ای حرفه

نانو سیالات، سوسپانسیون های حاوی ذرات نانو ، مواد فلزی و غیر فلزی هستند.در حقیقت می توان گفت که نانو سیالات سوسپانسیون های پایداری از نانوفیبر ها و نانو ذرات جامد می باشد. نانو سیالات چون از ذرات با ابعاد نانو در سیالات معمولی حاصل می شود نسل جدیدی از سیالات با پتانسیل بسیار زیاد در صنعت هستند. اندازه مورد استفاده در نانو سیالات از یک نانومتر تا صد نانومتر می باشد و از جنس فلزاتی چون مس ، نقره و… و یا اکسید فلزی همچون الومینیوم اکسید و …  تشکیل می شوند.در صنایع استفاده از سیالات سنتی مشکلاتی از قبیل رسوب ، ته نشینی ذرات ، ساییدگی ، مسدود شدن لوله ها ، افزایش افت فشار در مجرای سیالات به همراه داشت و این سبب شد که محققان به نانو سیالات روی بیاورند که این انقلابی بزرگ در انتقال حرارت بود. به دلیل کوچک بودن ذرات نانو سیال مشکلات ناشی از خردگی ، ناخالصی ، افت فشار ، تا حدودی کاهش پیدا کرد و پایداری سیالات در مقابل رسوب گذاری افزایش چشمگیری داشت.

به طور کلی دو روش عمده برای تولید نانو سیالات وجود دارد:

۱)روش دو مرحله ای : در این روش ذرات نانو را به صورت پودر خشک تولید می کنند که این عمل توسط کندانس نمودن با یک گاز بی اثر انجام می شود و در مرحله بعد نانو سیالات تولید شده در سیال پخش می گردد. یکی از معایب این روش تجمع نانو ذرات بر اثر چسبندگی  آنها  به یکدیگر می باشد.

۲)روش تک مرحله ای : در این روش از یک مرحله که تبخیر مستقیم است استفاده می شد. این روش به روش قبل ترجیح داده می شود. زیرا تجمع ذرات بر اثر چسبندگی ذرات به یکدیگر به طور قابل ملاحضه ای کاهش می یابد و به حداقل می رسد.

از تحقیقات به عمل آمده متوجه شدند که ضریب انتقال جرم و حرارت نانو سیالات در مقایسه با سیالت پایه بیشتر استدو این سبب شده است که نانو سیالات کاربورد های زیادی در صنعت حرارتی ، پزشکی و … داشته باشد.

خواص نانو سیالات

با افزودن نانو سیالات به سیال پایه چهار خاصیت ترمو فیزیکی موجود در سیال که شامل چگالی ، ویسکوزیته ، ضریب هدایت حرارتی ، گرمای ویژه می باشد مقدارشان تغییر می کند. درصد این افزایش به عوامل مختلفی از جمله درصد حجمی نانو ذرات ، خواص سیال پایه و دما بستگی دارد.

 ضریب هدایت حرارتی

یکی از مهمترین عواملی که در مورد انتقال حرارت باید مورد بستگی قرار گیرد ضریب هدایت حرارتی میباشد. مطالعات نشان داده است که با افزودن درصد کمی نانوذرات ضریب هدایتی نانو سیال نسبت به سیال پایه افزایش چشمگیری پیدا می کند. علاوه بر این ضریب هدایت حرارتی نانو سیال به پارامترهایی مثل: ترکیب درصد شیمیایی نانو ذرات و نانو سیال ، درصد حجمی نانو ذرات ، شکل و اندازه ذرات ، مواد فعال سطحی ، دما و … بستگی دارد.

مکانیسم هایی که براس افزایش هدایت حرارتی نانو سیالات ارائه می شود :

الف- نانو ذرات درون سیال به دلیل حرکت براونی که دارند سبب افزایش اختلاط درون سیال می شود و در واقع باعث می شوند که انتقال حرارت آسان تر صورت بگیرد و ضریب هدایتی افزایش پیدا کند.

ب- با وجود اینکه حرکت براونی مهم است اما در درجه اول کوپل شدن بین ذرات مسئول افزایش ضریب هدایتی می باشد..

