مناسب مي‌تواند جايگزين عايق‌هاي سرد و گرم موجود و پوشش‌هاي ضد خوردگي فعلي باشد.

عايق حرارتي نانو، ماده جديدي است كه محافظ و عايق حرارتي مناسبي در مقابل هر 3 نوع انتقال گرما شامل تشعش، جابجايي و همرفتي است. خصوصيت ويژه اين محصول، مايع بودن آن است كه امكان استفاده از آن را بر روي سطوح فلزي و غير فلزي توسط پيستوله، برس و رول‌هاي نقاشي فراهم مي‌كند. همچنين نانويي بودن ذرات اين پوشش‌ها باعث مي‌شود كه بيشترين نفوذ در حفره‌هاي سطحي، كه عمليات پوشش‌دهي بر روي آن انجام مي‌شوند، را ايجاد كنند و چون ابعاد ذرات اين پوشش‌ها در حد ميلي ميكرون است، هم از فضا و هم از مواد به ميزان صحيحي استفاده مي‌شود. علاوه بر اين، تراكم اين لايه‌هاي نازك به حدي است كه ميزان تخلخل در آن بسيار كم بوده و عواملي كه سبب خوردگي مي‌شوند، نيز نمي‌توانند در اين لايه‌ها نفوذ كنند. ضمناً چسبندگي اين نوع پوشش به ماده هدف بسيار مناسب بوده و استحكام پوشش بسيار بالا است و همچنين به دليل توزيع يكنواخت پوشش، پراكنش لايه نازك اختلاف پتانسيل را از بين برده و نيروي محركه براي شروع خوردگي را از بين مي‌برد.

شركت آمريكايي Industrial‌ Nano Tech,inc كه شركتي علمي - صنعتي است و در زمينه‌هاي گوناگون نانوتكنولوژي كار مي‌كند محصولي به نام Nansulate‌(نام تجاري) توليد كرده است. اين ماده يك رده صنعتي از عايق‌هاي مايع است كه به عنوان پوشش روي سطوح مختلف استفاده مي‌شود. ادعا مي‌شود كه اين ماده هدايت حرارتي بسيار كمتري از ديگر مواد عايقي كه در مراكز معتبري چون آزمايشگاه ملي لارنس ليورمور ايالات متحده، آزمايشگاه ملي سنديا و دانشگاه فلوريدا توليد شده است، دارد. اين ماده همچنين داراي خاصيت ضد خوردگي نيز مي‌باشد و قادر به صرفه‌جويي زيادي در مصرف انرژي است. محدوده كاربرد اين عايق در صنايع نفت و گاز، پتروشيمي، دريايي، كاغذ، اتومبيل، دارويي ، ماشين‌سازي صنعتي، ساختمان، ساخت كشتي، نيروگاهي و خانگي است.

شركت‌ آلماني Degussa‌ رده جديدي از رنگ‌هاي آكريليكي بر پايه نانوذرات را توليد كرده است. اين رنگ‌ها كه سازگار با محيط زيست هستند عاري از حلال، ضد خراس و مقاوم به سايش بوده و قابليت كاربرد روي مواد مختلف ( از جمله فلزات و پلاستيك)‌ را دارند. خاصيت ضد سايش اين رنگ‌ها ده برابر رنگهاي آكريليكي متداول است. اين رنگ‌ها در جلوگيري از خوردگي تجهيزات فلزي و لوله‌ها در نيروگاه‌ها بسيار موثر واقع خواهند شد.

شركت آمريكايي Inframat Coroporation يك روكش سراميكي متخلخل عايق حرارتي به صورت اسپري حرارتي از جنس زيركونيوم پايدار شده با ايتريوم را براي موتورهاي توربين گازي صنعتي و هواپيماها توليد مي‌كند تا قطعات فلزي داغ را از گاز داغ جدا كند.

شركت آمريكايي Mascoat Products، از سراميك‌هاي در ابعاد ميكرو براي توليد عايق‌هاي حرارتي و ضدخوردگي كه اسپري مي‌شوند، استفاده مي‌كند.

