بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله انتقال حرارت جوشش استخری نانوسیال آب-آلومینا در غلظت های حجمی 0/25، 0/5 و 0/75 درصد و با استفاده از یک سطح دایروی افقی ساخته شده از جنس آلومینیوم با زبری 0/15 میکرومتر، به عنوان سطح جوشش، بصورت تجربی مورد بررسی قرار گرفته است. هدف از این آزمایش بررسی تاثیر غلظت نانوسیال بر ضریب انتقال حرارت جوشش استخری، تحت فشار محیط 865 - میلی بار - ، می باشد. نتایج به دست آمده از آزمایش نشان می دهد که افزودن نانوذرات آلومینا به آب مقطر باعث کاهش ضریب انتقال حرارت جوششی استخری، در محدوده غلظت های مورد بررسی در این آزمایش، میشود.
مقدمه
در طی چند دهه اخیر با پیشرفت های سریع در تکنولوژی های مربوط به انرژی فسیلی، تولید برق، خنک کننده تراشه های الکترونیکی و ...، تحقیقات وسیعی بر روی افزایش نرخ انتقال حرارت، انجام شده است. یکی از روش های متداول افزایش نرخ انتقال حرارت، استفاده از سطوح انتقال حرارت گسترده برای تبادل حرارت با سیال کاری می باشد. با این حال، این روش نیاز به افزایش نامطلوب در اندازه سیستم مدیریت حرارت دارد. به این دلیل استفاده از روش های انتقال حرارت، همراه با تغییر فاز سیال کاری که کارایی بیشتری نسبت به انتقال حرارت تک فاز دارد، راه کار دیگری است که بدین منظور پیشنهاد شده است. جوشش استخری نوعی انتقال حرارت همراه با تغییر فاز می باشد. علاوه براین، نرخ انتقال حرارت جوششی را می توان با توجه به موارد زیر بهبود بخشید: - 1 - بهبود در شاخصههای سطح جوشش و - 2 - بهبود در شاخصه های سیال کاری. محققین به این نتیجه رسیده اند که با معلق ساختن ذرات با ابعاد نانو در سیال پایه، می توان ویژگی های سیال کاری را بهبود بخشید و در نتیجه آن نرخ انتقال حرارت جوششی را تغییر داد.
در زیر نمونه هایی از تحقیقاتی که بر روی انتقال حرارت جوشش استخری با استفاده از نانوسیالها انجام شده است، بطور خلاصه آورده شده است:
داس و همکارانش [1] جوشش استخری نانوسیال آب-آلومینا را در غلظت های مختلف، تحت فشار اتمسفری و با استفاده از یک گرمکن کارتریج استوانه ای افقی با قطر 20 میلی متر در زبری های مختلف سطح، مورد بررسی قرار دادند. نتایج آزمایشگاهی آن ها، کاهش ضریب انتقال حرارت جوششی را در غلظتها و زبریهای مختلف، با افزودن ذرات نانو، نشان میداد. واسالو و همکارانش [2] انتقال حرارت جوشش استخری را با استفاده از نانوذرات سیلیکا در سیال پایه آب و در فشار اتمسفری، بر روی یک سیم افقی معلق، از جنس NiCr و به قطر 0/4 میلیمتر، مورد بررسی قرار دادند. آن ها در تولید نانوسیال از پایدار کننده ها استفاده نکرده بودند. قطر نانوذرات در آزمایش آن ها 15 و 50 نانومتر و غلظت حجمی نانوسیال آن ها 0/5 درصد بود. با این حال غلظت نانوسیال آن ها در طی آزمایش ثابت نبوده و 25 درصد آب در پایان آزمایش تبخیر شده بود - غلظت نانوسیال در پایان آزمایش از 0/5 درصد به 0/67 درصد افزایش یافته بود - . آن ها گزارش کردند که استفاده از نانوسیال ها تاثیر چندانی در بهبود انتقال حرارت در رژیم جوشش هستهای ندارند.
پراکاش نارایان و همکارانش [3] جوشش استخری نانوسیال آب-آلومینا را در غلظت های مختلف 0/5 - ، 1 و 2 درصد وزنی - ، با استفاده از گرمکن لوله ای عمودی از جنس فولاد ضد زنگ و با زبری های مختلف سطح گرمکن 48 - ، 98 و 524 نانومتر - ، مورد بررسی قرار دادند. اندازه میانگین ذرات نانو در آزمایش آن ها 47 و 150 نانومتر بود. آن ها به منظور پایدار ساختن نانوسیال تهیه شده، با استفاده از اسیدی کردن محیط، نیروهای دافع الکترواستاتیکی را بین سطوح ذرات، ایجاد کردند. نتایج آزمایشگاهی آن ها نشان داد، زمانی که اندازه متوسط ذرات از مرتبه زبری سطح گرم کن باشد، تعداد مکان های هسته زایی بسیار کاهش می یابد و در نتیجه کارائی جوشش به حداقل میزان می رسد. در صورتی که اندازه متوسط ذرات بسیار کوچک تر از زبری سطح گرم کن باشد، تعداد مکان های هسته زایی و به طبع آن ضریب انتقال حرارت، افزایش مییابد.