ویسکوزیته

ویسکوزیته نانو سیالات بیشتر از سیالات پایه است و همانند ضریب هدایتی ویسکوریته نیز به درصد حجمی نانو ذرات بستگی دارد  با آن رابطه مستقیم دارد.

ضریب  نفوذ

برخی از محققان مشاهده کرده اند که ضریب نفوذ در حضور نانو ذرات افزایش پیدا میکنداین رفتار به این صورت توجیه شد که : به علت حرکت براونی نانو ذرات در لایه های اطراف نانو ذرات اغتشاش ایجاد میشود که سبب ایجاد یک حرکت همزنی در مقیاس کوچک میشود وریز همرفت ها به بهبود نفوذ کمک میکنند . البته مطالعات سایر محققان نیز نشان داده که ضریب نفوذ نانو سیالات نسبت به سیالات پایه بدلیل اینکه پیچدگی مسیر نفوذ میشوند و نتیجه نفوذ را کم میکنند کم است.

کاربرد های نانو سیال:

نانو سیالات کاربرد های زیادی دارند که به دو بخش انتقال جرم و حرارت تقسیم می شود. در مجموعه انتقال حرارت بیشتر کاربرد نانو سیالات مربوط به سرمایش و گرمایش و در بخش جرم مربوط به دارویی و پزشکی است. با وجود اینکه نانو سیالات ساخته دست بشر هستند اما در طبیعت وجود دارند و مهمترین نانو سیالی که در طبیعت می باشد خون می باشد.

انتقال حرارت در نانو سیالات

یکی از نیازهای اساسی در بسیاری از صنایع داشتن محیط انتقال حرارت با راندمان بالا می باشد. سرمایش و گرمایش سیالات برای فرآیند های صنعتی که شامل منابع حرارتی ، فرآیند های تولیدی ، حمل و نقل و الکترونیک هستند نقش مهمی دارد. محیط های انتقال حرارت از سیالاتی مثل آب ، اتیلن ، گلیکول ، یا روغن تشکیل شده است. این سیالات ضریب انتقال حرارت بسیار پایینی در مقایسه با فلزات و حتی اکسیدهای فلزی دارند بنابراین سیالاتی که شامل ذرات بسیار ریزی از این ترکیبات باشند خواص بهتری را از خود نشان می دهند.

مطالعات انجام شده در این زمینه بیشتر روی سوسپانسیون هایی که شامل ذرات جامد معلق در صد میلی لیتر یا حداکثر میکرومتر هستند متمرکز بوده است. پیشرفت های اخیر در تولیدات ذرات نانو را میتوان یک تحول در روش افزایش انتقال حرارت دانست. زیرا به علت کوچک بودن ذرات و کسر حجمی پایین مورد استفاده مسائلی مثل کلوخه شدن و افت فشار را حل میکند.

مهمترین دلایل موثر بر افزایش انتقال حرارت عبارتند از:

۱_نوع سیال پایه و نانو ذرات مورد استفاده

۲_جزء حجمی  ذرات

۳_اندازه نانو ذرات

۴_شکل نانو ذرات

۵_نوع پوشش مورد استفاده برای ذرات

۶- میزان pH نانوسیالات

اولین رابطه ریاضی برای محاسبه ضریب هدایت حرارتی موثر بر نانو سیالات رابطه ماکسول است.رابطه ماکسول برای مخلوط مایع و ذرات جامد ب ابعاد نسبتا ریز بیان شده است.

مکانیسم های  احتمالی که در انتقال حرارت نانو سیالات تاثیر دارند:

۱-حرکت های تصادفی ذرات

۲_ماهیت انتقال حرارت در نانوذرات (از هر ذره به ذره)

۳_خوشه ای شدن نانو ذرات.که در صورتی که از یک مقدار معین بیشتر شود و سبب کاهش انتقال حرارت خواهد شد.

۴_ایجاد یک سطح شبیه ذره جامد در اطراف ذرات جامد در محیط مایع

از این ۴ مورد مورد ۴ اهمیت بیشتری نسبت به ۳ مورد قبلی در افزایش انتقال حرارت نانو سیالات دارد

مدلی برای محاسبه ضریب هدایت حرارتی در اثر  نانو سیالات

مولکولهای سیال که در نزدیکی سطح جامد هستند.ساختاری لایه ای داشته و این ساختار شبیه جامدات است. افزایش ضخامت لایه نانو تاثیر فراوانی بر افزایش ضریب هدایت حرارتی دارد.

