پایان نامه انتقال حرارت در نانو سیالات

فصل اول

1-1-مقدمه:

سیالات رایج نظیر آب، روغن ها و اتیلن گلیکول که معمولاً به عنوان واسط انتقال حرارت مورد استفاده قرار می گیرند، توانایی محدودی از لحاظ خواص حرارتی دارند که اولین مانع برای فشرده کردن و بالا بردن راندمان مبدلهای حرارتی می باشد .یکی از روش های بهبود انتقال حرارت افزودن ذرات به سیال است .این روش در مورد سیالاتی که از ذرات با اندازه میلیمتر یا میکرومتر استفاده می کنند به دلیل پایداری کم، ته نشینی سریع، ایجاد انسداد و گرفتگی مسیر جریان، ایجاد سایش و فرسایش سریع دیواره لوله و تجهیزات و افزایش شدید افت فشار در جریان سیال مورد استقبال قرار نگرفت در سال 1995میلادی چوی گونه جدیدی از سیال با نام سیال نانو را معرفی کرد که از یک سیال پایه که حاوی ذرات جامد در اندازه نانو با ضریب رسانایی بالا و نسبت حجمی کم بود، تشکیل شده بود .تحقیقات نشان داد که سیال های نانو رفتار کاملاً متفاوتی نسبت به مخلوط سیالهای رایج با ذرات میلیمتری و میکرومتری دارند در مقایسه با مخلوط های شامل ذرات معلق میلیمتری و میکرو متری، مخلوط شامل ذرات نانو متری، پایداری و خواص جریانی بهتری را از خود نشان داد. همچنین ضریب انتقال حرارت هدایتی بسیار بالاتری را هم نشان می دهند و در عین حال افت فشار خاصی هم دیده نمی شود به این ترتیب شاخه جدیدی در علوم مهندسی حرارتی ایجاد شد و به نظر می رسد که سیالات نانو به خاطر قابلیت مناسب در افزایش انتقال حرارت جایگزین مناسبی برای سیال های واسط انتقال حرارت متداول باشند و به عنوان نسل بعدی سیالات انتقال حرارت مورد استفاده قرار گیرند لذا مطالعات تجربی و عددی زیادی جهت بررسی رفتار حرارتی و هیدرودینامیکی این سیالات درسیستمهای حرارتی مختلف انجام گرفته است. این مطالعات عددی با دو نگرش تک فازی و دوفازی مورد توجه محققین بسیاری قرار گرفته است .در روش تک فازی مخلوط ذرات نانو و سیال پایه همگن در نظر گرفته می شوند واین مخلوط بعنوان یک سیال با خواص حرارتی و هیدرودینامیکی موثر جهت مطالعه در نظر گرفته می شود در حالیکه در روش دو فازی رفتار سیال و ذره به صورت مجزا در نظر گرفته می شود که این خود باعث افزایش زمان محاسبات می گردد .حال آنکه دقت محاسبات بر پایه نگرش تک فازی مستقیما به دقت خواص فیزیکی موثر سیال بستگی دارد.از جمله این خصوصیات ویسکوزیته می باشد که اکثرا از مقادیر تجربی بدست می آید و روابط تحلیلی با دقت بالایی جهت پیشگویی آن در دسترس نمی باشد . همچنین روغن های روان کننده به خاطر بهبود خواص سطحی ، افزایش بازده ی  موتور ، کاهش مصرف سوخت و روغن موتور و نیز کاهش هزینه ی تعمیرات موتور مورد توجه قرار گرفته است.

1-2-تاریخچه فناوری نانو:

نانو کلمه‌ای یونانی به معنی کوچک است.در حدود 400 سال پیش از میلاد مسیح، دموکریتوس فیلسوف یونانی، برای اولین بار واژه اتم را که در زبان یونانی به معنی تقسیم نشدنی است، برای توصیف ذرات سازنده مواد به کار برد. از این رو شاید بتوان او را پدر فناوری و علوم نانو دانست.

اولین جرقه فناوری نانو (البته در آن زمان هنوز به این نام شناخته نشده بود) در سال 1959 زده شد. در این سال ریچارد فاینمن طی یک سخنرانی با عنوان «فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد» ایده فناوری نانو را مطرح ساخت. وی این نظریه را ارائه داد که در آینده‌ای نزدیک می‌توانیم مولکول‌ها و اتم‌ها را به صورت مسقیم دستکاری کنیم.

