مقاله انتقال گرما به وسيله نانو سيالات

mim-shimi · 3 خرداد، ۱۳۸۹

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.

mim-shimi · 3 خرداد، ۱۳۸۹

انتقال حرارت در نانو سیالات(1)

مقدمه

استفاده از سیالات به منظور انتقال حرارت از سالها پیش مورد توجه بوده است. همچنین از سالها پیش مشخص شده بود كه با اضافه نمودن ذرات جامد به صورت معلق به سیال پایه، انتقال حرارت افزایش خواهد یافت چرا كه 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 كه به این منظور مورد استفاده قرار می‌گیرند از انواع مختلفی نظیر ذرات فلزی، غیر فلزی و یا پلیمری می‌باشند. همانطور كه 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 میكرومتری مورد توجه قرار گرفته است.

o نانو سیالات:

با وجود افزایش انتقال حرارت توسط ذرات میكرومتری افزوده شده به سیال پایه،‌ استفاده از ذرات جامدی این ابعاد، مشكلاتی نیز ایجاد می‌نماید كه 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 تكنولوژی مواد امكان غلبه بر مشكلات فوق را با استفاده از

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

جامد فراهم كرده است. در واقع نانو سیالات را می‌توان با تعریفی اینچنین معرفی كرد:

سیالات حاوی ذرات معلق جامد كه 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 اینكه 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 یك پودر خشك بوده كه اغلب توسط كندانس نمودن با یك گاز بی اثر انجام می‌شود. در مرحلة بعد نانو ذرات تولید شده در سیال پخش می‌گردند.

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

2) روش تك مرحله‌ای (Single-step process)

در این روش از یك مرحله كه تبخیر مستقیم است استفاده می‌گردد. مزیت استفاده از این روش آن است كه تجمع ذرات بر اثر چسبندگی آنها به یكدیگر به طور قابل ملاحظه‌ای كاهش یافته و به حداقل می‌رسد. شكل 2 گویای این موضوع می‌باشد.

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

همچنین یك نكته 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 سورفكتانت‌ها (surface activators)

3- استفاده از ارتعاشات مافوق صوت (ultrasonic vibration)

mim-shimi · 3 خرداد، ۱۳۸۹

انتقال حرارت در نانو سيالات (2)

مكانيسم‌هاي انتقال حرارت در نانو سيالات

در بررسي مكانيسم‌هاي انتقال حرارت 2 مكانيسم مورد توجه قرار مي‌گيرد.

1- مكانيسم هدايت حرارتي

مهمترين نكته در اين بخش يادآوري اين موضوع است كه ضريب هدايت حرارتي سيالات، نقش اصلي را در ميزان انتقال حرارت در تجهيزات مربوطه ايفا مي‌كنند. در همين راستا نانو ذرات به دليل دارا بودن ضريب انتقال حرارت بالا، سبب افزايش قابل توجه در انتقال حرارت هدايتي نانو سيالات مي‌شوند به طور مثال استفاده از نانو ذرات مس و نانو لوله‌هاي كربني در اتيلن گلايکول و نفت موجب افزايش ضريب انتقال حرارت سيال پايه به ميزان 40% و 150% مي‌شود.

پيش از پرداختن به مدلهاي رياضي موجود، مؤثرترين فاكتورها در افزايش انتقال حرارت نانو سيالات بر اساس آزمايشات صورت گرفته و داده‌هاي تجربي موجود بررسي مي‌شود، اين فاكتورها عبارتند از:

- نوع سيال پايه و نانو ذرات مورد استفاده

- جزء حجمي ذرات

- اندازة نانو ذرات

- شكل نانو ذرات (نسبت منظر يا aspect ratio)

- ميزانpH نانو سيالات

- نوع پوشش مورد استفاده براي ذرات (particle coating)

مدلهاي رياضي كه در اين زمينه ارائه شده مبتني بر محاسبة ضريب هدايت حرارتي مؤثر نانو سيال مي‌باشد نخستين رابطه‌اي كه مبناي بسياري از كارها قرار گرفته و براي نانو سيالات نيز استفاده شده است رابطة مربوط به ماكسول مي‌باشد اين رابطه براي مخلوط مايع و ذرات جامد با ابعاد نسبتاً ريز بيان شده است .

