بخشی از مقاله
بررسي انتقال حرارت جابجايي در ميکروکانال ها با استفاده از نانو سيال
چکيده : افزايش شگرف انتقال حرارت در ميکروکانال ها باعث شده که از آنها به عنوان وسايل دفع گرما در تجهيزات ميکرو الکترونيک استفاده شود. انتقال حرارت زياد، اندازه کوچک ، نياز به مقدار کم سيال خنک کننده از ويژگي ميکروکانال ها ست . انتقال حرارت در ميکروکانال ها ممکن است بدليل محدوديت در هدايت گرمايي آنها محدود شود. از اينرو جهت بهبود انتفال حرارت ، افزودن نانو ذره به يک سيال پايه مفيد مي باشد. اين پژوهش مروري است بر تحقيقات انجام شده در زمينه انتقال حرارت جابجايي در ميکروکانال ها با استفاده از نانو سيال . همچنين اثر پارامتر هاي مختلف از جمله نوع نانو ذره ، اثر رينولدز و غلظت نانو سيال بر ضريب انتقال حرارت ، عدد ناسلت و دماي ديواره که نتايج آن وسط محققان بدست آمده مورد مطالعه قرار مي گيرد.
کلمات کليدي: ميکروکانال ، نانو سيال ، انتقال حرارت
١- مقدمه
جريان سيال داخل کانال ها در بسياري از سيستم هاي طبيعي و ساخته بشر وجود دارد. انتقال حرارت و جرم در ديواره کانال هاي سيستم هاي بيولوژيکي مانند مغز، ريه، کليه، روده ، عروق خوني و همچنين دربسياري از سيستم هاي ساخت بشر مانند مبدل ها، راکتورهاي اتمي، واحدهاي نمک زدايي و واحدهاي جداسازي هوا صورت مي گيرد. ميکرو کانال ها در دستگاه هاي مختلفي که داراي جريان مايع تک فاز هستند استفاده مي شوند. توسعه دستگاه هاي ميکروالکترومکانيکي نيازمند سيستم هاي دفع حرارتي است که به همان اندازه کوچک باشد. خنک سازي آينه هاي بکار رفته در سيستم هاي ليزري با توان بالا، نيازمند سيستم هاي خنک کاري است که سطوح خيلي کوچک را هم پوشش دهد. پيشرفت در مهندسي ژنتيک و زيست پزشکي نيازمند کنترل دقيق انتقال حرارت و سيال در کانال هايي با ابعاد ميکرومتر مي باشد. درک مناسبي از جريان سيال و انتقال حرارت در اين سيستم هاي داراي مقياس ميکرو، براي طراحي و بهره برداري از آنها لازم است .
استفاده از کانال هايي با ابعاد کوچکتر اگر چه افت فشار بيشتري به همراه دارد ولي باعث افزايش انتقال حرارت مي شود. انتقال و حمل سلول هاي زنده و درشت مولکول هاي بيولوژيکي، نياز به شرايط مناسب ، جهت نگهداري آنها را افزايش مي دهد. مثلا سلول هاي انساني به محيطي با دماي C°٣٧ و٧.۴ = pH جهت ادامه حيات نياز دارند. اگر اين شرايط بيشتر از ده درصد منحرف شود، منجر به مرگ سلول ها مي شود[١]. در دو دهه اخير مطالعات گسترده اي بر روي ميکروکانال ها به علت توانايي آن در دفع مقدار زياد گرما از سطوح کوچک صورت گرفته است . يک ميکروکانال شامل تعداد زيادي کانال موازي در ابعاد ميکرو با قطر هيدروليکي بين ١٠ تا ١٠٠٠ ميکرومتر مي باشد. سيال خنک کننده با عبور از اين کانال ها، گرما را از سطح داغ جابجا مي کند (شکل ١).
مطالعات آزمايشگاهي نشان داده است که ميکروکانال چندين خصوصيت ممتاز در مقايسه با دستگاه هاي معمولي دفع گرما دارد، از جمله توانايي براي ايجاد ضريب انتقال حرارت خيلي
شکل ١- طرح کلي اززياد، اندازه بسيار کوچک و نياز به مقدار کم سيال خنک کننده [٢].
