ای حرفه

انتقال حرارت توسط نانو ذرات:

محققان دانشگاه ایلی نوبر و مینسو تای آمریکا رسانایی حرارتی نانو ذرات طلای روکش دار را بررسی کردند. افزایش یک حلال باعث ورم روکش پلیمر شده که میزان رسانایی حرارتی لایه روکش را افزایش دهد. نانو ذرات فلزی بویژه طلا کاربردهای فراوانی در درمان پزشکی و داروسازی دارند.

مقدمه:

اندازه متوسط ذرات در نانو سیالات از ۱۰nm تا ۱۰۰nm و حتی کوچکتر می باشد. نانو سیالات ویژگی های جدیدی برای انتقال حرارت نسبت به سیال خالص(سیال بدون ذرات) از خود نشان می دهند. به همین علت نانو سیالات می توانند به عنوان نسل بعدی سیال عامل باشند.عوامل گوناگونی مانند تغییر هندسه و خواص سیال، شرایط مرزی یا افزایش ضریب رسانایی سیال در افزایش و بهبود انتقال حرارت به شیوه جا به جایی مؤثر هستند. چون ضریب رسانایی جامدات از ضریب رسانایی سیالات بیشتر است بنابراین یکی از راه ها افزودن ذرات میکرو یا بزرگتر به سیالات بوده است. ماکسول در صد سال پیش مطالعات و پژوهش های بسیاری روی مخلوط های سیال ـ جامد انجام داد. اما به دلیل بزرگی ذرات جامد این مخلوط ها و چگالی بالای آن ها رسوب این ذرات اجتناب ناپذیر است.

ناپایدار بودن این ذرات موجب خوردگی و سبب مقاومت بیشتر در برابر جریان شده است. بنابراین استفاده از ذرات درشت در جریان از توجیه علمی مناسبی برخوردار نیست.

از عوامل مختلف در افزایش رسانندگی نانو سیالات می توان به موارد زیر اشاره کرد:

۱_ نانو لایه تشکیل شده در اطراف نانو ذرات

۲_ حرکت براونی نانو ذرات

۳_اندازه نانو ذرات

نانو سیالات:

نانو سیالات محلول مرکب سیال ـ جامدی هستند که متوسط اندازه آن ها ۱۰nm تا ۱۰۰nm و یا حتی کوچکتر است. اولین کسی که خصوصیات برجسته سیالات را مطرح و سوسپانسیون های پودرهای نانو را در سیالات، نانو سیال نامید چوی بود. اندازه بسیار کوچک این ذرات باعث شده است که هزینه های لازم برای نگهداری و انتقال این سیالات را کم کند و در مورد این ذرات ساییدگی و آسیب رساندن به سیستم ها وجود ندارد. هر چقدر اندازه این ذرات  کوچکتر باشد سطح انتقال حرارت بیشتر و در نتیجه بازده حرارتی ذرات معلق که تابع سطح انتقال حرارت است افزایش می یابد. فرآیند تولید ذرات در حد نانومتر را باید انقلابی در افزایش انتقال حرارت دانست. مطالعات تجربی نشان داده است که رسانش حرارتی ذرات نانو به عوامل متعددی از جمله: درصد حجمی نانو ذرات، مواد اولیه ، شکل ذرات، نوع سیال پایه و دما بستگی دارد. همچنین مقدار و نوع مواد افزودنی و اسیدیته نانو سیال در افزایش رسانش مؤثر هستند.

به صورت مختصر به شرح این عوامل میپردازیم:

درصد حجمی نانو ذرات

افزایش درصد حجمی با افزایش رسانش حرارتی رابطه خطی دارد. برخی مطالعات به  رفتار غیر خطی اشاره دارند که محققان معتقدند این بخاطر رفتار متقابل و فعل و انفعالات نانو سیالات است.

مواد اولیه ذرات

لی و همکارانش رسانش حرارتی نانو سیال با ذرات آلومینیوم اکساید و اکسید مس را بررسی کردند و دریافتند که نانو سیالات با اکسید مس افزایش بیشتری نسبت به نانو سیالات آلومینا دارند و این در حالی است که آلومینا به عنوان ماده اولیه رسانش حرارتی بیشتری دارد. درمی یابیم که رسانش حرارتی مواد اولیه پارامتر غالب در رسانش حرارتی نانو سیالات نیست.