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

در اين رابطه K1 و KP به ترتيب بيانگر ضريب هدايت حرارتي سيال و ذرات مي‌باشد و نيز مبين جزء حجمي ذرات در مخلوط است. همانطور كه مشاهده مي‌شود اين رابطه تنها به 3 پارامتر مذكور بستگي دارد. اما نكتة اساسي آن است كه ضريب هدايت حرارتي نانو سيالات حاوي ذرات غير كروي علاوه بر جزء حجمي ذرات به شكل نانو ذرات نيز بستگي پيدا مي‌كند كه تابعي از ميزان كرويت ذرات مي‌باشد. در اين راستا مدل ديگري كه براي مخلوطهاي دو جزئي مورد استفاده قرار مي‌گيرد و در سال 1962 توسط Hamilton و Crosser ارائه شد ، براي نانو سيالات نيز مورد توجه قرار گرفته است.

همانطور كه مشاهده مي‌گردد در اين رابطه يك ضريب وجود دارد كه بر ميزان كرويت ذرات مرتبط مي‌شود. يعني به جاي ضريب 2 در رابطه ماكسول از nاستفاده شده است. در صورتي كه ذرات كاملاً كروي باشند بر اساس رابطة به دليل آنكه است پس مقدار n برابر 3 بدست آمده و با جايگذاري در اين رابطه به همان رابطة ماكسول خواهيم رسيد.

در اكثر مقالات به 4 مكانيسم احتمالي كه در انتقال حرارت نانو سيالات مؤثر مي‌باشد اشاره شده است.

اين فاكتورها عبارتند از:

1- حركت تصادفي ذرات(Brownian motion of particles)

2- ماهيت انتقال حرارت در نانو ذرات (از هر ذره به ذرات كناري‌اش)

3- خوشه‌اي شدن نانو ذرات، كه در صورتي كه از يك ميزان مشخص بيشتر شود و سبب كاهش انتقال حرارت خواهد شد. ( nanoparticle clustering)

4- ايجاد يك سطح شبيه ذرة جامد در اطراف ذرات جامد در محيط مايع و يا به عبارت ديگر ايجاد سطوح لايه‌اي مايع در فصل مشترك مايع و ذرة جامد

مورد چهارم از موارد ذكر شده در تعداد بيشتري از مقالات مورد توجه قرار گرفته و اهميت آن در افزايش انتقال حرارت نانو سيالات خيلي بيشتر از ديگر فاكتورها عنوان شده است. در اينجا به يك مدل براي محاسبة ضريب هدايت حرارتي مؤثر نانو سيالات كه مبتني در وجود لايه‌اي در فصل مشترك ذره و سيال مي‌باشد پرداخته مي‌شود.

تمامي مدلهاي موجود براي محاسبة ضريب هدايت حرارتي مؤثر نانو سيالات مستقل از ساير ذرات و نيز فصل مشترك بين ذرات و سيال است. اما مطالعات آزمايشگاهي اخير حاكي از آن است كه مولكولهاي سيال كه در نزديكي سطح جامد هستند ساختاري لايه‌اي داشتند و اين ساختار بسيار شبيه به ذره جامد است.

در مورد ذرات با ابعاد نانو متر، افزايش ضخامت لاية مذكور تأثير فراواني بر افزايش ضريب هدايت حرارتي دارد.

در اين مدل از يك فرض اوليه استفاده شده كه در آن نانو ذره اوليه و لايه اطراف آن به صورت يك كمپلكس در نظر گرفته شده است. در واقع نانو سيال به صورت كمپلكس هاي نانو ذره‌اي كه در سيال توزيع شده فرض مي‌گردد.