واژه فناوری نانو اولین بار توسط نوریوتاینگوچی استاد دانشگاه علوم توکیو در سال 1974 بر زبانها جاری شد. او این واژه را برای توصیف ساخت مواد (وسایل) دقیقی که تلرانس ابعادی آنها در حد نانومتر می‌باشد، به کار برد.در سال 1986 این واژه توسط کی اریک درکسلر در کتابی تحت عنوان : «موتور آفرینش: آغاز دوران فناوری‌نانو»بازآفرینی و تعریف مجدد شد. وی این واژه را به شکل عمیق‌تری در رساله دکترای خود مورد بررسی قرار داده و بعدها آنرا در کتابی تحت عنوان "نانوسیستم‌ها ماشین‌های مولکولی چگونگی ساخت و محاسبات آنها" توسعه داد.

1-3-تعریف نانو:

قرن بیست ویکم، قرن فناوری نانو مهمترین دوران صنعت به شمار می رود. قرن نانو، قرن سلامتی، صرفه جویی و آرامش نامیده می شود. نانو نه  یک ماده است و نه یک جسم ، فقط یک پیشوند مقیاس است مثل کیلو یا میلی یا گیگا و.... نانو به معنی کوچک شدن یک مقیاس، نانو یک میلیاردم متر است به اندازه ای کوچک که دیده نمی شود. مثلا در واحد طول مقیاس نانو متر را داریم که می شود یک میلیاردم متر یا در مقیاس زمان نانوثانیه را داریم . یک نانو متر طولی به اندازه ی چیدن 5 الی 10 اتم کنار یکدیگر است . اگر بخواهیم مکعبی با ابعاد 5/2 نانو متر بسازیم تقربا 1000 اتم استفاده می شود . اما آنچه نانو تکنولوژی  را از بقیه شاخه های علم و مهندسی جدا می کند ، این است که در دنیای نانو متری ، خواص فیزیکی ، شیمیایی  و بیولوژیکی تک تک  اتم ها و مولکول ها با خواص توده ی ماده متفاوت است . در دنیای معمولی ما که (کلاسیک ) نامیده می شود ، توده ی ماده از قوانین نیوتن پیروی می کند . اما در دنیای نانو ، قوانین کوانتم  حاکم است . برای همین ساخت یک قطعه ی نانو متری مثل یک نانو لوله با ساختن یک لوله در ابعاد عادی از زمین تا آسمان متفاوت است.

1-4-انتقال گرما به وسیله نانوسیالات:

گروهی جدید از سیالات که قادر به انتقال حرارت می‌باشند، نانوسیال نامیده می‌شوند. نانوسیالات که در حقیقت سوسپانسیون پایداری از نانوفیبرها و نانوذرات جامد هستند،به وسیله پخش و منتشر کردن ذرات در اندازه های نانومتری در سیالات متداول منتقل کننده گرما،به منظور افزایش هدایت گرمایی و بهبود عملکرد انتقال حرارت،ساخته می شوند. نانوسیالات که از توزیع ذرات با ابعاد نانو در سیالات معمولی حاصل می شوند،نسل جدیدی از سیالات با پتانسیل بسیار زیاد در کاربردهای صنعتی هستند.اندازه ذرات مورد استفاده در نانوسیالات از 1 نانومتر تا 100 نانومتر می باشد.این ذرات از جنس ذرات فلزی همچون مس،نقره و... و یا اکسید فلزی همچون اکسیدآلومینیوم،اکسید مس و... هستند.سیالات متداولی که در زمینه انتقال حرارت استفاده می شوند ضریب هدایت حرارتی پایینی دارند. ذرات نانو به دلیل بالا بودن ضریب هدایتی شان با توزیع در سیال پایه باعث افزایش ضریب هدایت حرارتی سیال،که یکی از پارامترهای اساسی انتقال حرارت محسوب می شود،می گردند.

