بخشی از مقاله
بررسي تاثير عوامل مختلف براي بهبود انتقال حرارت در نانو سيالات
چکيده :
نانوسيالات ، سوسپانسيون هاي نانوذرات در مايعات هستند که موجب بهبود قابل توجهي از خواص در غلظت متوسط نانوذرات مي شوند. تعداد زيادي از مقالات در مورد نانوسيالات در مورد درک رفتار آنهاست بطوريکه آنها موجب بهبود انتقال حرارت در بسياري از کاربردهاي صنعتي ، راکتورهاي هسته اي ، حمل ونقل ، الکترونيک و نيز دارو و غذا مي شوند. اين مقاله روي توضيح مکانيسم هاي اساسي بهبود در انتقال حرارت توسط افزودن نانوذرات تمرکز ميکند. نانوذرات خواص فيزيکي حرارتي بهبود يافته اي مثل رسانايي گرمايي ، نفوذ حرارتي ، ويسکوزيته و ضريب انتقال حرارت جابجايي را نسبت به مايعات پايه مثل روغن يا آب دارند. از اين مقاله ميتوان برداشت کرد که نانوذرات به وضوح هدايت حرارتي را به ميزان قابل توجهي افزايش مي دهند.
بررسي مطالعات تجربي به وضوح کمبود ثبات در نتايج گزارش شده ي گروههاي پژوهشي مختلف را با توجه به خواص حرارتي نشان مي دهد. تاثيرات چندين فاکتور مهم مثل اندازه و شکل ذرات ، خوشه بندي ذرات ، دماي مايع و خواص سطحي در هدايت حرارتي نانوسيالات به ط ور کافي مطالعه نشده است . مدل هاي کلاسيک را براي توضيح هدايت حرارتي بهبود يافته ي نانوسيالات کافي نيستند همچنين کار اساسي در مورد اندازه گيري نفوذ حرارتي موثر نانوسيالات و ضريب انتقال حرارت جابجايي نانوسيالات انجام نشده است .
کلمات کليدي : نانو سيالات ، مکانيسم هاي انتقال حرارت ، اسيديته ، شکل ظ اهري ذرات
مقدمه :
نانوسيالات ، مواد کامپوزيت جامد- مايع هستند که شامل نانوذرات يا نانوالياف جامد با اندازه به ط ور معمول ١-١٠٠ نانومتر معلق در مايع هستند. حتي گزارش شده مقدار کمي از نانوذرات مس يا نانولوله هاي کربني (کمتر از ١% کسر حجمي ) در اتيلن گليکول يا روغن ، هدايت حرارتي ذاتاً ضعيف مايع را تا ۴٠% و ١۵٠% به ترتيب افزايش ميدهند. تعليق ذرات در مايع نياز به غلظت هاي بالاي (١٠%) ذرات دارد تا به چنين بهبودي برسد. با اين حال ، مسائل رئولوژي و ثبات در غلظت هاي بالا اين افزايش غلظت را محدود مي کند. در شکل (١) نمونه هايي از نانو سيالات که توسط ميکروسکوپ الکتروني گرفته شده است را نشان مي دهد.
بهينه سازي خواص حرارتي نانوسيالات نياز به روش هاي سنتز موفق براي ايجاد سوسپانسيون هاي پايدار نانوذرات در مايعات دارد. با توجه به الزامات يک برنامه ي کاربردي خاص ، تعداد زيادي ترکيبات مواد و مايعات ذره اي از منافع بالقوه هستند. براي مثال ، نانوذرات اکسيدها، نيتريدها، فلزات ، کاربيدهاي فلزي و غير فلزي با يا بدون مولکول هاي سورفکتانت ميتوانند درون مايعاتي مثل آب ، اتيلن گليکول يا روغن پراکنده شوند.
مطالعات تا به امروز از يک يا چندين روش ممکن براي توليد نانوذرات استفاده کرده اند. در اينجا ما به ط ور مختصر تکنيک هايي
را که تاکنون استفاده شده ، ذکر ميکنيم .
