بخشی از مقاله
اولين همايش ملي نانومواد و نانوتکنولوژي دانشگاه آزاد اسلامي واحد شاهرود
چکيده
سيالات معمولي حاوي ذرات نانومتري، «نانوسيالات » ناميده مي شوند که به دليل برخورداري از قابليت بالاي انتقال حرارتي، اخيرًا مورد توجه زيادي قرار گرفته اند. کسر حجمي بسيار پايين ذرات ، موجب افزايش قابل توجه توانايي هدايت گرمايي و انتقال حرارتي اين سوسپانسيون ها مي شود، بدون اينکه با مشکلات معمول دوغاب ها مانند کلوخه شدن ، سائيدگي، ته نشيني و افزايش افت فشار مواجه گردند. اما آيا اين سيالات را مي توان در دو فاز مورد استفاده قرار داد، يا به عبارت ديگر تغيير فاز در اين قبيل سوسپانسيون ها، به فرايند انتقال حرارت کمک مي کند يا براي آن زيان آور است ؟. مقاله حاضر، با مطالعه تجربي بر روي جوشش استخري نانوسيالات در آب ، به بررسي اين پرسش مي پردازد. نتايج اين مطالعه نشان مي دهند که نانو ذرات ، تأثير فوق العاده و قطعي روي به تعويق افتادن فرايند جوشش و مشخصات جوششي سيال دارند. همچنين افزايش غلظت ذرات ، موجب تغيير در فرايند جوشش مي گردد، به نحويکه دماي سطح جوشش افزايش مي يابد. اين امر نشان مي دهد که نقش هدايت لحظه اي در جوشش استخري، بوسيله عوامل ديگر تحت الشعاع قرار مي گيرد. از آنجايي که ذرات تحت بررسي، يک يا دو مرتبه کوچک تر از زبري سطح هستند، اينطور نتيجه گيري مي شود که ذرات نانو طي مراحل جوشش در سطوح جوشش به دام افتاده و مواضع هسته اي شدن يا جوشش را مي بندند، و اين علت متمايل شدن مشخصات جوشش به سمت منفي مي باشد. اين نتايج به طراحي سيستم هاي سرمايش با استفاده از نانو سيالات کمک زيادي مي کند، به طوريکه درصورت ثابت ماندن دماي اشباع ، يک فوق گرمايش ١ رخ مي دهد. اين امر نشان مي دهد که اين قبيل سيالات طراحي شده را مي توان در کاربردهاي انتقال حرارت و فرايندي موادي که نياز به دماي بالاي سطوح بدون تغيير فاز سيال دارند، استفاده نمود.
واژه هاي کليدي: جوشش ، نانو سيالات ، استخري،
١- مقدمه
امروزه تکنولوژي انتقال حرارت ، بر تقاضاي روز افزون سرمايش تجهيزات فلاکس مافوق حرارتي از يک سو، و شيوه جديد کوچک سازي از سوي ديگر استوار شده است . در تکنولوژي امروز، کاربردهاي مختلف ليزر، مغناطيس هاي فوق هدايتگر، اشعه X پرقدرت ، و بالاتر از همه ، چيپ هاي محاسباتي فوق سريع که ميلياردها عمليات را در يک ثانيه انجام مي دهند، به اموري کاملاً عادي تبديل شده اند.
اين دستگاه ها تنها براي اين نيستند که در کاربردهاي مربوطه و با دقت بالا مورد استفاده قرار گيرند، بلکه بايد حداقل فضا را اشغال نمايند. اين امر چالشي را پيش روي طراحي دستگاه و مديريت گرمايي
آن قرار مي دهد. هرچند سيستم هاي سرمايش مبتني بر هوا، رايج تر و قابل اعتماد تر هستند، اما در مواجهه با فلاکس پرحرارت تر شکست مي خوردند. بنابراين در تقريباً همه کاربردهاي فلاکس هاي حرارتي، سرمايش با مايع ارجحيت دارد. مايعات سرمايش که معمولاً استفاده مي شوند، بسته به نوع کابرد، آب .آب يخ ، سردکن هاي رايج ، و نيتروژن مايع يا کريوژن ٢ هاي مشابه مي باشند. اگرچه آب يک واسط مناسب و ايمن است ، اما انتقال حرارتي نسبتاً ضعيف آن ، اشکال مهمي است . سردکن هاي رايج براي محيط زيست زيان آورند؛ و کريوژن ها نيز گران هستند، نه تنها به اين خاطر که فرايند توليد انرژي آنها دشوار است ، بلکه چون تجهيزات گراني نيز براي استفاده از آنها، توليد شده اند.