زیاد ، اندازه بسیار کوچک و نیاز به مقدار کم سیال خنک کننده [2].
ميکروکانال را براي دفع شار حرارتي بالا پيشنهاد دادند. اين ميکروکانال شامل يک زير لايه به همراه تعداد زيادي کانال کوچک و موازي بود که گرما از زيرلايه به سيال خنک کننده منتقل مي شد.
تحقيق آنها در شرايط آرام با آب و در ميکروکانال هايي که از جنس سيليکون ساخته شده بود انجام گرفت و شار حرارتي به بزرگي ٧٩٠w.cm٢ به وسيله تراشه اي که دمايش زير C ١١٠ نگه داشته شده بود بدست آمد [٣]. نانوسيال به يک سيال پايه که در آن ذراتي با اندازه نانو (معمولا زير ١٠٠nm) اضافه شده است گفته مي شود. در دهه اخير تحقيقات گسترده اي در مورد اين سيال جديد صورت گرفته و بيشتر مقالات چاپ شده
Tuckermanو Pease نخستين بار استفاده از براضافه کردن مقدار کم نانو ذره به يک سيال پايه (آب ، روغن ، اتيلن گلايکول و ...) جهت افزايش هدايت گرمايي خواص انتقال حرارت اين سيالات تأکيد دارد [۴]. ذرات جامد معمولا هدايت گرمايي خيلي بيشتري نسبت به مايعات معمولي دارند.
آميختن ذرات جامد در يک مايع ، پتانسيل خنک کاري مايع را بدليل افزايش هدايت گرمايي آن افزايش مي دهد. در گذشته اين هدف با استفاده از ذرات نسبتا بزرگ ، در حد ميلي يا ميکرو حاصل مي شد در حاليکه اين سيالات جهت خنک کاري مفيد بودند ولي باعث صدمه به پمپ ها و ولوهاي مکانيکي و مسدود شدن جريان کانال ها بدليل رسوب ذرات مي شد.
پيشرفت هاي اخير در زمينه نانوتکنولوژي و روش هاي ساخت آن امکان توليد ذراتي ريزتر دراندازه نانو را فراهم کرده که هم در خنک کاري مفيد بوده و هم تا حد زيادي صدمه به دستگاه هاي مکانيکي را کاهش داده اند [۵]. Anoop و همکاران [۶] انتقال حرارت جابجايي را در ناحيه آرام و در حال توسعه با استفاده از نانوسيال آلومينا- آب و با دو اندازه مختلف نانوسيال بطور آزمايشگاهي بررسي کردند.
آنها نشان دادند که نانوسيالي که داراي ذرات کوچکتري است ، ضريب انتقال حرارت بيشتري دارد. Lai و همکاران [٧] ضريب انتقال حرارت جابجايي مربوط به نانوسيال آلومينا- آب را هم در ناحيه درحال توسعه و هم در ناحيه توسعه يافته بدست آوردند. نتيجه پژوهش آنها مشخص مي کند که، با افزايش دبي و افزايش غلظت نانوسيال ، ضريب انتقال حرارت افزايش مي يابد.
انتقال حرارت در ناحيه درحال توسعه داراي بيشترين مقدار و درطول کانال کاهش مي يافت . Lee و choi [٨] دريافتند که استفاده از نانوسيال نرخ انتقال حرارت را بطور چشمگيري در مقايسه با آب و نيتروژن مايع افزايش مي دهد. Jung و همکاران [٩] افت فشار و انتقال حرارت جابجايي مربوط به نانوسيال را در يک ميکروکانال تحت شرايط جريان آرام بررسي کردند. عدد ناسلت محاسبه شده توسط آنها از عدد ناسلت براي جريان آرام کاملا توسعه يافته يعني مقدار ۴.٣۶ کمتر بود. Xuan و Li [١٠] ضريب انتقال حرارت جابجايي و ضريب اصطکاک نانوسيال مس - آب رادر جريان در هم در يک تيوب برنجي اندازه گرفتند، و نتيجه کار آنها مشخص کرد که نانوسيال بدون افزايش قابل توجه ضريب اصطکاک، باعث ازدياد ضريب انتقال حرارت مي شود. Pak و cho [١١] ضريب انتقال حرارت جابجايي نانوذره Al2o3 و Tio2 درآب را بصورت تجربي بدست آوردند . نتايج آنها نشان داد که با افزايش کسر حجمي نانوسيال و افزايش رينولدز ضريب انتقال حرارت افزايش مي يابد. در اين تحقيق قصد بر اين است تا به بررسي پژوهش هاي صورت گرفته در رابطه با اثر پارامترهاي مختلف مانند نوع نانوسيال ، غلظت نانوسيال و اثر رينولدز بر انتقال حرارت جابجايي در ميکروکانال ها پرداخته شود.