مطالعات متعددي از جمله اولين تحقيقات از نانوسيالات در فرآيندهاي ٢ مرحله اي استفاده شده که در آنها نانوذرات يا نانولوله ها به عنوان يک پودر خشک که اغلب با گازي بي اثر ميعان شده اند، رسوب بخارات شيميايي نيز براي توليد مواد براي استفاده در نانوسيالات مخصوصاً در نانولوله هاي کربني چند جداره استفاده شده است . سپس نانوذرات يا نانولوله ها در مرحله ي دوم پردازش درون يک مايع پراکنده ميشوند. تکنيک هاي ساده مثل روشهاي مافوق صوت يا افزودن سورفکتانت ها به مايعات ، گاهي براي به حداقل رساندن تجمع ذرات و بهبود رفتار پراکندگي استفاده ميشود. روش هاي پردازش تک مرحله اي نانوسيال نيز توسعه يافته است . براي مثال ، نانوسيالات حاوي نانوذرات فلزي پراکنده با يک تکنيک تبخير مستقيم توليد شده اند. همانند روش چگالش با گازبي اثر، اين روش شامل تبخير يک ماده تحت شرايط خلأ است . مزيت اين روش آن است که تراکم نانوذرات به حداقل رسيده است .[١]
شکل (١) از سمت چپ نانو سيال مس و نانو ذرات اکسيد مس و سپس ذرات کلوئيدي AuPdکه توسط ميکروسکوپ الکتروني گرفته شده است .
هدايت حرارتي نانوسيالات
نانوسيالات ، مواد کامپوزيت هستند و بنابراين هرگونه بحث از رسانايي حرارتي نانوسيالات ميبايست با نظريه هاي موثر رسانايي آغاز شود. نظريه هاي کارآمد رسانايي توسط کلازيوس ، ماکسول و لورنز در اواخر قرن نوزدهم معرفي شدند، به صورت پايداري با کار براگمن ايجاد شدند و به ط ور کامل بررسي شدند و از آن زمان به بعد در بسياري زمينه هاي علمي و مهندسي به کار گرفته شد. ما بحث مان را با ساده ترين حالت از ذرات کروي که تاثيرات سطحي آنها قابل اغماض است ، آغاز ميکنيم .
به عبارت ديگر ما در اين مرحله هدايت حرارتي محدود رابطه مايع . ذره را در نظر نميگيريم . در صورتي که F رسانايي حرارتي باشد پيش بيني ميشود که بهبود رسانايي حرارتي نانوسيالات ، F خواهد بود.
بسياري از نتايج بدست آمده براي غلظت هاي بالاي نانوذرات نيز بر اساس نظريه ي رسانايي کارآمد ميتواند درک شود اگر ما امکان خوشه بندي نانوذرات را در تجمعات کوچک فراهم آوريم . از آنجا که تجمع نانوذرات نسبت به نانوذرات فردي حجم بيشتري اشغال ميکنند، کسر حجمي تجمعات بزرگتر از حجم کسري نانوذرات است .
يک بسته بندي نزديک تصادفي از نانوذرات کروي ، يک چگالي نسبي تقريبي ۶٠ درصدي دارد. بنابراين ، اگر نانوذرات تجمع يابند، رسانايي حرارتي ، تقريباً ٠٦.F٣ يا F افزايش مي يابد. حتي براي خوشه هاي بسته بندي شده به ط ور آزادانه تر، افزايش بيشتري در رسانايي حرارتي تقريباً F اغلب مشاهده ميشود. البته هدايت حرارتي تجمع کوچکتر از هدايت حرارتي نانوذرات است .
اثر برخي از پارامترها روي رسانايي حرارتي نانوسيالات
مطالعات تجربي نشان ميدهد که هدايت حرارتي نانوسيالات وابسته به عوامل بسياري مثل کسر حجمي ذرات ، مواد ذره اي ، اندازه ذرات ، شکل ذرات ، سيال پايه و دما است . همچنين نشان داده شده که مقدار و نوع مواد افزودني و اسيدي نانوسيالات در بهبود رسانايي حرارتي موثر است .