تحت اين شرايط است که به لزوم جستجوي جايگزين هايي مانند سيالات حاوي ذرات جامد معلق ، پي مي بريم . هرچند بيش از يک قرن است که افزايش قابليت هدايت گرمايي دوغاب ها، مشخص شده است ، اما بدليل مشکلاتي که داشتند از قبيل ته نشيني، سائيدگي، رسوب و افزايش افت فشار، به عنوان گزينه اي براي انتقال حرارت در گذشته مورد توجه قرار نمي گرفتند. پيشرفت هاي اخير، تکنولوژي مواد را قادر نموده که ذراتي در اندازه نانومتر توليد کند، که در صورت معلق شدن در مايع معمولي مي تواند بر اغلب مشکلات دوغاب هاي رايج ، غلبه نمايد. چوي٣، اولين کسي بود که اين سوسپانسيون ها را «نانو سيال » ناميد که در حال حاضر به طور گسترده اي پذيرفته شده است . در صورت افزوده شدن مقدار بسيار کمي عامل پايداري از قبيل نمک لائورات ٤، پايداري اين سيالات در مقابل ته نشيني به طور قابل ملاحظه اي افزايش مي يابد. مشکلات سائيدگي و افت فشار نيز بدليل کوچکي ذرات و کسر حجمي پايين (معمولاً کمتر از ٥%)، که براي بهبود خاصيت گرمايي سيال اصلي ضروري هستند، شديدًا کاهش مي يابند. در دماي اتاق ، هدايت گرمايي آب و اتيلن گليکول مبتني بر نانوسيالات همراه با Al2O3 يا نانوذرات CUO، افزايش قابل توجهي به ميزان ٧- ٣٠ درصد همراه با تنها ١-٥ درصد کسر حجمي ذرات ، گزارش شده است . بهبود قابليت هدايت گرمايي نانوسيالات با دما، به نحو چشمگيري افزايش يافته و آن را براي سرمايش در دماهاي بالا و فلاکس حرارتي، مطلوب تر مي نمايد. افزايش قابليت هدايت گرمايي در نانوسيالات همراه با ذرات فلزي خالص ، معادل نانوسيالات همراه با ذرات بزرگتر (١٠٠ نانومتر) مي باشد. در صورت افزايش قابل توجه تعويق هدايت گرمايي به ميزان ٤٠% و فقط با ٠.٣ کسر حجمي نانوذرات مس که ميانگين اندازه آنها کمتر از ١٠ نانومتر است ، افزايش خاصيت گرمايي پرش کوانتومي ٦، به دست مي آيد. اين مسائل نشان مي دهند که نظريه هاي معمول سوسپانسيون ها و دوغاب ها، از قبيل مدل کلاسيک مکسول ٧ يا هميلتون -کروزر٨ يا مدل واسپ ٩، با نانوسيالات به سختي شکست مي خورند، و هنوز جاي يک نظريه روشن خالي است .
به هر حال در طراحي انتقال حرارت ، افزايش قابليت هدايت گرمايي، تنها شرط لازم براي استفاده از اين سيالات در سرمايش است اما شرط کافي نيست . ارزش حقيقي اين سيالات فقط از نظر هدايتي، مورد آزمايش قرار گرفته است و مشخص شده که کارايي دوغاب ها تحت شرايط هدايتي، اميدوارکننده است . اگرچه هيچ مطالعه سيستماتيکي در اين باره انجام نشده ، اما در نانوسيالات با غلظت ذرات ٢% تحت شرايط هدايتي، افزايش ٤٠ درصدي قابليت انتقال گرمايي نشان داده شده است .
مشاهدات نظري و مدل پراکندگي ژوان ١٠ و روتزل ، در مدلسازي نظري نانوسيالات تحت شرايط هدايتي اعتبارسنجي تجربي، راه درازي را پيموده اند، و توسط نويسندگان مقاله حاضر نيز پيگيري شده اند.
در هنگام استفاده از نانوسيالات براي سرمايش هدايتي، يک نفر بايد مراقب مشخصات جوشش آنها باشد، زيرا حتي اگر نانوسيالات براي استفاده در دو فاز (يا بيشتر از سه ) مورد نظر باشند، در جريان انتقال حرارت جابجايي با فلاکس پرحرارت ، ممکن است حد جوشش به طور موضعي محقق گردد.