در اين مدل كمپلكس نانو ذره به شكل يك كره مي‌باشد كه داراي مشخصات زير است:

• : r شعاع كره

• t : ضخامت لاية خارجي كره

• k1 : ضريب هدايت حرارتي نانو ذره

• k2 : ضريب هدايت حرارتي پوسته (لاية اطراف نانو ذره)

• km : ضريب هدايت حرارتي سيال

• kc: ضريب هدايت حرارتي كمپلكس نانو ذره

• keff : ضريب هدايت حرارتي موثر نانو سيال

mim-shimi · 3 خرداد، ۱۳۸۹

انتقال حرارت در نانو سيالات (3)

ادامه مكانيسم هدايت حرارتي

شكل (3) نماي كمپلكس نانو ذره را نشان مي‌دهد كه در آن شدت انتقال حرارت و نرخ انتقال است. در صورتي كه معادلة مربوط به انرژي را در مختصات كروي بنويسيم خواهيم داشت:

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

اين معادله در حالت پايدار در نظر گرفته شده و از فرم مربوط به جهت صرفنظر شده و سرعت در جهت ناديده گرفته شده است.

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

H : intensity

q :heat flux

شرايط مرزي معادله به صورت زير است:

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

پس از حل معادله و با توجه به شرايط مرزي مذكور خواهيم داشت:

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

همچنين با توجه به رابطه مربوط به H مقاديرH1 براي نانو ذره وH2 براي پوستة خارجي بدست مي‌آيد:

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

به دليل آنكه در رابطة مربوط به H2براي شعاع‌هاي بزرگتر ازR مي‌توان از ترم دوم و سوم در سمت راست معادله صرفنظر كرد در نتيجه خواهيم داشت:

كه در اين روابط er و ez بردارهاي يكه در راستاي محوري و شعاعي مي‌باشند.

با توجه به تعريف مقدار متوسط كميت‌ها مقادير مربوط به مقدار متوسط H و q نيز از روابط زير بدست مي‌آيد:

پس از انتگرال‌گيري در روابط فوق معادلات زير بدست مي‌آيد كه از آنجا مي‌توان ضريب هدايت حرارتي كمپلكس نانو ذره را محاسبه نمود.

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

در ادامه، بر اساس تئوري كه در سال 1935 توسط Bruggeman براي محاسبة ضريب هدايت حرارتي مؤثر تركيبات دو تايي شامل ذرات كروي شكل ارائه شد مي‌توان به ضريب هدايت حرارتي مؤثر نانوسيالات دست يافت.

و معادله نهايي به شکل زير خواهد بود:

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

نمودار زير تطابق بين داده هاي آزمايشگاهي براي نانو سيال اكسيد مس در آب با برخي تئوري‌هاي قديمي نظير ماكسول و تئوري ارائه شدة اخير را نشان مي‌دهد. همانطور كه مشاهده مي‌شود سازگاري بسيار خوبي ميان اين تئوري با داده ‌هاي آزمايشگاهي وجود دارد و بر اساس شكل بر خلاف تئوريهاي پيشين كه به صورت خطي مي‌باشند. تئوري اخير ماهيتي غير خطي داشته و از اين نظر نيز مطابق با داده‌هاي تجربي است.

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

mim-shimi · 3 خرداد، ۱۳۸۹

انتقال حرارت در نانو سيالات(4)

ادامه مكانيسم‌هاي انتقال حرارت در نانو سيالات

2- مكانيسم جابجايي حرارتي

مباحث و تئوريهاي ارائه شده در اين بخش براي نانو سيالات به مراتب كمتر از مدلهاي ارائه شده در قسمت مربوط به مكانيسم هدايت حرارتي مي‌باشد و در كل كارهاي تحقيقاتي كمتري روي اين مكانيسم صورت پذيرفته است. اما به توجه به همين كارهاي اندك انجام شده نتايج زير بر اساس داده‌هاي آزمايشگاهي بدست آمده است:

- ضريب انتقال حرارت جابجايي در نانو سيالات با توجه به سرعت جريان و جزء حجمي نانو ذرات تغيير كرده و در صورت وجود شرايط يكسان بيشتر ازمقدار مشابه در سيال پايه است.