اندازه ذرات

یکی دیگر از پارامتر ها در رسانش حرارتی نانو سیالات اندازه ذرات می باشد. امروزه نانو ذرات را در اندازه های مختلف (معمولا بین ۵ تا ۱۰۰ نانومتر) تولید میکنند. با کاهش اندازه نانو ذرات، رسانش حرارتی افزایش می یابد این نظریه با دو مکانیزم حرکت بروئنی و تشکیل لایه های سیال اطراف نانو ذرات پشتیبانی میشود.

ایست من و همکاران بر خلاف همیلتون و کروز که تأثیر اندازه ذرات را به حساب نیاوردند ، سایز نانو ذرات یک عامل مهم در افزایش رسانش حرارتی میدانند.

شکل ذرات

نانو ذرات دارای دو شکل اصلی کروی و استوانه ای هستند که برای تهیه نانو سیالات معمولا از کروی استفاده میشود. نانو سیالات با نانو تیوب های کربن( که شکل کروی دارند) افزایش رسانش حرارتی بیشتری نسبت به نانو سیالات با ذرات کروی دارند. نانو سیالات با ذرات استوانه ای   نانو سیالات با ذرات استوانه ای   نانو سیالات با ذرات استوانه ای   نانو سیالات با ذرات استوانه ای   نانو سیالات با ذرات استوانه ای   نانو سیالات با ذرات استوانه ای   نانو سیالات با ذرات استوانه ای   نانو سیالات با ذرات استوانه ای دارای ویسکوزیته بیشتری هستند در نتیجه نانو سیالات با ذرات استوانه ای رسانش حرارتی بیشتری نسبت به کروی دارند اما چون افزایش وابسته در پمپ کردن زیاد است باعث کاهش استفاده از این نوع شده است.

ماده اصلی ذرات و سیال پایه

 سیالات پایه ای که در نانو سیالات به کار می روند معمولا سیالات پر کاربرد در تجهیزات انتقال حرارت مانند : آب، اتیلن گلیکول و روغن صنعتی هستند. مواد اولیه خیلی زیادی برای تهیه نانو ذرات استفاده می شود از جمله : اکسید مس، تیتان ، نقره، مس، آهن و غیره.

با توجه به مدل ماکسول، همان اندازه که رسانش حرارتی سیال پایه کاهش می یابد نسبت رسانش حرارتی افزایش می یابد. آب به عنوان سیال پایه استفاده می شود زیرا سیالاتی که رسانش حرارتی کمتری دارند ارائه بهتری نسبت به سیالات با رسانش حرارتی بیشتر دارد. ویسکوزیته سیال پایه بر حرکت بروئنی در نانو سیال مؤثر و بر رسانش حرارتی نانو سیال تأثیر عکس دارد.

دما

رسانش حرارتی محلول در سوسپانسیون های معمولی با ذرات جامد در اندازه میلی متر و میکرو متر نسبت به رسانش حرارتی سیال پایه وابستگی بیشتری به دما دارد.

اسیدیته

اسیدیته در مقایسه با دیگر پارامتر ها تأثیر محدودی دارد. تغییرات رسانش حرارتی با درصد حجمی ذرات به میزان اسیدیته بستگی دارد. برای بهبود انتقال در مقیاس میکرو باید اسیدیته افزایش یابد.

مکانیزم های بهبود انتقال حرارت:

به غیر از دلایل پایه ای برای افزایش رسانش حرارتی نانو ذرات معلق رفتار سیال را نیز دگرگون میکند. در ادامه چندین مکانیزم را توصیف میکنیم.

افزایش انتقال حرارت با بهبود رسانش حرارتی

ترکیب نانو سیالات شامل ذرات جامد نانو، لایه های شبه جامد سیال و توده های سیال است. لایه های شبه جامد سیال به عنوان پلی بین ذرات جامد و توده سیال عمل میکند و باعث افزایش رسانش حرارتی میشود.

تأثیر حرکت بروئنی 

از برخورد نانو ذرات با مولکول های سیال پایه ناشی از حرکت نامنظم ذرات معلق درون سیال است این حرکت به وجود می آید. با افزایش دما حرکت بروئنی افزایش می یابد. با افزایش ویسکوزیته حرکت بروئنی کاهش می یابد.

