انتقال حرارت در نانو سیالات

[mim-shimi 25686]

استفاده از سیالات به منظور انتقال حرارت از سالها پیش مورد توجه بوده است. همچنین از سالها پیش مشخص شده بود که با اضافه نمودن ذرات جامد به صورت معلق به سیال پایه، انتقال حرارت افزایش خواهد یافت چرا که ضریب هدایت حرارتی این ذرات، صدها مرتبه بیشتر از سیالات پایه می‌باشد. در نتیجه انتظار می‌رود با استفاده از این ذرات در سیال پایه، انتقال حرارت سیال افزایش قابل ملاحظه‌ای داشته باشد. ذرات جامدی که به این منظور مورد استفاده قرار می‌گیرند از انواع مختلفی نظیر ذرات فلزی، غیر فلزی و یا پلیمری می‌باشند. همانطور که عنوان شد این مسأله یعنی افزایش ضریب هدایت حرارتی سیال با افزودن ذرات ریز به سیال موضوع جدیدی نبوده و از حدود صد سال پیش در رابطه با ذرات میلی‌متری و میکرومتری مورد توجه قرار گرفته است.

 

o نانو سیالات:

 

با وجود افزایش انتقال حرارت توسط ذرات میکرومتری افزوده شده به سیال پایه،‌ استفاده از ذرات جامدی این ابعاد، مشکلاتی نیز ایجاد می‌نماید که از آن جمله می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

 

- رسوب یا ته نشینی ذرات (Sedimentation)

 

- سائیدگی(Erosion)

 

- مسدود نمودن لوله‌ها (Fouling )

 

- افزایش افت فشار در مجرای سیال (pressure drop of the flow channel)

 

پیشرفتهای صورت گرفته در تکنولوژی مواد امکان غلبه بر مشکلات فوق را با استفاده از نانو ذرات جامد فراهم کرده است. در واقع نانو سیالات را می‌توان با تعریفی اینچنین معرفی کرد:

 

سیالات حاوی ذرات معلق جامد که سبب ایجاد جهشی در پدیدة انتقال حرارت می‌شوند.

 

این نانو ذرات می‌توانند خواص انتقالی و حرارتی سیال پایه را تغییر دهند.

 

روش‌های تولید نانو سیالات

 

با توجه به اینکه موضوع مورد بحث، انتقال حرارت در نانو سیالات است، به طور خلاصه به روش تولید نانو سیالات پرداخته می‌شود. به طور عمده 2 روش برای تولید نانو سیالات متصور است:

 

1) روش دو مرحله‌ای (Two-step process)

 

مرحله نخست این روش شامل تولید نانو ذرات به صورت یک پودر خشک بوده که اغلب توسط کندانس نمودن با یک گاز بی اثر انجام می‌شود. در مرحلة بعد نانو ذرات تولید شده در سیال پخش می‌گردند.

 

نکتة اساسی در این روش تجمع نانو ذرات بر اثر چسبندگی آنها به همدیگر است که از معایب این روش به شمار می‌آید. شکل (1) این مطلب را به طور واضح نشان می‌دهد.

 

2) روش تک مرحله‌ای (Single-step process)

 

در این روش از یک مرحله که تبخیر مستقیم است استفاده می‌گردد. مزیت استفاده از این روش آن است که تجمع ذرات بر اثر چسبندگی آنها به یکدیگر به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش یافته و به حداقل می‌رسد. شکل 2 گویای این موضوع می‌باشد.

همچنین یک نکته اساسی در روش‌های تولید نانو سیالات ایجاد پایداری برای ذرات معلق جامد، با بهره‌گیری از خواص سطحی ذرات معلق و نیز پیشگیری از ایجاد خوشه‌ای ذرات است. در این راستا سه روش عمده وجود دارد:

 

1- تغییر میزان pH

 

2- استفاده از سورفکتانت‌ها (surface activators)

 

3- استفاده از ارتعاشات مافوق صوت (ultrasonic vibration)

 

مکانیسم‌های انتقال حرارت در نانو سیالات

 

در بررسی مکانیسم‌های انتقال حرارت 2 مکانیسم مورد توجه قرار می‌گیرد.

 

1- مکانیسم هدایت حرارتی

 

مهمترین نکته در این بخش یادآوری این موضوع است که ضریب هدایت حرارتی سیالات، نقش اصلی را در میزان انتقال حرارت در تجهیزات مربوطه ایفا می‌کنند. در همین راستا نانو ذرات به دلیل دارا بودن ضریب انتقال حرارت بالا، سبب افزایش قابل توجه در انتقال حرارت هدایتی نانو سیالات می‌شوند به طور مثال استفاده از نانو ذرات مس و نانو لوله‌های کربنی در اتیلن گلایکول و نفت موجب افزایش ضریب انتقال حرارت سیال پایه به میزان 40% و 150% می‌شود.