- به طور مثال در مقايسه با آب، نانو سيال حاوي2% حجمي از ذرات مس داراي افزايش 60 درصدي در ضريب انتقال حرارت جابجايي است.

- ضريب انتقال حرارت جابجايي با توجه به عدد رينولدز و جزء حجمي ذره در سيال افزايش مي‌يابد.

به صورت كلي روابط ارائه شده در بخش انتقال حرارت جابجايي در اغلب موارد به صورت تجربي است كه اين مسأله در مورد نانو سيالات نيز صدق مي‌كند. يعني تعداد روابط تجربي بيشتر از مدلهاي رياضي ارائه شده در اين بخش است. به طور مثال مي‌توان به محاسبة عدد بدون بعد ناسلت بر اساس دو رابطة زير به ترتيب براي جريان آرام و آشفته اشاره نمود كه به طور تجربي به دست آمده‌اند:

در اين روابط از اعداد بدون بعد نظير پكلت، رينولدز و پرانتل استفاده شده است. همچنين ضريب نفوذ حرارتي نانو سيال در رابطة بالا با توجه به تعريف و بر اساس جزء حجمي نانو ذرات بدست مي‌آيد:

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

در بيان مدلهاي رياضي 2 روش عمده براي تحليل افزايش ميزان انتقال حرارت مورد توجه است:

1- مدل تك فازي:

در اين مدل فاز ذرات و فاز سيال در يك تعادل حرارتي در نظر گرفته مي‌شوند كه داراي سرعت يكسان مي‌باشند. از مزاياي اين روش كاهش قابل توجه زمان محاسبات در آن است.

2- مدل دو فازي:

در اين روش فرايند انتقال حرارت در 2 فاز مايع و جامد به صورت مجزا مورد بررسي قرار مي‌گيرد و از دو تابع مختلف استفاده مي‌شود. محاسبات اين روش مستلزم بهره‌گيري از كامپيوترهاي بسيار پيشرفته و نيز صرف زمان زياد است.

مدلي كه در اينجا مورد بررسي قرار مي‌گيرد در واقع يك مدل تك فازي اصلاح شده براي جريان نانو سيال در لوله است.

معادلة مربوط به انرژي در مختصات استوانه‌اي، در صورتي كه در آن از توزيع دما در جهت صرفنظر شده و همچنين سرعت در جهت محوري و شعاعي استوانه‌اي نيز صفر در نظر گرفته شود به صورت زير مي‌باشد:

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

در اين معادله از فرم استفاده شده است كه دليل آن در نظر گرفتن اثر وجود نانو ذرات و جزء حجمي آنها در سيال است. در صورتي كه از توزيع دما در جهت محوري هم صرفنظر گردد به معادلة زير خواهيم رسيد:

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

شرايط مرزي اين معادله به صورت زير خواهد بود:

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

با در نظر گرفتن شرايط مرزي، و با استفاده از روش جداسازي متغير ، معادله حل شده و نتيجه به شكل تابع بسل در خواهد آمد:

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

در اين رابطه كه در آن از متغيرهاي بي بعد زير استفاده شده است،تتا ريشة مثبت معادله مي‌باشد.

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

در صورتي كه معادله تعادل حرارتي را در ديوارة لوله به صورت زير در نظر بگيريم آنگاه خواهيم داشت:

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

در روابط مذكورTb دماي سيال اطراف لوله و Twدماي ديوارة لوله است.

پس از محاسبة عدد بدون بعد ناسلت ، ضريب هدايت جابجايي نيز بدست خواهد آمد.

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

ورود

مقاله انتقال گرما به وسيله نانو سيالات

ارسال های توصیه شده

mim-shimi 25,686

لینک به دیدگاه

mim-shimi 25,686

لینک به دیدگاه

mim-shimi 25,686

لینک به دیدگاه

mim-shimi 25,686

لینک به دیدگاه

mim-shimi 25,686

لینک به دیدگاه

به گفتگو بپیوندید

سایت نواندیشان

انجمن نواندیشان

فعالیت ها

جریان فعالیت های من

کسب درآمد کنید