بخشی از مقاله
ارتقا عملکرد زیرسیستم کنترل حرارتماهواره با استفاده از مواد تغییر فاز دهنده تقویت شده با نانوذرات
چکیده
در این مقاله اثر افزودن نانو ذرات به مواد تغییر فاز دهنده به منظور افزایش نرخ انتقال حرارت به جهت استفاده در زیرسیستم کنترل حرارت وسایل فضایی به روش عددی مورد بررسی قرار گرفته است. در این بررسی پارافین به عنوان ماده ی تغییر فاز دهنده و اکسید آلومینیوم به عنوان نانو ذره استفاده شده است.نتیجه تحلیلها و شبیه سازی های انجام پذیرفته موید این نکته است که افزودن نانو ذرات به مواد تغییر فاز دهنده اثر قا بل ملاحظه ای در کارآیی زیرسیستم کنترل حرارت ماهواره داشته و نرخ انتقال حرارت را به شدت افزایش می دهد. افزایش پیش بینی شده ی نرخ انتقال حرارت در مواد تغییر فاز دهنده توسط نانو ذرات نشان دهنده ی قابلیت بالای این مواد برای کاهش حجم و وزن وسایل پروازی جهت استفاده در سیستم های خنک کننده ی آنها می باشد.
کلید واژگان: نانو ذرات، مواد تغییر فاز دهنده، ماهواره، کنترل حرارت، گرمای نهان
مقدمه
اختلاف بین عرضه و تقاضای منابع انرژی در کلیه سطوح به طور روز افزون رو به افزایش است. این نکته جامعه ی مهندسی را بر این واداشته که به این قضیه در حد یک چالش بزرگ در حوزه مهندسی نگاه کنند. واحد های تحقیقاتی مختلفی چه در ابعاد صنعتی و چه خصوصی تمرکزشان را بر این زمینه معطوف کرده اند. به کار بردن منابع نامحدود انرژی گرمایی خورشیدی جریانات گرمایی طبیعی در دسترس باعث ترغیب دانشمندان به از بین بردن مشکلات استفاده از این منابع در ابعاد گسترده صنعتی شده است. انرژی گرمایی می تواند به شکل گرمای محسوس وقتی دمای جسم به ازای تغییر انرژی بالا میرود جمع آوری شود و یا به عنوان گرمای نامحسوس وقتی جسمی در حال تغییر فاز است دریافت شود. به یانی دیگر اینگونه می توان بیان داشت که گرمای نهان تغییر فاز به شکل نامحسوس است. زیرا در طی تغییر فاز دمای جسم ثابت می ماند. مواد تغیر فاز دهنده به علت استفاده از گرمای نهان تغییر فاز (ذوب و انجماد) همواره یکی از گزینه های اصلی برای انجام تحقیقات در سیستم های ذخیره سازی انرژی و بازیافت انرژی بوده و هستند. گرمای نهان تغییر فاز به مقدار انرژی حرارتی میگویند که جسم در دمای ذوب یا انجماد خود میگیرد یا از دست میدهد تا در دمای ثابت از فازی به فاز دیگر تغییر حالت دهد. تحقیقات و مطالعات وسیعی در زمینه ی استفاده ی بهتر از این خاصیت مواد تغییر فاز دهنده در دنیا در حال انجام است تا از نتایج آن در طراحی سیستم های ذخیره ی انرژی استفاده شود.[1]
اخیرا با پیشرفت تکنولوژی در تولید مواد تغییر فاز دهنده (PCM1) زمینهاستفاده از این مواد در خنک کاری در محیط زمین و همچنین شرایط فضایی مهیاشده است. کنترل حرارت زیرسیستمها و قطعات یک ماهواره متناسب با الزامات حرارتی و شرایط فازهای پروازی از جمله چالشهای حوزه مهندسی سیستمهای فضایی است..