پیش از پرداختن به مدلهای ریاضی موجود، مؤثرترین فاکتورها در افزایش انتقال حرارت نانو سیالات بر اساس آزمایشات صورت گرفته و داده‌های تجربی موجود بررسی می‌شود، این فاکتورها عبارتند از:

 

- نوع سیال پایه و نانو ذرات مورد استفاده

 

- جزء حجمی ذرات

 

- اندازة نانو ذرات

 

- شکل نانو ذرات (نسبت منظر یا aspect ratio)

 

- میزانpH نانو سیالات

 

- نوع پوشش مورد استفاده برای ذرات (particle coating)

 

مدلهای ریاضی که در این زمینه ارائه شده مبتنی بر محاسبة ضریب هدایت حرارتی مؤثر نانو سیال می‌باشد نخستین رابطه‌ای که مبنای بسیاری از کارها قرار گرفته و برای نانو سیالات نیز استفاده شده است رابطة مربوط به ماکسول می‌باشد این رابطه برای مخلوط مایع و ذرات جامد با ابعاد نسبتاً ریز بیان شده است .

در این رابطه K1 و KP به ترتیب بیانگر ضریب هدایت حرارتی سیال و ذرات می‌باشد و نیز مبین جزء حجمی ذرات در مخلوط است. همانطور که مشاهده می‌شود این رابطه تنها به 3 پارامتر مذکور بستگی دارد. اما نکتة اساسی آن است که ضریب هدایت حرارتی نانو سیالات حاوی ذرات غیر کروی علاوه بر جزء حجمی ذرات به شکل نانو ذرات نیز بستگی پیدا می‌کند که تابعی از میزان کرویت ذرات می‌باشد. در این راستا مدل دیگری که برای مخلوطهای دو جزئی مورد استفاده قرار می‌گیرد و در سال 1962 توسط Hamilton و Crosser ارائه شد ، برای نانو سیالات نیز مورد توجه قرار گرفته است.

 

همانطور که مشاهده می‌گردد در این رابطه یک ضریب وجود دارد که بر میزان کرویت ذرات مرتبط می‌شود. یعنی به جای ضریب 2 در رابطه ماکسول از nاستفاده شده است. در صورتی که ذرات کاملاً کروی باشند بر اساس رابطة به دلیل آنکه است پس مقدار n برابر 3 بدست آمده و با جایگذاری در این رابطه به همان رابطة ماکسول خواهیم رسید.

 

در اکثر مقالات به 4 مکانیسم احتمالی که در انتقال حرارت نانو سیالات مؤثر می‌باشد اشاره شده است.

 

این فاکتورها عبارتند از:

 

1- حرکت تصادفی ذرات(Brownian motion of particles)

 

2- ماهیت انتقال حرارت در نانو ذرات (از هر ذره به ذرات کناری‌اش)

 

3- خوشه‌ای شدن نانو ذرات، که در صورتی که از یک میزان مشخص بیشتر شود و سبب کاهش انتقال حرارت خواهد شد. ( nanoparticle clustering)

 

4- ایجاد یک سطح شبیه ذرة جامد در اطراف ذرات جامد در محیط مایع و یا به عبارت دیگر ایجاد سطوح لایه‌ای مایع در فصل مشترک مایع و ذرة جامد

 

مورد چهارم از موارد ذکر شده در تعداد بیشتری از مقالات مورد توجه قرار گرفته و اهمیت آن در افزایش انتقال حرارت نانو سیالات خیلی بیشتر از دیگر فاکتورها عنوان شده است. در اینجا به یک مدل برای محاسبة ضریب هدایت حرارتی مؤثر نانو سیالات که مبتنی در وجود لایه‌ای در فصل مشترک ذره و سیال می‌باشد پرداخته می‌شود.

 

تمامی مدلهای موجود برای محاسبة ضریب هدایت حرارتی مؤثر نانو سیالات مستقل از سایر ذرات و نیز فصل مشترک بین ذرات و سیال است. اما مطالعات آزمایشگاهی اخیر حاکی از آن است که مولکولهای سیال که در نزدیکی سطح جامد هستند ساختاری لایه‌ای داشتند و این ساختار بسیار شبیه به ذره جامد است.

 

در مورد ذرات با ابعاد نانو متر، افزایش ضخامت لایة مذکور تأثیر فراوانی بر افزایش ضریب هدایت حرارتی دارد.

 

در این مدل از یک فرض اولیه استفاده شده که در آن نانو ذره اولیه و لایه اطراف آن به صورت یک کمپلکس در نظر گرفته شده است. در واقع نانو سیال به صورت کمپلکس های نانو ذره‌ای که در سیال توزیع شده فرض می‌گردد.

 

در این مدل کمپلکس نانو ذره به شکل یک کره می‌باشد که دارای مشخصات زیر است:

 

• : r شعاع کره

 

• t : ضخامت لایة خارجی کره

 

• k1 : ضریب هدایت حرارتی نانو ذره

 

• k2 : ضریب هدایت حرارتی پوسته (لایة اطراف نانو ذره)

 

• km : ضریب هدایت حرارتی سیال

 

• kc: ضریب هدایت حرارتی کمپلکس نانو ذره

 

• keff : ضریب هدایت حرارتی موثر نانو سیال