١- کسر حجمي ذرات
کسر حجمي ذرات پارامتري است که تقريباً در همه ي مطالعات تجربي بررسي شده است و نتايج بدست آمده معمولاً در توافق کيفي هستند. اکثر محققان ، افزايش رسانايي حرارتي را با افزايش کسر حجمي ذره گزارش مي کنند و نسبت پيدا شده معمولاً خطي است .
با اين حال ، برخي از مطالعات ، رفتار غير خطي را مشخص ميکنند. مطابق با نظر برخي نويسندگان ، نسبت غير خطي ، يک نشانه از فعل و انفعالات بين ذرات است . اين نشان مي دهد که با وجود اين واقعيت که کسر حجمي ذره خيلي کوچک است ، نانولوله ها با توجه به غلظت بسيار بالاي ذرات (١٠١١ ذره در cm) در تعامل با يکديگر هستند. [٢]
٢- نانو ذرات
اکثر مطالعات نشان ميدهد که نانوذرات ، يک پارامتر مهم هستند که روي رسانايي حرارتي نانوسيالات تاثير ميگذارند. در نگاه اول ، ممکن است تصور گردد که تفاوت در رسانايي حرارتي مواد، دليل اصلي اين تاثير است . با اين حال ، مطالعات نشان ميدهد که نوع ذره ممکن است روي رسانايي حرارتي نانوسيالات ازراه هاي ديگر تاثير بگذارد. به عنوان مثال در [٣] هدايت حرارتي نانوسيالات را با نانوذرات Alo٢٣ و Cuo در نظر گرفتند و آنها فهميدند که نانوسيالات با نانوذرات Cuo، در مقايسه با نانوسيالات آماده شده با نانوذرات Alo٢٣، بهبود بهتري را نشان ميدهند. بايد توجه داشت که Alo٢٣ به عنوان يک ماده ، رسانايي حرارتي بالاتري نسبت به Cuo دارد. بنابراين ، رسانايي حرارتي مواد ذره اي ممکن است پارامتر برجسته اي نباشد که رسانايي حرارتي نانوسيالات را تعيين کند.
هنگاميکه نانولوله هاي کربني براي آماده سازي نانوسيالات استفاده ميشوند، تاثير مواد ذره اي نشان داده ميشود. برخي محققان اشاره کرده اند که چنين بهبود غير عادي شايد به دليل تشکيل نانولايه هاي مايع اط راف نانولوله ها باشد. از ط رف ديگر، اين حقيقت که گرما به ط ور پرتابه اي درون نانولوله ها منتقل ميشود، هدايت گرما را در لوله ها بهبود ميبخشد اما تاثير اين عامل با توجه به نظر محققان ، غالب نيست .
٣- اندازه ذرات
اندازه ي ذرات ، پارامتر مهم ديگري از رسانايي حرارتي نانوسيالات است . ممکن است اندازه ي ذرات براي توليد نانوذرات از
اندازه هاي مختلف ، به ط ور کلي بين ۵ تا ١٠٠ نانومتر باشد.
در تحقيقي مشخص شد که اندازه ي نانوذرات ، يک عامل مهم است که روي بهبود رسانايي حرارتي تاثير ميگذارد که برخلاف
پيش بيني هاي مدل هاي متعارف مثل مدل هميلتون و کراسر بود که اندازه ي ذرات روي هدايت حرارتي موثر نيست .[٤]
روند کلي در داده هاي تجربي ، آن است که رسانايي حرارتي نانوسيالات با کاهش اندازه ي ذرات ، افزايش يابد. اين روند از لحاظ نظري با دو مکانيسم افزايش رسانايي حرارتي پشتيباني ميشود که عبارتند از: حرکت براوني نانوذرات و لايه بندي مايع اط راف نانوذرات . با اين حال ، مقدار قابل توجهي از اط لاعات متناقض در آثاري که کاهش رسانايي حرارتي را با کاهش اندازه ي ذرات نشان ميدهد، وجود دارد.