[2] در محیط فضا در بعضی موارد به علت محدودیت در ابعاد و اجزاء نمی توان این قطعات را در مجاورت یک صفحه ی سرد قرار داد. در مقابل، قطعاتی نظیر باتریها هستند که به طور خاص در شرایطی کار می کنند که نباید از حد خاصی سردتر شوند. چنین قطعاتی کاربرد ایده آلی از کنترل حرارت به وسیله ی مواد تغییر فاز دهنده را می طلبند.ساده ترین شکل استفاده از کنترل حرارت به وسیله ی مواد تغییر فاز دهنده، استفاده از PCMها در کنترل حرارت ماهواره های با ماموریت های کوتاه مدت که در بازه های زمانی کوتاه مدت وارد مدار می شوند و از آن خارج می شوند است. در چنین مواردی یک ماده ی تغییر فاز دهنده ی مناسب می تواند در افزایش کارآیی زیرسیستم کنترل حرارت فضاپیما مفید واقع شود.حرارت تولید شده در طی انتقال حرارت در نقطه ی ذوب PCM توسط گرمای نهان ذوب جذب می شود بدون اینکه دمای قطعه به مقدار زیادی افزوده شود. سیستمی از این نوع کاملا غیر فعال و بسیار قابل اطمینان است. علاوه بر این، یکی از تکنیک هایی که برای خنک کاری سیالات در ماهواره ها مورد استفاده قرار میگیرد استفاده از دو لوله ی تو در توی هم محور یا همان مبدل حرارتیست. در چنین سیستمی از مواد تغییر فاز دهنده در فضای بین دو لوله استفاده می شود تا حرارت منتشره از سیال گرم داخل لوله ی مرکزی توسط ماده ی تغییر فاز دهنده جذب شده و سیال داخل لوله ی داخلی خنک شود..[3]پاندیاراجان و همکاران[4] برای بازیافت حرارت اتلافی در موتور ماشین ها دست به یک سری آزمایشات تجربی زدند. آنها یک سیستم مبدل حرارتی شامل دو استوانه ی هم محور که داخل استوانه ی داخلی صفحات فین نصب بود و یک ماده ی پارافینی به عنوان ماده ی تغییر فاز دهنده در بین دو استوانه بود را به عنوان سیستم جاذب و ذخیره کننده ی حرارت اتلافی موتور مورد استفاده قرار دادند. آنها کارکرد موتور را در دو حالت وجود و عدم وجود مبدل حرارتی مقایسه کردند و به این نتیجه رسیدند که %10 تا %15 حرارت بازیافت شده است.
اما با وجود حرارت بالای نهان در مواد تغییر فاز دهنده، این مواد از ضریب انتقال حرارت رسانایی پایینی برخوردار می باشند.برای رفع این نقیصه روش های متنوعی پیشنهاد شده است. یکی از بهترین روش های برطرف کردن این مشکل استفاده از مخلوط نانو ذرات رسانای حرارتی در ماده ی تغییر فاز دهنده می باشد.
سیالات معمول مورد استفاده برای انتقال حرارت دارای ضریب رسانش حرارتی پایین میباشند، در حالی که فلزات دارای رسانش حرارتی بالاتر از سه برابر اینگونه سیالات میباشند. بنابراین استفاده از ذرات جامد فلزی و ترکیب آنها با اینگونه سیالات برای افزایش ضریب رسانش حرارتی و در نتیجه افزایش راندمان حرارتی بسیار مطلوب به نظر میرسد..[5] بیشترین تاثیر ذرات نانو در خواص انتقالی سیال، به ویژه در خواص انتقال گرما می باشد. استفاده از این مواد در صنعت ماشین آلات و حمل و نقل به صورت مستقیم یا غیر مستیم مقدار انرژی مصرفی را با کوچکتر کردن اندازه ی رادیاتور ماشین ها و وسایل پروازی و دیگر اجزای سیستم خنک کننده ی آنها کاهش میدهد.[10] در همین راستا می توان با استفاده از نانو سیال ها در مبدل های حرارتی، علاوه بر بالا بردن راندمان آنها اندازه و وزن سیستم را کم کرد.در صنایع هوا فضا نیاز به چنین سیستم هایی زیاد احساس میشود.