صحت رفتار نانوسيال تحت اين شرايط ، بايد مشخص شود تا از عوارض ناخواسته اي از قبيل لکه داغ موضعي ١١ که موجب کاهش قابل توجه اعتبار اجزا مي گردد، جلوگيري گردد. هدف نوشته حاضر، مطالعه تجربي مشخصات جوشش استخري نانوسيال آب - حت شرايط اتمسفري، مقايسه پارامترهاي جوشش استخري با پارامترهاي آب خالص ، و بنابراين بررسي کاربردها و محدوديت هاي نانوسيالات تحت شرايط تغيير فاز مي باشد.
٢- تهيه و توصيف نانوسيال
بسته به نوع سيال و ترکيب ذرات ، تعدادي از نانوسيالات را مي توان تهيه نمود. در اين پژوهش ، از نانوسيال با ذرات Al2O3 با پايه آب ، استفاده شده است ، به اين دليل که مشخصات پايه آب سيال ، شناخته شده تر هستند و قابليت هدايت گرمايي نانوسيال هاي آب - Al2O3 در غلظت هاي متفاوت ذرات ، و تأثير دما روي آن پيش از اين مورد مطالعه قرار گرفته اند. اگرچه نانوسيالات CuO-آب ، خصوصيات گرمايي بهتري دارند، اما چون نانوذرات CuO در حرارت بيش از c ١٠٠ همراه با هواي مرطوب ، خاصيت انفجاري دارند و رسوب زيادي نيز توليد مي کنند، مورد استفاده قرار نگرفتند. ذرات توسط شرکت تکنولوژي هاي نانوفاز١٢، و به روش رسوب فيزيکي بخار١٣ توليد شدند. آنها در حالت پودري، تشکيل آگلومرات هاي ميکرومتري شل دادند، که در شکل ١ توسط عکس ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) نشان داده شده است . آگلومرات ها وقتي در آب پراکنده مي شوند، تا حد زيادي شکسته و توليد آگلومرات ها و ذرات کوچکتر مي کنند. با استفاده از لرزاننده مافوق صوت در ٤ ساعت پس از توليد سوسپانسيون با غلظت مطلوب ، پراکنده سازي انجام مي گردد. شکل ٢، تصوير
TEM توزيع ذرات پراکنده شده ، که از خشک شدن سوسپانسيون رقيق روي ويفرهاي سيليکوني به دست آمده ، را نشان مي دهد.
ميانگين وزني حجم اندازه ذرات ، ٣٨ نانومتر است . در شکل ٣، توزيع وسيع ذرات مشاهده مي شود.
سوسپانسيون حاصله ، در غلظت حجمي پايين تر (١% و٢%)، کاملاً پايدار است و در غلظت بالاتر (٣%
و٤%)، پس از زمان طولاني (٦ ساعت )، ته نشيني بسيار کمي رخ مي دهد، که البته اين زمان معادل مدت آزمايش مي باشد. هيچ تلاشي براي پايدارسازي محلول صورت نگرفت ، زيرا عوامل پايدار کننده مثل نمک هاي لائورات ، فعاليت سطحي دارند و از طريق کاهش کشش سطحي، تأثيرات قابل توجهي روي فرايند جوشش مي گذارند، که موجب از بين رفتن تمرکز اين مطالعه مي شد. البته به دليل توربولانس مخلوط سيال در اثر حرکات حبابي، حتي در غلظت حجمي ٤% ذرات نيز هيچ ته نشيني در جوشش استخري رخ نداد.
براي توصيف نانوسيال تهيه شده ، ابتدا مطالعه رئولوژيکي انجام گرديد. همينطور که در شکل ٤ نشان داده شده ، اندازه گيري با رئومتر چرخشي نوع ديسکي، مشخص کرده که مشخصات تغيير شکل - شدت برشي، تقريباً خطي بوده و شبيه به آب تحت اندازه گيري همان دستگاه مي باشد. اين امر، بيانگر خاصيت نيوتني سيال در غلظت (حجم ) ذرات بين ١% و٤% مي باشد. شکل ٥، نشان دهنده مقادير دانسيته سيالات است و مشخص مي کند دانسيته در مقابل شدت برشي، ثابت است ولي در مقايسه با دانسيته آب کمي بزرگتر مي باشد. بنابراين مي توان گفت در اين ذرات نانوسيال ، دانسيته با افزودن غلظت ذرات ، افزايش مي يابد اما ماهيت نيوتني حفظ مي گردد. در شکل ٦، افزايش هدايت گرمايي با افزايش غلظت ذرات و دما، که به روش نوسان اندازه گيري گرديده ، نشان داده شده است . از آنجاکاه کشش سطحي، پارامتر مهمي در جوشش استخري است ، با استفاده از شيوه حلقوي مرسوم در سيال مورد نظر اندازه گيري گرديد. شکل ٧ نشان مي دهد که اختلاف کشش سطحي با افزايش غلظت ذرات ، بسيار کم مي شود، تا هيچ اثر سطحي روي فرايند جوشش نداشته باشد.
