بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش به روش تجربی به بررسی عملکرد حرارتی ترموسیفون دوفازی بسته با استفاده از نانوسیال دیاکسیدتیتانوم پرداخته شده است. تأثیرات غلظت نانوسیال، نسبت پرشدن 30 - ، 50 و - 70 ، زاویه قرارگیری ترموسیفون 45œ - ، 60œ و - 90œ و توان ورودی 100 - ، 150 و - 200w بر عملکرد حرارتی ترموسیفون با استفاده از نانوسیال دیاکسیدتیتانیوم با سیال پایه آب مقطر و با غلظتوزنی، 0/3 ، 0/5، 0/8، 1، 1/2 و 1/5 درصد وزنی، بررسی شده است. ترموسیفون ساخته شده برای سیستم آزمایش تجربی، یک لوله مسی با طول 1 متر و قطر داخلی13 میلی متر می باشد. نتیجه نشان داد که بازده حرارتی و مقاومت حرارتی ترموسیفون دوفازی بسته با استفاده از نانوسیال، به ترتیب، افزایش و کاهش قابل ملاحظهای یافتهاند. با استفاده از آب مقطر بالاترین بازده حرارتی در زاویه قرارگیری 60œ و با استفاده از نانوسیال در زاویه 90œ مشاهده شده است. همچنین ترموسیفون بالاترین بازده حرارتی را در نسبت پرشدن 50 و توان ورودی 200w، با استفاده از آب و نانوسیال داشته است. بیشترین بهبود در بازده حرارتی ترموسیفون 12 و کاهش در مقاومت حرارتی ترموسیفون 21 ، در غلظت 1 وزنی نسبت به آب مقطر مشاهده شده است.
-1 مقدمه
مبحث لوله حرارتی برا ی اولین بار توسط گاگلر در سال 1944 بیان شد. وی مشغول حل مشکل تبرید در سیستمی بود که تبخیر یک مایع در سطحی بالاتر از جایی که تقطیر اتفاق افتاده، انجام شود. که سرانجام منجر به ساخت لوله حرارتی گردید.[1] پس از وی گروور در سال1964 در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس نیومکزیکو اقدام به ساخت چند مدل نمونه از لوله حرارتی با فتیله انجام دادند.[2] ترموسیفون دوفازی بسته تشکیل شده از یک لوله استوانه ای که دوسر آن بسته شده و تحت شرایط خلاء قرار دارد و سیالی به عنوان سیال عامل به اندازه مشخص درون آن پر شده است. ترموسیفون از سه بخش تبخیرکننده، بیدررو و چگالنده تشکیل شده است. سیال عامل در بخش تبخیرکننده، بخارشده و در بخش چگالنده، چگالش یافته و به صورت فیلم مایع توسط نیروی جاذبه به بخش تبخیرکننده که همواره در پایین بخش چگالنده قراردارد، برمیگردد. اساس کار ترموسیفون مبتنی بر جوشش وچگالش است ودارای ضریب رسانس گرمایی موثر بسیار بالا بوده و از آنجا که گرمای نهان تبخیر مقدار بزرگی است، میتواند انتقال حرارت بسیار زیاد را با اختلاف دمای بسیار اندک بین دو سر ترموسیفون به سرعت انجام دهد . سیال عامل یکی از مهمترین عوامل تأثیرگذار بر عملکرد حرارتی ترموسیفون میباشد. در سال های اخیر نانوسیالات نیز به دلیل ویژگی های منحصر به فرد در جوشش و انتقال حرارت به طور گسترده در ترموسیفون به عنوان سیال عامل استفاده میگردد. با افزودن مقدار بسیار کمی از نانو ذرات فلزی نظیر آلومینیوم، مس، آهن،طلا و... و اکسیدهای فلزی نظیر اکسیدآلومینیوم، اکسیدمس، اکسیدتیتانیوم و... و غیر فلزی مانند نانولولههای کربنی به سیال، نانوسیال ایجاد میشود. چوی اولین کسی بود که لفظ نانوسیال را برای این سیالات به کار برد.[3] وی در مؤسسه تحقیقاتی آرگونه آمریکا بر روی نانوسیالات تحقیقات بسیاری انجام داده است . لی و همکاران اولین اندازه گیری هدایت حرارتی نانوسیالات را انجام دادند.