ماکسول در سال [6] 1881 برای اولین بار بحث افزایش ذرات جامد به سیال را مطرح کرد و رابطهای برای ضریب رسانش حرارتی مخلوط سیال خالص و ذرات جامد ارائه نمود.سالها استفاده ازسوسپانسیون سیال و ذرات جامد بسیار کوچک در ابعاد میکرو مورد توجه محققین بوده است. اما این سیالات با ذرات جامد معلق در حدمیکرومتر مشکلات فراوانی مانند رسوب گذاری، ناخالصی،خوردگی و افزایش افتفشار و...داشتهاند تا اینکه ابتدا ماسودا و همکاران [7] و سپس چویی [8] ایده نانوسیال را برای اولین بار مطرح نمودند و انقلاب بزرگی در زمینه انتقال حرارت در سیالات پدید آوردند. همچنین بهمقدار زیادی خوردگی،ناخالصی و مشکلات افت فشار به دلیل کوچک بودن ذرات کاهش پیداکرد و از طرفی پایداری برخی سیالات در مقابل رسوبگذاری بطور چشمگیری بهبودیافت.نانوتکنولوژی بطور کلی معرف روش جابجایی تکتک اتمها و آرایش آنها به صورت دلخواه میباشد.به همین سبب اندازه و ابعاد کاری این مجموعه بسیار کوچکاندکه البته پیشوند نانو بیانگر حدود این فناوری است.نانوسیال عبارت است از ذرات بسیار ریز جامد در ابعاد بین 1 تا 100 نانومتر معلق در یک سیال پایه. بطور معمول نانوذرات از جنس فلزاتی مانند مس، آلومینیوم، پتاسیم، سیلیسم و اکسیدهای آنها و سیالات پایه نیز عمدتا از سیالات با رسانایی پایین مانند آب، اتیلن گلیکول و سیالاتی از این دسته که در صنعت به عنوان هادی انتقال حرارت مورد استفاده قرار میگیرند، میباشند. در سالهای اخیر اضافه کردن ذرات جامد به سیال به دلیل بهینه شدن خواص حرارتی سیال و در نتیجه افزایش انتقال حرارت مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته است. تحقیقات محققین نشان میدهد که ضریب رسانش حرارتی در نانوسیال حدود 15 تا 40 درصد و راندمان حرارتی حدود 40 درصد نسبت به سیال پایه افزایش می یابد .[9]
در زمینه ی انتقال حرارت نانو سیال ها آزمایشات تجربی فراوانی تا به حال انجام شده است. ماسوداوهمکاران [7] اولین کسانی بودکه به بررسی انتقال حرارت در جریان نانو سیال پرداخت . آنها مخلــوط آب SiO2 را مورد آزمایش قرار داد و 20 درصد افزایش را در انتقال حرارت نانو سیال نسبت به سیال گزارش کرد. ژانولی [10] به بررسی تجربی جریان و انتقال حرارت جابجایی مخلوط آب Cu در یک لوله با یک شار حرارتی ثابت از دیواره پرداختند. نتایج آنها نشان میدهد که با افزودن ذرات نانو به سیال انتقال حرارت افزایش می یابد. همچنین در اینکار ادعا شده است که در نسبتهای حجمی کوچک ذرات نانو اصطکاک در نانو سیال افزایش نمی یابد و در قدرت پمپ کردن نانو سیال تغییری حاصل نمیشود. دینگ و همکاران [11] به بررسی تاثیر نانو سیال CNTبر انتقال حرارت دریک لوله با قطر داخلی mm 4.5 پرداختند. در این تحقیق نیز افزایش انتقال حرارت در نانو سیال گزارش شده است.
بخش بعدی مطالعات مطرح شده در زمینه نانو سیال مختصر و شهای عددی است.