سیستم‌های خنک کننده، یکی از مهم‌ترین دغدغه‌های کارخانه‌ها و صنایع و هر جایی است که به نوعی با انتقال گرما روبه‌رو می‌‌‌‌‌‌‌باشد. با پیشرفت فناوری در صنایعی مانند میکروالکترونیک که در مقیاسهای زیر صد نانومتر عملیاتهای سریع و حجیم با سرعت های بسیار بالا (چند گیگا هرتز) اتفاق می افتد. استفاده از موتورهایی با توان و بار گرمایی اهمیت به سزایی پیدا می کند،استفاده از سیستم های خنک کننده پیشرفته و بهینه،کاری اجتناب‌ناپذیر است. بهینه‌سازی سیستم‌های انتقال حرارت موجود، در اکثر مواقع به وسیله افزایش سطح آنها صورت می‌گیرد که همواره باعث افزایش حجم و اندازه این دستگاه‌ها می‌شود؛ لذا برای غلبه‌ بر این مشکل، به خنک کننده‌های جدید و مؤثر نیاز است و نانو سیالات به عنوان راهکاری جدید در این زمینه مطرح شده‌اند . نانوسیالات به علت افزایش قابل توجه خواص حرارتی، توجه بسیاری از دانشمندان را در سال‌های اخیر به خود جلب کرده است، به عنوان مثال مقدار کمی (حدود یک درصد حجمی) از نانوذرات مس یا نانولوله‌های کربنی در اتیلن گلیکول یا روغن به ترتیب افزایش ۴۰ و ۱۵۰ درصدی در هدایت حرارتی این سیالات ایجاد می‌کند؛ در حالی که برای رسیدن به چنین افزایشی در سوسپانسیون‌های معمولی، به غلظت‌های بالاتر از ده درصد از ذرات احتیاج است. این در حالیست که مشکلات رئولوژیکی و پایداری این سوسپانسیون ها در غلظتهای بالا مانع از استفاده گسترده آنها در انتقال گرما می شود.در برخی از تحقیقات، هدایت گرمایی نانوسیالات،چندین برابر بیشتر از پیش بینی تئوریها است. از دیگر نتایج بسیار جالب، تابعیت شدید هدایت گرمای نانوسیالات و افزلیش تقریبا سه برابری فلاکس گرمای بحرانی در مقایسه با سیالات معمولی است.این تغییرات در خواص گرمای نانوسبالات فقط مورد توجه دانشگاهیان نبوده است، در صورت تهیه موفقیت امیز و تایید پایداری آنها می تواند آینده ای امیدوار کننده در مدیریت گرمای صنعت را رقم بزند. البته از سوسپانسیون نانوذرات فلزی، در دیگر زمینه‌ها از جمله صنایع دارویی و درمان سرطان نیز استفاده شده است .

(تصاویر در فایل اصلی قابل مشاهده است )

تصاویری از نانوسیال مس(چپ) ،نانو ذرات اکسید مس(وسط) و ذرات کلوئیدی طلاسرب(راست) که در مطالعات مقاومت فصل مشترک استفاده شده اند.ذرات اکسید مس حالت خوشه ای دارند و کلوئید های طلا سرب توزیع مناسی و اندازه یکسان دارند.

1-5-تهیه نانوسیالات:

بهبود خواص حرارتی نانوسیال احتیاج به انتخاب روش تهیه مناسب این سوسپانسیون‌ها دارد تا از ته‌نشینی و ناپایداری آنها جلوگیری شود. متناسب با کاربرد، انواع بسیاری از نانوسیالات از جلمه نانوسیال اکسید فلزات، نیتریت‌ها، کاربید فلزات و غیرفلزات که به وسیله یا بدون استفاده از سورفکتانت در سیالاتی مانند آب، اتیلن گلیگول و روغن به وجود آمده است

مطالعات زیادی روی چگونگی تهیه نانوذرات و روش‌های پراکنده‌سازی آنها درسیال پایه انجام شده است که در اینجا به طور مختصر چند روش متداول‌ را که برای تهیه نانوسیال وجود دارد ذکر می‌کنیم