٣- آزمايش جوشش استخري
٣-١- تدارکات ازمايش
تدارکات آزمايش ، بر اساس در نظر گرفتن تأثيرات و پارامترهايي که بايد مورد توجه قرار مي گرفتند، طراحي شدند، و هيچ تلاشي براي ساخت دستگاه جوشش استاندارد صورت نگرفت ، و آزمايشات نانوسيالات مختلف و آب ، تحت شرايط کاملاً مشابه انجام گرديد. محيط آزمايش در شکل ٨ نشان داده شده ، که شامل مخزن استنلس استيل مستطيل شکل mm ١٢٠ ١٠٠ ٢٠٠ (١) با عايق بندي ضخيم در خارج آن (٢) مي باشد. مخزن داراي دو سردکننده است که با هم کار مي کنند. سردکننده اول (٣) يک کندانسور مسي شمارشگر است که از طرفي در تماس مستقيم با اتمسفر بوده و فشار اتمسفري را حفظ مي کند، و از طرف ديگر راه خروج بخار پس از سرمايش ، و مجراي خروجي گازهاي غليظ نشدني مي باشد. آب سرمايش حاصل از اين کندانسور عمودي، بوسيله يک کوئل مسي بيضي شکل
(٤) به گردش در مي آيد که وظيفه غليظ سازي بالک بخار توليد شده را به عهده دارد. اين کوئل از سقف مخزن آويزان است و براي سرمايش بخار ورودي، با حداکثر شدت تبخير طراحي شده است .
ضمناً در فاصله مناسبي از سطح بالايي مايع جوشش ، حفظ مي گردد تا از سرمايش مستقيم و جوشش تحت سرمايش جلوگيري شود. يک اندازه گير درجه فشار (٥) نيز در بالاي مخزن تعبيه شده که فشار مخزن را در زمان جوشش چک مي کند.
در سطح جوشش ، از يک هيتر فشنگي استوانه اي (٦) به قطر ٢٠ mm و ميزان حداکثرV ٤٢٠ ، kW
٢.٥ استفاده شده است . ولتاژ در مقادير مناسب تنظيم مي گردد تا فلاکس ها به حرارت تعيين شده برسند. اين کار از ديواره جانبي انجام مي گيرد. نظارت بر مشخصات جوشش در حين آزمايشات آب ، از طريق پنجره ها (٧) با شيشه دوجداره (ضخامت داخلي mm٨ و ضخامت خارجي mm ٦) که روي هر دو ديواره تعبيه شده اند، صورت مي گيرد. يک ترموکوپل کرومل -آلومل (از نوع K) (٨) با غلاف ضخيم mm ٠.٥ ، براي کنترل دماي مايع در حين جوشش ، نصب شده است . براي اندازه گيري دما، ترموکوپل هاي فشنگي حرارتي K ١٠، با ضخامت mm ٠.١ ، در موقعيت هاي شعاعي و محوري نصب مي شوند (شکل ٩). موقعيت هاي شعاعي، a،b ،c ،d و موقعيت هاي محوري ٠، ١، ٢، ٣ و ٤ هستند.
ترموکوپل ها، در موقعيت هاي d٠، a١، b١، a٢، b٢، c٢، d٢، c٣، d٣ و a٤ قرار دارند و ليدهاي ترموکوپل ها از سر هيتر خارج مي شوند (شکل ٩). منبع توان هيتر توسط يک ترانسفورماتور تأمين شده و با يک وات متر، ثبت مي گردد. ترموکوپل ها، اندازه گير فشار، و وات متر، به يک داده نگار متصل مي گردد که به يک PC ثبت اطلاعات وصل است .
