بخشی از مقاله
چکیده
اخراًی استفاده از نانوسیالات که در حقیقت سوسپانسیون پایداری از نانوفیبرها و نانوذرات جامد هستند، به عنوان راهبردی جدید در عملیات انتقال حرارت مطرح شده اند.
تحقیقات اخیر روی نانوسیالات، افزایش قابل توجهی را در هدایت حرارتی آنها نسبت به سیالات بدون نانوذرات و یا همراه با ذرات بزرگتر (ماکرو ذرات) نشان میدهد . نتایج آزمایشگاهی به دست آمده از نانوسیالات نتایج قابل بحثی است که به عنوان مثال میتوان به انطباق نداشتن افزایش هدایت حرارتی با تئوریهای موجود اشاره کرد. بنابراین برای کاربردی کردن این نوع از سیالات در آینده و در سیستمهای جدید، باید اقدام به طراحی و ایجاد مدل ها و تئوریهایی شامل اثر نسبت سطح به حجم و فاکتورهای سیالیت نانوذرات و تصحیحات مربوط به آن کرد. در این مقاله نشان داده شده است که مخلوط کردن نانو ذرات در یک نانو سیال مایع تاثیر بسیار زیادی بر روی خواص ترموفیزیکال مایع (مانند هدایت حرارتی) دارد. نانوذرات همچنین باعث بهبود خواص تابشی مایعات، و منجر به افزایش بهره وری در جذب مستقیم کلکتورخورشیدی می شوند. در اینجا ما نتایج تجربی کلکتورخورشیدی بر اساس نانوسیال ساخته شده از انواع نانوذرات (نانولوله های کربنی، گرافیت و نقره) را گزارش می دهیم. [2]
کلمات کلیدی
نانو سیال، سوسپانسیون، سورفکتانت، رسانندگی گرمایی.
Synthesis and application of thermal Nano fluid used in absorption solar collector
1A. Khalili1; 2 R. Mehragha 1 alikhalili632@yahoo.com; 2 r_mehragha@yahoo.com
ABSTRACT
Recently, use of Nano fluids - in fact stable suspensions of solid nanoparticles and Nano fibers- are
discussed as a new strategy in the heat transfer process. The recent research on Nano fluids shows a significant increase in thermal conductivity than liquids without nanoparticles or with larger particles (macro-particles). Experimentally a result obtained from the results of Nano fluids is arguable for example we can note to having enhanced thermal conductivity is incompliance with existing theories. Therefore, for the future application and used in new systems of these types of fluids should be designed and established models and theories include the effect of surface to volume ratio of nanoparticles, flow factors, and corrections for it . In this article, it has been shown that
mixing nanoparticles in a liquid Nano XLG KDV D GUDPDWLF HIIHFW RQ WKH OLTXLG WKHUPR SK\VLFDO SURSHUWLHV such as thermal conductivity. Nanoparticles also offer the potential of improving the radiative properties RI OLTXLGV' OHDGLQJ WR DQ LQFUHDVH LQ WKH HI FLHQF\ RI GLUHFW DEVRUSWLRQ VRODU FRllectors. Here we report on WKH H[SHULPHQWDO UHVXOWV RQ VRODU FROOHFWRUV EDVHG RQ 1DQR XLGV PDGH IURP D YDULHW\ RI QDQRSDUWLFOHV
carbon nanotubes, graphite, and silver. 2
KEYWORDS
Nano fluid; Suspension; Surfactant; Thermal conductivity.
هم اندیشان چرخه علم و صنعت 1 1392
-1 مقدمه
استفاده از سیالات به منظور انتقال حرارت از سالها پیش مورد توجـه بوده است. همچنین از سالها پیش مشخص شـده بـود کـه بـا اضـافه نمودن ذرات جامد به صورت معلـق بـه سـیال پایـه، انتقـال حـرارت افزایش خواهد یافت چرا که ضریب هدایت حرارتی این ذرات، صـدها مرتبه بیشتر از سیاﻻت پایه مـیباشـد. در نتیجـه انتظـار مـیرود بـا استفاده از این ذرات در سیال پایه، انتقال حرارت سیال افزایش قابـل ملاحظه ای داشته باشد. ذرات جامدی که به این منظور مورد استفاده قرار میگیرند از انواع مختلفـی نظیـر ذرات فلـزی، غیـر فلـزی و یـا پلیمری میباشند. افزایش ضریب هدایت حرارتـی سـیال بـا افـزودن ذرات ریز به سیال موضوع جدیدی نبوده و از حدود صد سـال پـیش در رابطه با ذرات میلیمتری و میکرومتری مـورد توجـه قـرار گرفتـه است.