[4] ایستمن و همکاران[5] ، بیان کردند که هدایت حرارتی نانو سیالات با افزایش کسر حجمی ذرات در سیال پایه، افزایش می یابد. با کسر حجمی 7/5 برای نانوسیال اکسیدآلومینیوم/آب حدود 45 و برای نانو سیال اکسید آلومینیوم/اتیلن گلایکول حدود 70 افزایش در میانگین ضریب انتقال حرارت دیواری مشاهده شده است. خندهکار و همکاران [6] با استفاده از نانوسیال آب/ اکسیدآلومینیوم و آب/ اکسیدمس به عنوان سیال عامل ترموسیفون، عملکرد منفی را بر عملکرد حرارتی ترموسیفون گزارش نمودند و بیان کردند که مقاومت حرارتی ترموسیفون با استفاده از نانوسیالات نسبت به آب خالص دارای افزایش زیادی میباشد. نوعی و همکاران [7] با استفاده از نانوسیال آب/ اکسیدآلومینیوم، عملکرد حرارتی ترموسیفون دوفازی بسته را مورد بررسی قرار دادهاند. ترموسیفون مورد استفاده در این تحقیق، عمودی با قطر داخلی 20 میلی متر و طول 1000میلی متر بوده است. نانوسیال در غلظتهای 1 و2 و3 حجمی تهیه گردیده اند. بهترین بازده ترموسیفون در غلظت3 به میزان 14/7 گزارش شده است. مؤسا [8]، با نانوسیال آب/اکسیدآلومینیوم در غلظتهای 0/25 تا 1,2٪ حجمی، اندازه نانوذره40 نانومتر، درون ترموسیفونی عمودی با قطر داخلی 6/37 میلی متر و طول 300میلی متر، با نسبت پر شدن 25 تا 100٪ بررسی کرد. مقاومت ترموسیقون 30٪ نسبت به آب خالص در غلظت 1٪ کاهش داشته است و نسبت پر شدن بهینه 48٪ گزارش شده است. هومینیک و همکاران [9]، عملکرد حرارتی ترموسیفون را با استفاده از نانوسیال آب/اکسیدآهن، با غلظتهای 2و 5/3٪ حجمی مورد بررسی قرار دادند. ترموسیفون با قطر داخلی 13/6میلی متر و طول 2000 میلی متر ساخته و در نسبت پر شدن 12/6٪ از کل طول لوله، و زاویه 30، 45، 60و90œ مورد آزمایش قرار گرفت. نتیجه افزایش 39 در میزان انتقال حرارت ترموسیفون در غلظت2 و 42 در غلظت 5/3 در حالت 90œ گزارش شده است. حاجیان و همکاران[10] عملکرد حرارت لولهحرارتی را با ستفاده از نانوسیال نقره در غلظتهای 50، 200 و 600ppm، مورد بررسی قرارداداند. نتایج نشان داد که مقاومت حرارتی ترموسیفون تنها در غلظت50ppm به میزان 30 نسبت به آب خالص کاهش داشته است و مقاومت حرارتی در غلظتهای 200 و600ppm از نانوسیال، نسبت به آب خالص افزایش یافته است. هان و همکاران[11] با استفاده از نانوسیال نقره، اکسیدآلومینیوم و مخلوط نانوذرات اکسیدآلومینیوم و نقره - نانوسیال هیبریدی - در تمامی غلظتهای 0/005، 0/05 و 0/1 حجمی، افزایش 50-40 در مقاومت حرارتی لولهحرارتی شیاردار نسبت به آب خالص مشاهده نمودند. پارمتهانوات و همکاران [12]، بر روی نانوسیال آب/ نقره با 0/5 وزنی به همراه سورفکتانت اولیک اسید با 0/5 ، 1 و 1/5 وزنی، به عنوان سیال عامل ترموسیفون بررسی کرده اند. ترموسیفون با قطر داخلی 12/7 میلی متر و طول 750 میلی متر با زاویه 90œ - عمود - و نسبت پرشدن 30 ، 50 و80 و دمای عملیاتی 60œC، 70œC و80œC مورد آزمایش تجربی قرار گرفت. نتیجه این بررسی حاکی از افزایش 30 در بازده ترموسیفون با نسبت پرشدن 50 و دمای عملیاتی 80œC ، بوده است. یانگ و لیو [13]، عملکرد حرارتی ترموسیفون عمودی با قطر داخلی 8 میلی متر و طول 550 میلی متر و نسبت پر شدن 30 ، با نانوسیال آب / دی اکسید سیلیسیوم با غلظتهای 0/5 ، 1 ، 1/5 ، 2 و 2/5 وزنی به همراه سورفکتانت -3گلیسید-اوکسیل پرویل، مورد بررسی قرار دادند.