این روش ها از نظر هزینه و زمان محاسبات نسبت به روشهای تجربی بسیار مقرون به صرفه است و جزئیات بیشتری از جریان جابجایی طبیعی درون حفره را آشکار میسازد. اما صحت سنجی آنها حتما باید توسط داده های تجربی تایید گردد. هر چند بطور کل تحقیقات انجام شده روی نانو سیال بسیار محدود میباشد اما درسالهای اخیر رشد قابلت وجهی در تحلیل عددی در این زمینه صورت گرفته است . به دلیل اهمیتی که جریان جابجایی طبیعی درون حفره مربعی درکاربردهای مهندسی دارد ،این بخش از علم مکانیک در بخش نانو سیال نیز بسیار مورد توجه محققین قرار گرفته است. بطوریکه بسیاری از مطالعات عددی انجام شده در نانو سیال تا کنون در زمینه ی جابجایی طبیعی درون حفره ی مربعی میباشد. در ادامه به تعدادی از تحقیقات انجام شده در این زمینه اشاره خواهد شد. خانافر و همکاران [12] اولین کسانی بودند که جریان نانو سیال را به صورت عددی شبیه سازی کردند. آنها جریان جابجایی طبیعی مخلوط آب
Cuرا در یک حفره ی مربعی مورد بررسی قرار دادند. نتایج آنها نشان داده است که انتقال حرارت و سرعت جریان نانو سیال نسبت به سیال خالص به دلیل افزایش ضریب رسانش حرارتی و حرکت رندومی نانوذرات، افزایش می یابد. هو وهمکاران [13] اثر معادلات مختلف ارائه شده برای ضریب رسانش حرارتی و ویسکوزیته ی مؤثر نانو سیال بر روی میزان انتقال حرارت جریان نانو سیال آبAl2O3 را مورد بررسی قرار دادند. آنها نشان دادند که معادلات مختلف خواص نانو سیال بر میزان انتقال حرارت تاثیرگذاراست.کرسیونه [14]رابطه ای تجربی برای ضریب رسانایی حرارتی نانو سیالات، مربوط به ذراتی با قطر 10 تا 150 نانومتر و با غلظت حجمی 0,002 تا 0,09 و همچنین در بازه ی دمایی 294 تا 324 کلوین را ارائه کرد. همچنین او رابطه ی تجربی دیگری را برای ویسکوزیته ی دینامیکی نانو سیالات ارائه کرد که برای دامنه ی تغییرات زیادی از قطر نانو ذره گرفته تا دمای کاری و غلظت های مختلف حجمی کاربرد دارد. ابوناداوهمکاران [15] نیزجریاننانوسیالرادرونیکحفرهیحلقویبررسیکردند. دراینکارنیزافزایشانتقالحرارتدرجریاننانوسیالگزارششدهاست. راجا سخار و همکاران [16]با آزمایشات تجربی اثر افزودن نانو ذرات اکسید آلومینیوم با غلظت های مختلف و تحت شرایط مرزی شار حرارتی ثابت، در یک لوله ی عایق شده که در داخل آن نوار های مارپیچ قرار دارد را بررسی کردند و تغییر ضریب انتقال حرارت و کم شدن فشار پمپ را مشاهده نمودند. خدادادی و حسینی زاده [17] نیز اثرات ذرات نانو را در داخل آب به عنوان یک سیال تغیـــیر فاز دهنده بررسی کردند. آنها نشان دادند که افزایش ذرات نانو باعث افزایــش ذخیره ی انرژی در مـــــواد تغییر فاز دهنده خواهد شد.
از مواد تغییر فاز دهنده در سیستم های خنک کاری و ذخیره ساز انرژی در ماهواره ها و وسایل پروازی نیز استفاده می شود. ساده ترین شکل استفاده از کنترل حرارت به وسیله ی مواد تغییر فاز دهنده، استفاده از PCMها در کنترل حرارت ماهواره های با ماموریت های کوتاه مدت که در بازه های زمانی کوتاه مدت وارد مدار می شوند و خارج می شوند است. هرچند این قطعات تنها یک مرتبه مورد استفاده قرار می گیرند، اما حرارت زیادی تولید می کنند که باید دفع شود تا قطعه داغ نشود و از کار نیافتد. همانطور که در شکل پیداست یک ماده ی تغییر فاز دهنده ی مناسب می تواند از چنین قطعه ای محافظت کند.حرارت تولید شده در طی انتقال حرارت در نقطه ی ذوب PCM توسط گرمای نهان ذوب جذب می شود بدون اینکه دمای قطعه به مقدار زیادی افزوده شود. سیستمی از این نوع کاملا غیر فعال و بسیار قابل اطمینان است.