 

* قطعات متحرك بادوام‌تر در توربين و ژنراتور

 

قطعات زيادي در نيروگاه تحت تنش‌هاي بالا است، استفاده از موادي با استحكام بالا مي‌تواند هزينه‌هاي توليد و نگه‌داري و در نتيجه هزينه‌هاي توليد انرژي را كاهش دهد. از جمله اين قطعات، قطعات متحرك توربين‌ و ژنراتور، محورهاي دوران است.

در مورد مواد فلزي، فناوري نانو با استفاده از نانو ساختار كردن فلزات حجيم توانسته است مواد فلزي جديد با خواص بهينه‌تر توليد كند. از جمله اين موارد استفاده از روش نانو ساختار كردن فلزات به وسيله تغيير شكل پلاستيكي شديد و عمليات حرارتي بعد از آن مي‌باشد كه منجر به بالا رفتن شديد استحكام مي‌شود.

از ديگر كاربردها، استفاده از نانوكامپوزيت‌هاي زمينه فلزي است كه جهت نيل به استحكام بالا و يا خواص حرارتي خوب ساخته مي‌شود. از جمله اين موارد پره توربين است.

شركت Metallicum اولين شركت در دنياست كه روي توسعه و تجاري‌سازي آلياژها و فولادهاي نانو ساختار متمركز شده است. ديدگاه شركت اين است كه كاركردي فوق‌العاده از فلزات نرم و آلياژ‌هايي كه تحت فرآيند مورد استفاده اين شركت قرار مي‌گيرند و به مواد فلزي پلي كريستال نانوساختاري (با اندازه دانه‌هاي بسيار ريز) تبديل مي‌شوند را ارائه دهد.

شركت NanoSteels ‌در آمريكا نيز شركت ديگري است كه در توليد فولادهاي نانو ساختار فعاليت دارد. عمده فعاليت اين شركت، توليد محصولاتي فلزي با ساختار نانومتري است كه قابل استفاده به صورت تجاري باشند. اين شركت ورقه‌هاي فولادي مختلف با ساختار نانو تهيه مي‌كند. همچنين در زمينه پوشش‌هاي نانو ساختار بر روي اين فولادها ديگر محصولات فلزي فعاليت دارد. علاوه بر اين، اين شركت موفق به ساخت آلياژي موسوم به Super Hard Steel شده است كه تفاوت چشم‌گيري از لحاظ خواص استحكامي و مقاومت فيزيكي با آلياژهاي مرسوم دارد.

Nanomat نيز نام مجموعه‌اي آلماني از انستيتوهاي تحقيقاتي است كه روي سنتز و توليد سراميك‌ها و فلزات نانوساختار فعاليت مي‌كند. مؤسساتي كه با هم در قالب اين نام همكاري دارند كاملا علمي بوده و از لحاظ فناوري در سطح بالايي قرار دارند. اين مسئله با جايزه‌هاي زيادي (از جمله نوبل) كه دريافت كرده‌اند قابل اثبات است.

ANI و SIIT دو مركز در زمينه نانو فناوري آلياژ آلومينيوم جديدي را با استفاده از نانو تيوب‌هاي كربني توسعه داده‌اند كه هدايت حرارتي 5-4 برابر بيشتر از هدايت حرارتي آلومينيوم (بدون CNT) دارد. SIIT‌يك سازمان در زمينه نانوتكنولوژي است كه توسط دولت ژاپن به طور كامل حمايت مي‌شود.

[Mr. Specific 43573]

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.

نمودار 1- 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 10 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 35 نانومتر) باشد. همان‌طور که در نمودار 1 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 2).

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 2000 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 2- 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 110 کيلومتر در ساعت، در حدود 65 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 15 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

[alimec 23102]

در این تاپیک سایت هایی که در مورد آموزش انتقال حرارات هستن معرفی کنیم.

[alimec 23102]

به قسمت فهرست مطالب برید

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

[M!Zare 48037]

در این

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

مفاهیم اولیه انتقال حرارت به سادگی و با تصاویر نمایش داده شده است.

[alimec 23102]

وقتی اسمی از نانوسیال برده میشه باید یاد کنیم از چوی و سال 1995

منظور از نانوسیال یک سیال دوفاز هست که یه فازش مثلا آب(سیال پایه) فاز دومش ذرات نانو مثل آلومینا

البته نانو سیال دوتایی هم داریم یعنی سیال پایه دوتا هست مثلا آب و آمونیاک/پس سه فاز میشه در واقع