نتیجه افزایش 17 بازده ترموسیفون با نانوسیال 1/5 وزنی بوده است. لیو و همکاران [14] استفاده از نانوسیالات، مس، اکسیدمس و اکسیدسیلیسیوم را بر عملکرد لولهحرارتی شیاردار مورد بررسی قراردادند. نتیجه نشان داد که ضریب انتقال حرارت تبخیرکننده لولهحرارتی با استفاده از نانوسیال مس،85 و با استفاده از نانوسیال اکسیدمس 65 ، نسبت به آب خالص افزایش و با استفاده از اکسید سیلیسیوم به میزان 10 کاهش یافته است. کامیار و همکاران [15]، عملکرد حرارتی ترموسیفون با قطر داخلی 19 میلی متر و طول 300 میلی متر با نانوسیال آب / اکسیدآلومینیوم و آب TiSiO4 / با غلظت 0/01 و 0/02 و 0/05 و 0/075 بررسی نمودند. نتیجه کاهش 65 مقاومت حرارتی ترموسیفون با نانوسیال آب / اکسیدآلومینیوم در غلظت 0/05 و 57 برای آب TiSiO4 / در غلظت0/075 ، نسبت به آب خالص، بوده است. منلیک و همکاران [16]، با استفاده از نانوسیال آب / اکسید منیزیم با غلظت 5 حجمی و به همراه سورفکتانت Triton X-100 عملکردحرارتی ترموسیفونی عمودی با قطر 13 میلی متر و طول 1000میلی متر با نسبت پر شدن 33/3 از کل حجم ترموسیفون، توان ورودی 200w،300 و 400w و دبی چگالنده 5، 7/5 و 10 گرم بر ثانیه ، بررسی نمودند. بیشترین بازده ترموسیفون در توان حرارتی 200w و دبی چگالنده 7/5 گرم بر ثانیه به میزان 26 نسبت به آب خالص بوده است. بوشمن و همکاران [17]، با استفاده از نانوسیال آب / طلا و با آب/ دیاکسیدتیتانیوم با غلظت 0/2 و 0/3 ، 16 افزایش بازده حرارتی ترموسیفون را گزارش نمودند. سوزن و همکاران[18]، عملکرد حرارتی ترموسیفون دوفازی بسته را با استفاده از نانوسیالات ترکیبی - چندجزیی - و اکسیدآلومینیوم مقایسه نمودند. نتایج نشان داد که عملکرد حرارتی ترموسیفون با استفاده از ناوسیال چندجریی به میزان بالایی بهبود یافته است، به طوری که دمای سطح تبخیرکننده در توان ورودی200w، 12œC پایینتر از وقتی است که از آب خالص استفاده شده است. همچنین مقاومت حرارتی ترموسیفون با استفاده از نانوسیال چند جزیی و اکسیدآلومینیوم به ترتیب 31/2 و6/9 پایینتر از آب خالص بوده است. در پژوهشهای انجام شده تأثیرات مثبت و منفی با استفاده از نانوسیالات بر عملکرد حرارتی لولهحرارتی و ترموسیفون گزارش شده است، بنابراین تأثیر استفاده از نانوسیال به عنوان سیال عامل ترموسیفون تا حدودی مبهم میباشد، که نیازمند بررسی بیشتر است. همچنین تغییرات غلظت نانوسیال و تأثیر آن بر عملکرد حرارتی ترموسیفون متفاوت گزارش شده است. مبحث زاویه و نسبت پرشدن در برخی از پژوهشهای انجامشده لحاظ نشده است و نیازمند بررسی تأثیرات آنها میباشد. در این پژوهش به بررسی عملکرد حرارتی ترموسیفون دوفازی بسته با استفاده از نانوسیال دیاکسیدتیتانیوم و تأثیر شرایط مختلف - یعنی، غلظتهای مختلف نانوسیال، نسبت پرشدن، زاویه قرارگیری ترموسیفون و توان ورودی - پرداخته شده است.
-2 تجربی
-1-2 آماده سازی نانوسیال
آماده سازی نانوسیال اولین مرحله برای بررسیهای تجربی میباشد. نانوذره دیاکسیدتیتانیوم به دلیل داشتن ضریب هدایت حرارتی بالا، اندازه کمتر و قیمت پایینتر نسبت به نانوذرات دیگر به عنوان نانوذره در این پژوهش انتخاب شده است. برای آماده سازی نانوسیال، نانوذرات دیاکسیدتیتانیوم با اندازه کمتر از 20 نانومتر به خوبی در آب مقطر به عنوان سیال پایه، با غلظت وزنی 0/3، 0/5، 0/8، 1، 1/2 و 1/5 پراکنده شده است. برای آماده سازی نانوسیال از روش دومرحلهای به دلیل اینکه بیشترین کاربرد را برای آماده سازی نانوسیال بر مبنای پژوهشهای انجام شده داشته است، استفاده شده است.