۴- شکل ذرات
عمدتاً دو شکل ذره اي در تحقيقات نانوسيالات استفاده ميشود که عبارتند از: ذرات کروي و ذرات استوانه اي ، معمولاً ذرات استوانه اي داراي نسبت ط ول به قطر بزرگ هستند. دو نوع نانوذرات توسط زي و همکاران براي تهيه نانوسيالات استفاده شدند که عبارتند از: ذرات کروي با قطر متوسط ٢۶ نانومتر و ذرات استوانه اي با قطر متوسط ۶٠٠ نانومتر. فهميده شد که ۴.٢% حجم نانوسيال مبتني بر آب با نانوذرات کروي ، بهبود رسانايي حرارتي ١۵.٨ درصدي دارد در حاليکه ۴% حجم نانوسيال با ذرات استوانه اي ، بهبود رسانايي حرارتي ٢٢.٩ درصدي دارد.
علاوه بر اين نتايج تجربي ، اين حقيقت که نانوسيالات با نانولوله هاي کربني (که شکل استوانه اي دارند) به ط ور کلي بهبود رسانايي حرارتي بزرگتري از نانوسيالات با ذره هاي کروي دارند، ميبايست در نظر گرفته شود. به عنوان يک نتيجه ، ميتوان نتيجه گيري کرد نانوذرات استوانه اي ، بهبود بيشتري از رسانايي حرارتي را نسبت به ذرات کروي فراهم ميکنند. يکي از دلايل احتمالي اين است که انتقال حرارت سريع در ط ول فواصل نسبتاً بزرگتر در ذرات استوانه اي وجود دارد چون در ذرات استوانه اي معمولاً ط ول برحسب ميکرومتر است .
با اين حال بايد توجه داشت که نانوسيالات با ذرات استوانه اي معمولاً ويسکوزيته بسيار بزرگتر از نانوذرات کروي دارند. به
عنوان يک نتيجه ، افزايش در قدرت پمپاژ، بزرگ است و اين ، امکان استفاده از نانوسيالات با ذرات استوانه اي را کاهش ميدهد. [٥]
۵- نانوذرات و سيالات پايه
بسياري از مواد ذره اي مختلف براي آماده سازي نانوسيالات استفاده ميشوند. نانوذرات Alo٢٣،Cuo ، Tio٢،SiC ،TiC ، Ag،Au ،Cu و Fe مکرراً در تحقيقات نانوسيالات استفاده ميشوند. نانولوله هاي کربني نيز با توجه به هدايت حرارتي بسيار بالاي خود در جهت (محور) ط ولي ، استفاده ميشوند.
عمدتاً مايعات پايه که در تهيه ي نانوسيالات استفاده ميشوند، مايعات مشترک در کاربردهاي انتقال حرارت هستند مثل آب ، اتيلن گليکول و يا روغن موتور. با توجه به مدل هاي مرسوم هدايت حرارتي مانند مدل ماکسول ، همانطور که رسانايي حرارتي مايع پايه ي يک مخلوط ، کاهش مييابد، نسبت رسانايي حرارتي (رسانايي حرارتي نانوسيال (Knf) که به هدايت حرارتي مايع پايه (Kf) تقسيم شده است ) افزايش مييابد. [٦]
اين ديده ميشود که مايع رساناي ضعيف بهتر از مايعات رساناي قوي عمل ميکند. از اين رو، به ط ور کلي از آب اجتناب ميشود. هنگاميکه آن براي نانوسيالات ميآيد، به دليل اين واقعيت که ويسکوزيته ي مايع پايه ، حرکت براوني نانوذرات را متأثر ميکند، وضعيت پيچيده تر ميشود و به نوبه ي خود روي رسانايي حرارتي نانوسيال تأثير ميگذارد.
۶- درجه حرارت
در تعليق هاي معمولي ذرات جامد در مايع (با اندازه اي برحسب ميليمتر يا ميکرومتر)، رسانايي حرارتي مخلوط ، وابسته به درجه حرارت است فقط به علت وابستگي رسانايي دمايي ذرات مايع و جامد پايه به دما. با اين حال ، در مورد نانوسيالات ، تغييرات دما، حرکت براوني نانوذرات و خوشه بندي نانوذرات را متأثر ميکند که به تغييرات چشمگير رسانايي حرارتي نانوسيالات با درجه حرارت منتج ميشود.