یکی از روش‌های متداول تهیه نانوسیال، روش دو مرحله‌ای است. در این روش ابتدا نانوذره یا نانولوله معمولاً به وسیله روش رسوب بخار شیمیایی در فضای گاز بی‌اثر به صورت پودرهای خشک تهیه می‌شود، در مرحله بعد نانوذره یا نانولوله در داخل سیال پراکنده می‌شود. . برای این کار از روش‌هایی مانند لرزاننده‌های مافوق صوت و یا از سورفکتانت‌ها استفاده می‌شود تا توده‌های نانوذره‌ای به حداقل رسیده و باعث بهبود رفتار پراکندگی شود. روش دو مرحله‌ای برای بعضی موارد مانند اکسید فلزات در آب، دیونیزه شده بسیار مناسب است و برای نانوسیالات شامل نانوذرات فلزی سنگینی، کمتر موفق بوده است. روش دو مرحله‌ای دارای مزایای اقتصادی بالقوه‌ای است؛ زیرا شرکت‌های زیادی توانایی تهیه نانوپودرها در مقیاس صنعتی را دارند. روش یک مرحله‌ای نیز به موازات روش دو مرحله‌ای پیشرفت کرده است؛ به طور مثال نانوسیالاتی شامل نانوذرات فلزی با استفاده از روش تبخیر مستقیم تهیه شده‌اند. در این روش، منبع فلزی تحت شرایط خلاء تبخیر می‌شود در این روش، تراکم توده نانوذرات به حداقل خود می‌رسد، اما فشار بخار پایین سیال یکی از معایب این فرایند محسوب می‌شود؛ ولی با این حال روش‌های شیمیایی تک مرحله‌ای مختلفی برای تهیه نانوسیال به وجود آمده است که از آن جمله می‌توان به روش احیای نمک فلزات و تهیه سوسپانسیون آن در حلال‌های مختلف برای تهیه نانوسیال فلزات اشاره کرد مزیت اصلی روش یک مرحله‌ای، کنترل بسیار مناسب روی اندازه و توزیع اندازه ذرات است.

1-6-مزایا و کاربردهای نانوسیالات

بعضی از کاربردهای نانو سیالات بشرح زیر است:

خنک کاری تجهیزات تولید در صنایع جوشکاری

خنک کاری موتور خودروها در حمل ونقل

افزایش انتقال حرارت مایعات خنک کننده و روانکارها

خنک کاری قطعات الکترونیکی مثل لوله های ماکرویو و دیودهای لیزر

نانوذرات مغانطیسی در زیست سیالات بعنوان وسایل حمل دارو به سلولهای سرطانی

راکتورهای هسته ای

برخی از مزایای نانو سیالات عبارتند:

کاهش نیروی پمپاژ در مبدلهای حرارتی وهزینه عملکرد پایین

ساخت مبدلهای حرارتی کوچکتر و هزینه ساخت پایینتر

کاهش آلودگی هوا

تغییرات انتقال حرارت در نانو سیالات

الف) تراکم ذرات

یک چالش در نانو سیالت کلوخه شدن نانو ذرات به دلیل نیروی واندروالس است. آزمایش های با نانو سیال آب-اکسید مس انجام دادند و فهمیدند که اندازه و توده های نانو ذرات دارای اثرات مهمی در قابلیت هدایت گرمایی دارند. آنها همچنین دریافتن که انباشتگی ذرات وابسته به زمان است. با افزایش زمان در آزمایشات انباشتگی و کلوخه شدن افزایش می یابد که این موجب کاهش قابلیت هدایت گرمایی می شود.

ب) در صد حجمی

قابلیت هدایت گرمایی با افزایش در صد حجمی نانو ذرات افزایش می یابد، اما با افزایش در صد حجمی نانو ذرات  در این مورد فرض معلق بودن قابل قبول نخواهد بود.

ج) حرکت براون

چندین محقق در یافتند که حرکت براون، حرکت رندومی نانوذرات، یکی از موارد مهم در مکانیزم انتقال حرارت است  که بسبب میکرو جابجایی است. حرکت براون فقط زمانی که اندازه ذرات به شدت کوچک هستند وجود دارد، و زمانی که اندازه ذرات بزرگ می شوند  اثر این حرکت کم رنگ می شود.

د) ترموفورسیس

به دلیل تئوری انرژی جنبشی مولکول های با انرژی بالا و ممنتوم بیشتر در ناحیه گرم از سیال به داخل  ناحیه سرد می روند. این کار منجر به مهاجرت ذرات در جهت عکس گرادیان دما از ناحیه گرم به ناحیه سرد می شود.