ترموفورز

نام دیگر ترموفورز پدیده سورت است که این پدیده قابل توجه ترین عامل در پروسه جا به جایی آزاد است. با کاهش حجم مخصوص ظاهری ذرات در مسیر کاهش دما حرکت کرده و فرآیند انتقال حرارت افزایش می یابد.

تجمع ذرات نانو:

این پدیده می تواند فرآیند انتقال حرارت را سرعت ببخشد. با بزرگتر شدن اندازه خوشه ها رسانش افزایش می یابد با توجه به اینکه حرارت در ذرات جامد سریعتر منتقل میشود.

روش های تولید نانو ذرات:

به طور کلی روش های تولید نانو ذرات به دو دسته تقسیم میشوند:

۱ـ سنتز فیزیکی: آسیاب مکانیکی، روش چگالش گاز خنثی

۲ـ سنتز شیمیایی: رسوب شیمیایی، رسوب گیری بخار شیمیایی، میکرو محلول ها ، تجزیه در اثر حرارت به همراه پاشش، پاشش گرمایی.

روش های تولید نانو سیالات:

چون موضوع مورد بحث حرارت در نانو سیالات است به طور خلاصه به روش تولید آن پرداخته میشود.

۱)روش دو مرحله ای

ابتدا ذرات نانو که به صورت پودر خشک هستند توسط کنداکس نمودن با یک گاز بی اثر تولید میشود سپس نانو ذرات تولید شده در سیال پخش میگردد.

۲)روش تک مرحله ای

با استفاده از خواص سطحی و پیشگیری از خوشه ای شدن ذرات، ذرات معلق جامد را پایدار و نانو سیالات تشکیل میشود. سه روش عمده وجود دارد: ۱ـ تغییر میزان ph  ۲ـ استفاده از سورفکتانت ها ۳ـ استفاده از ارتعاشات مافوق صوت

کاربردهای نانو سیالات:

 رقابت در زمینه صنایع مختلف و نقش انرژی در تولید ، صنایع را به سمت توسعه سیالات پیشرفته و جدید و حرارت بالا پیش می برد. در ماشین های کوچک و وسایل می توان از نانو سیالات به دلیل ضریب رسا نایی بالا نسبت به سیالات عادی در ابعاد میکرو و نانو تحت عنوان MEMS و همچنین در ساخت میکرو توربین ها ، میکرو موتور ها، میکرو مبدل های حرارتی و دیگر تجهیزات در ابعاد میکرو مؤثر باشند.

یکی از مهم ترین دغدغه های کارخانه ها که با انتقال گرما رو به رو هستند در سیستم سرمایش و گرمایش است. عمده ترین کاربردی که  نانو سیالات در سرمایش دارند شامل موارد زیر است:

۱ـ در صنایع هوا فضا، به دلیل کاهش چشم گیر دبی سیال عامل و در نهایت مبدل حرارتی با اندازه و وزن کمتر طراحی می شوند استفاده می شود.

۲ـ در آینه ها و مونوکروماتور های پیشرفته X و تولید فوتون از نانو سیال استفاده می شود.

۳ـ هر چقدر اندازه و جرم ذره کوچکتر باشد، انرژی جنبشی ذره کمتر شده، هنگام برخورد با دیواره تأثیر سایشی ناچیز می شود و میتوان در سیستم سرمایش روغن موتور استفاده کرد.

۴ـ در تجهیزات الکترونیکی و لوله های میکروویو و لیزرهای با توان بالا با استفاده از نانو سیالات حرارت بهتر مبادله می شود.

۵ـ نانو سیال مقدار مصرف انرژی را با کوچک تر شدن رادیاتور ماشین کاهش میدهد از این رو در بهبود طراحی کامیون ها کاربرد دارد.

۶ـ از موارد دیگر کاربرد نانو سیال به صورت جا به جایی میتوان در سیستم تهویه هوا، آهن رباهای با قدرت بالا ، پمپ های حرارتی، فرآیند های تولید الیاف میتوان نام برد.

منابع:

Iausr.ac.ir>files>nano _ sayal

Project.iaukhsh.ac.ir>88461740117_a

Opsi.ir>article_1_1319_fa

dl.ketabkadeh.com>nano_fanavari