یکی دیگر از موارد استفاده ی کلی تر از کنترل حرارت به وسیله ی PCM ها برای اجزای الکتریکی، کنترل حرارت قطعاتی است که به صورت دوره ای وارد سیکل می شوند.مانند قطعاتی که در سیکل های روشن – خاموشهستند. در چنین چیدمانی وقتی در زمان روشن بودن، قطعه ای تولید حرارت میکند، حرارت از طریق تغییر فاز در PCM ای که در مجاورت آن قطعه قرار دارد جذب می شود. در زمان خاموش بودن سیستم حرارت از PCM توسط رادیاتور یا لوله ی حرارتی یا تله ی حرارتی یا بوسیله ی مکانیزم های دیگر منتقل می شود. از این طریق سیستم برای مرتبه ی بعدی روشن شدن آماده سازی می شود. این ذوب شدن و انجماد متناوب PCM، برای قطعه این امکان را فراهم می کند که به دفعات به صورت تقریبا تک دما به کار خود ادامه دهد.سه سیستم خنک کاری توسط PCM در Lunar Roving Vehicle (LRV)در طی ماموریت آپولو 15 به کار گرفته شده است. یکی از آنها در مجاورت مرکز پردازش سیگنال (SPU) و باتری ها از طریق تله ی حرارتی قرار داده شده. دیگری در کنار درایو کنترل الکتریکی (Drive Control Electronics) قرار داده شده و سومین سیستم PCM هم به صورت اینترنال در داخل، در معرض Lunar Communications Relay Unit (LCRU) تعبیه شده است. این روش جذب و آزادسازی انرژی و ذوب شدن و منجمد شدن دوره ای از طریق انرژی نهان ذوب و انجماد می تواند به صورت گسترده ای در بسیاری از ماموریت های فضایی برای کنترل حرارت قطعات مختلف ماهواره ها مورد استفاده قرار گیرد. شکل زیر شماتیکی کلی از استفاده از این ایده در کنترل حرارت ماهواره ها را نشان میدهد.[3]
شکل (1) ، شماتیک کلی مکانیزم استفاده از مواد تغییر فاز دهنده در وسایل پروازی[3]
در شرایط مختلف محیطی نیز می توان از خواص PCM ها استفاده کرد. به عنوان مثال در وسایل پروازی که جهت فرود به کرات در مدارهای مختلف دور زمین طراحی شده اند می توان از PCMها جهت ذخیره ی انرژی حرارتی که با تابش نور خورشید در روز تولید می شود برای استفاده در شب استفاده نمود.[3]
تعریف مساله
با توجه به کاربرد زیادی که مبدل های حرارتی در سیستم خنک کننده ی ماهواره ها دارند، بررسی عددی اثر افزایش نانو ذره ی اکسید آلومینیوم به ماده ی تغییر فاز دهنده ای در هندسه ی دو بعدی فضای بین دو استوانه ی هم محور تو در تو، مورد مطالعه قرار گرفت. جداره ی استوانه ی خارجی عایق و بدون انتقال حرارت در نظر گرفته شده و استوانه ی داخلی، شار حرارتی ثابتی (10000W/M2) تولید میکند. قطر لوله ی داخلی 5cm و لوله ی خارجی 12cm میباشد. برای بررسی مناسب تر انتقال حرارت جابجایی طبیعی فرض شده است که تمامی آثار انتقال حرارت در راستای شعاعی متقارن میباشد. ماده ی تغییر