٢- اثر استفاده از نانو سيال هاي مختلف بر انتقال حرارت
شکل ٢ اثر استفاده از چهار نانوسيال اکسيد آلومينيوم ، دي اکسيد تيتانيوم ، نقره ودي اکسيد سيليسيم با غلظت هاي يکسان را بر ضريب انتقال حرارت در ميکروکانالي با عرض mμ ٣٠٠ و تعداد ٢۵ کانال و محدوده رينولدز ١٠٠ تا ٨٠٠ نشان مي دهد. همانطور که مشاهده مي شود ضريب انتقال حرارت براي تمام نانو سيال ها در طول کانال کاهش مي يابد. بيشترين ضريب انتقال حرارت مربوط به اکسيد آلومينيم وپس از آن بترتيب دي اکسيد تيتانيوم ، دي اکسيد سيليسيم ، آب و نقره مي باشد .
شکل ٢- تغييرات ضريب انتقال حرارت جابجايي براي نانو سيال در طول کانال
٣- اثر رينولدز و غلظت هاي مختلف نانو سيال
٣-١- ضريب انتقال حرارت و ناسلت
همانطور که قبلا اشاره شد، افزايش غلظت نانو سيال وافزايش رينولدز سبب افزايش ضريب انتقال حرارت جابجايي مي شود. شکل ٣ ضريب انتقال حرارت محلي را براي آب خالص و نانو سيال آلومينا – آب با کسر حجمي هاي ٠.۶، ١.٢ و ١.٨ بر حسب درصد و آب خالص در ميکروکانالي با ابعاد کانال ۵٠μm٢ ×۵٠ در رينولدزهاي ١۴و٨٠ نشان مي دهد. همانطور که مشاهده مي شود بيشترين ضريب انتقال حرارت مربوط به نانو سيال با کسرحجمي ١.٨ درصد و رينولدز ٨٠ مي باشد که ضريب انتقال حرارت آن ٣٢% نسبت به آب خالص بيشتر مي باشد [٩].
شکل ٣- ضريب انتقال حرارت محلي براي نانوسيال آلومينا- آب با کسر حجمي ها ي مختلف و آب در ميکروکانالي با ابعاد
کانال μm ×۵٠ [٩].
شکل ۴ عدد ناسلت متوسط را براي نانوسيال آلومينا - آب با قطر متوسط نانوذره nm ۴٠ و کسر حجمي و رينولدزهاي مختلف در ميکروکانالي با ابعاد mm ٩۴.٣، mm ٢٨.١ و μm بترتيب طول ، عرض و ارتفاع نشان مي دهد که نتيجه کار Kalteh و همکاران [١٣] است . Ho و همکاران [١۴] در آزمايشي ديگر ناسلت متوسط را براي نانوسيال آلومينا – آب با کسر حجمي ١ و ٢ درصد در ميکروکانالي با طول mm ۵٠، عرض کانال μm ٢٨٣ بدست آوردند.
نانو ذره استفاده شده داراي اندازه متوسط nm ٣٣ و محدوده رينولدز ٢٢۶ تا ١۶٧۶ مي باشد (شکل ۵). در هر دو تحقيق همانطور که مشهود است با افزايش غلظت نانوسيال و افزايش رينولدز، عدد ناسلت متوسط نيز افزايش پيدا مي کند.