ه) اندازه نانو ذرات

مطالعات زیادی در مورد کاهش اندازه ذرات بر روی افزایش قابلیت هدایت گرمایینانو سیال انجام شده است با کاهش اندازه ذرات حرکن براون در نانو سیال افزایش می یابد. نانو ذرات سبک و کوچکتر پایداری بهتری در مورد ته نشینی دارند که یکی از بزرگترین چالش های پیشرو در آزمایش های با نانو سیالات است.

ر) شکل ذره و مساحت سطح ذره

بسیااری از مطالعات نشان می دهد که  شکل استوانه ای نانو ذرات مثل نانولوله ها بیشتر از نانو ذرات با شکل کروی گرما را منتقل می کنند . به دلیل اینکه  نسبت مساحت سطح به حجم ذرات با شکل استوانه ای بیشتر از ذراتی با شکل کروی است.

ز) لایه بندی مایه در سطح مشترک مایع-نانوذرات

بعضی از محققین پیشنهاد کرده بودند که لایه بندی مایع در نانو ذرات به افزایش انتقال حرارت کمک می کند.

.

فصل دوم

2-1- اصول انتقال حرارت

تبادل حرارتی حالتی از انتقال گرما است که در آن انتقال گرما از یک دیواره جامد از طریق یک جریان سیال نزدیک به دیواره اثر می پذیرد انتقال گرما می تواند در جهت مخالف باشد)از جسم سیال به دیواره).(تبادل حرارتی) می تواند به صورت گستره به دو نوع تقسیم شود تبادل حرارت اجباری و تبادل حرارتی آزاد (طبیعی) هنگامی که جسم سیال مجبور به جریان داشتن به واسطه عوامل بیرونی همچون پمپ زدن، هواکش، کمپرسور یا دستگاه دمیدن در جهت اتلاف گرما (انرژی) سطحی می شود این نوع انتقال گرما، تبادل حرارت اجباری نمایان می شود هنگامی که جریان از طریق نیروی خاصیت شناوری در طی گرم شدن یا سرد شدن یک جسم سیال ایجاد می شود تبادل حرارتی طبیعی یا آزاد نامیده می شود در حالی که سیستم حرارتی طبیعی وابسته است قانون اصلی انتقال گرما توسط نیوتن حتی قبل از قانون فورییر پیشنهاد شده بود که قانون سرد نامیده می شود.[12]

(1-2)

Q = hA(Tw −Tf )

در این جا Q میزان انتقال گرمایشی بین دیواره و جسم سیال است که در حرکت است در حوزه میانجی (رابط) جامد مایع Tw دمای دیواره و Ff دمای جسم سیال با حجم زیاد است ( که دمای دورتر از دیواره است) معادله می تواند در قالب بی ثباتی جریان این گونه نوشته شود:[12]

(2-2)

این بخشی از قانون سرد نیوتن را ارائه می دهد که به سادگی نشان می دهد که تغییرات پی در پی جریان تبادل حرارتی در تقسیم (حرارتی) به نسبت تفاوت دمایی بین دیواره و جسم سیال است . در اینجا h اساسا عدد ثابت نسبی است که ضریب انتقال گرمایشی نامیده می شود که واحد آن وات بر متر است. K در سیستم SI است و باید توجه داشته باشیم که برخلاف قابلیت انتقال حرارتی است که یک خاصیت ماده است h یک عدد ثابت نیست برخلاف آن h به تعدادی از عوامل از قبیل جسم سیال و خاصیت های آن هندسه جریان، تنظیم جریان ( جریان ناآرام یا آرام) سرعت جریان و شرایط مرز حرارتی جداره بستگی دارد در نتیجه انتقال حرارتی فرارفت تا حد زیادی در ارتباط با مکانیسم های سیالات است.

پژوهش فرارفت ممکن است درگیر راه حل معادلات انتقال حرارتی در دینامیک سیالات به صورت متوالی یا همزمان باشد. ما به سمت جزئیات این راه حل ها نمی رویم زیرا آنها در متون کتاب های استاندارد روی انتقال حرارتی هستند اما معادلات اساس انتقال و راه حل های نتیجه گیری که در بخش های بعدی استفاده می شوند برای توصیف انتقال گرما در نانو سیالات هستند که ارائه شده اند