با وجود افزایش انتقال حرارت توسط ذرات میکرومتری افزوده شده به سیال پایه، استفاده از ذرات جامدی در 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
[1] (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 پدیده انتقال حرارت میشوند.
به عبارت دیگر "نانو سیال" یک ماده چند حالتی است که بصورت ماکروسکوپی یکنواخت است. [3]
این نانو ذرات میتوانند خواص انتقالی و حرارتی سیال پایه را تغییر دهند.
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 مرحله بعد نانو ذرات تولید شده در سیال پخش میگردند.
نکته 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 ملاحظه ای کاهش یافته و به حداقل میرسد. شکل 2 گویای این موضوع میباشد.
شکل [1]1
شکل [1]2 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 [4]
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
- اندازه نانو ذرات
- شکل نانو ذرات (نسبت منظر یا (aspect ratio
- میزانpH نانو سیالات
- نوع پوشش مورد استفاده برای ذرات (particle coating) پراکندگی نانوذرات مس و همچنین نانولوله های کربنی نتایج
امیدوار کننده ای را بدست می دهند تا کنون افزایش هدایت حرارتی تا 40 و 160 نسبت به مایع پایه ارائه شده است. [5]لازم به ذکر است که مطالعات بیشتری باید در واقع قبل از استفاده از این نوع از مایعات جدید در دستگاه های انتقال حرارت واقعی صورت پذیرد. یک نیاز بزرگ برای تهیه نانوسیال، پایداری سیال به همراه مشخصات مورد نظر و برای اندازه گیری خواص آنهاست. علاوه بر این، یک چالش بزرگ، درک مکانیسم های مسئول رفتار حرارتی منحصر به
2 هم اندیشان چرخه علم و صنعت 1122
فرد نانوسیالات برای پیش بینی خواص آنهاست. این کار با مطالعات قبلی و تلاش برای به دست آوردن یک دیدگاه کامل تر در مورد این موضوع دونبال شده که به شرح زیر است. [8-6]
-2 اندازه گیری هدایت حرارت
هدایت حرارتی از نانوسیلات توسط گروه ما مورد مطالعه قرار گرفت و با روش گذرای سیم-گرم اندازه گیری شد. ابزاری برای این منظور توسط آسل 1 و همکارانش ساخته شد که آن را با عدم قطعیت استاندارد بهتر از 2 اندازه گیری میکرد، و برای درک مکانیسم انتقال حرارت در نانوسیال آبی حاوی نانولوله های کربنی چند دیواره (C-MWNTs )، شبیه سازی های اولیه با استفاده از المان محدود (FEM) انجام شد. [4] اتیلن گلیکول و آب به عنوان مایع پایه اولیه
انتخاب شدند، چرا که آنها به طور گسترده ای در انتقال حرارت استفاده می شوند. علاقه خاصی به استفاده از آب وجود دارد چراکه آب یک ماده ی بیولوژیکی است. نانوذرات کروی مس و نانولوله های
کربنی چند دیواره (C-MWNTs) به عنوان فاز پراکنده در بسیاری از موارد به کار گرفته شد، چرا که به علت خاصیت افزایش هدایت حرارتی آنها به احتمال زیاد بتوان از آنها برای تعدادی از برنامه های کاربردی در نانوسیالات برای افزایش انتقال حرارت استفاده کرد. علاوه بر این، چندین دیسپرس کننده برای کمک به شکل گیری سوسپانسیون همگن و پایدار مورد استفاده قرار گرفت. خلاصه ای از اندازه گیری هدایت حرارتی نانوسیال انجام شده توسط گروه ما در جدول .1 نشان داده شده است.