در این مدل نانو ذره اول و لایه اطراف آن به صورت یک کمپلکس نانو ذره÷ در نظر گرفته میشود.که در سیال پخش شده است. در این کمپلکس نانو ذره کروی شکل میباشد به مشخصات زیر:

rشعاع کره

t ضخامت لایه خارجی کره

K₁ ضریب هدایتی حرارتی نانوذرات

K₂ضریب هدایت حرارتی پیوسته (لایه اطراف نانو ذره)

K_mضریب هدایت حرارتی سیال

K_cضریب هدایت حرارتی کمپلکس نانو ذره

K_f ضریب هدایت حرارتی موثر نانو سیالات

 مدل سازی انتقال حرارت در نانو سیالات

انتقال حرارت تا الان در دو موضوع کلی مورد بحث قرار گرفته است . در یک موضوع سیال پایه و نانوذرات یک سیال همگن فرض میشدند . و نانو ذرات اجازه حرکت به سیال پایه را نمی دادند. و تاثیر تعغییر خواص ترموفیزیکی در اثر وجود نانو ذرات بر انتقال حرارت در این موضوع مورد بحث قرار گرفت در این حالت معادلاتی که برای سیال حکم میکند برای نانو سیال هم صدق میکند.

در موضوع دوم نانو سیال به عنوان یک سیال دو فازی (مایع و جامد)فرض میشد که در این حالت نانو ذرات در اثر نیروهای وارد بر آن ها امکان لغزش نسبت به سیال پایه را دارند. در انتقال حرارت جابه جایی افزایش چشمگیر ضریب انتقال حرارت جابجایی دیده شده است .

تاثیر مکانیزم های انتقال حرارت در اثر انتقال جرم

در این باره نلد و کوزنستو انتقال حرارت نانو سیالات را در لایه مرزی مورد بررسی قرار دادند و نتیجه گرفتندکه : نانو ذرات در اثر مهاجرت  خود انرژی را در سیال منتقل میکنند و اثر این نوع انتقال انرژی در لایه مرزی بسیار مهم و زیاد است اما در پژوهش ها  و تحقیقات بعدی که بهسرشت و نقره آبادی و قلم باز روی نتایج مطالعات نلد و کوزنستوانجام دادند نتیجه بر این شد که :در مطالعات نلد و کوزنستو محدوده صحیح اعداد بی بعد به درستی انتخاب نشده بوده است. با در نظر گرفتن محدوده صحیح اعداد بی بعد انتقال حرارت در اثر مهاجرت نانو ذرات ناچیز است.

نقره آبادی، قلم باز،قنبرزاده در پژوهش های بعدی که انجام دادند نتیجه گرفتند که اگرچه انتقال حرارت منتقل شده در اثر نانو ذرات ناچیز است . ولی لغزش نانو ذرات در سیال پایه باعث ایجاد ناهمگونی در نانو سیالات میشود این ناهمگونی باعث تغییر موضعی خواص نانو سیال شده و از این راه انتقال حرارت جابه جایی در نانو سیالات را تحت تاثیر قرار میدهد.

نتایج به دست آمده نشان داده است که افزودن نانوذرات به سیال پایه باعث افزایش ضریب انتقال حرارت رسانش در نانو سیال میشود. بنابراین نانو سیال ها گزینه مناسبی برای استفاده در کاربرد های انتقال حرارت بشمار میروند.

چند نمونه از کاربرد نانو سیالات که در بخش انتقال حرارت در زیر آورده شده است:

۱)تولید نیرو: خنک سازی مبدل ها

۲)الکترونیک: خنک سازی تراشه ها و نیمه رسانه ها ، خن سازی تجهیزاتو دیود های لیزری توان بالا

۳)صنعت خودرو: خنک سازی موتور ، سیال ترمز ، روغن روان ساز و گریس ها و …

۴)ساخت و تولید: خنک سازی و روغن کاری تیغه مته ها ، چرخ سنگ زنی ، خنک سازی تجهیزات جوش

و …

منابع:  nanoclub.ir, teerex.ir, laminar.blogfa.com