چوپکار و همکاران [4] ویژگیهای انتقال حرارت جوشش کاتیراوان و همکارانش [8] جوشش استخری نانوسیال آب-مس استخری نانوسیال آب- دی اکسید زیرکنیوم را در غلظتهای حجمی در غلظت های وزنی 0/25 ، 0/5 و 1 درصد را تحت فشار اتمسفری، مختلف و با استفاده از گرمکن صفحه تخت، بررسی کردند. اگرچه مطالعه کردند. اندازه متوسط نانوذرات مورد استفاده در آزمایش آن ها نتایج آزمایشگاهی آن ها بهبود در انتقال حرارت جوشش هسته ای را 10 نانومتر بود. آن ها نانوسیال خود را یک بار بدون استفاده از پایدار در کسر های حجمی پایین ذرات نشان می داد، اما آن ها به این نتیجه کننده ها و بار دیگر با استفاده از سدیم لوریل سولفات آنیونی به رسیدند که نرخ انتقال حرارت با افزایش غلظت ذرات - بیشتر از 0/07 عنوان پایدار کننده و به میزان 9 درصد وزنی، تهیه نمودند. آن ها در درصد حجمی - ، کاهش مییابد و نهایتاً حتی از آب خالص نیز کم تر آزمایش خود از گرمکن صفحه ای از جنس فولاد ضد زنگ صیقل داده می شود. آن ها همچنین به این نتیجه رسیدند که افزودن پایدار شده به مساحت 30 میلیمتر مربع و ضخامت 0/44 میلی متر، استفاده کننده ها - در این آزمایش: تترا متیل آمونیوم هیدروکسید - ، به نمودند. آن ها به این نتیجه رسیدند که انتقال حرارت جوششی نانوسیال، باعث افت شدیدی در انتقال حرارت جوشش هسته ای نانوسیال ها کمتر از آب خالص می باشد و این کاهش با افزایش غلظت
میشود. نانوذرات بیشتر می شود. آن ها در آزمایش خود با استفاده از نانوسیال جو و همکارانش [5] جوشش استخری نانوسیال آب-آلومینا را حاوی پایدار کننده نیز همین رفتار را مشاهده کردند.
در چند غلظت متفاوت و در فشار اتمسفری و با استفاده از گرمکن احمد و حامد [9] جوشش استخری نانوسیال را در فشار محیط مدور صفحه ای با قطرهای 10 و 15 میلی متر مطالعه کردند. آن ها به 101/9 - کیلوپاسکال - بررسی نمودند.
آنها در این آزمایش از منظور حذف تاثیر زبری سطح در آزمایش هایشان، سطح گرم کن را نانوسیال آب-آلومینا - اندازه ذرات 40 تا 50 نانومتر - با غلظتهای در تمامی آزمایش ها، بوسیله سمباده CC-2000Cw صیقل دادند. مختلف و یک صفحه تخت افقی از جنس مس - با میانگین زبری قطر نانوذرات استفاده شده توسط آن ها کمتر از 25 نانومتر بود. نتایج سطح 50 نانومتر - ، به عنوان گرم کن استفاده کردند. نتایج آزمایش آن ها کاهش انتقال حرارت جوششی را نسبت به آب خالص در هر دو آن ها نشان می داد که نرخ انتقال حرارت برای نانوسیال با غلظت اندازه گرمکن نشان داد. 0/01 درصد حجمی، نسبت به آب خالص، بهبود می یابد؛ برای هوا لیو و همکارانش [6] انتقال حرارت جوشش استخری را با نانوسیال با غلظت 0/1 درصد حجمی، نرخ انتقال حرارت مشابه با آب استفاده از نانوتیوب های کربن معلق در آب دیونیزه شده تحت فشار خالص می باشد و برای نانوسیال با غلظت 0/5 درصد حجمی، نرخ اتمسفری و زیر اتمسفری، بررسی کردند. قطر میانگین نانوتیوب های انتقال حرارت تنزل مییابد. کربن 15 نانومتر و دامنه طول آنها 5 تا 15 میکرومتر بود. آنها به روشی و همکارانش [10] انتقال حرارت جوششی هستهای این نتیجه رسیدند که افزودن نانوتیوب های کربن به سیال پایه باعث نانوسیالات را با استفاده از مخلوط دوتایی آب-اتیلن گلیکون با افزایش ضریب انتقال حرارت میشود که میزان این افزایش با کاهش غلظت های حجمی یکسان و نانوذرات آلومینا با غلظت های حجمی فشار بیشتر می شود. ضریب انتقال حرارت در فشار اتمسفری، در مختلف - درصد حجمی کمتر از - 1% و تحت فشار اتمسفری، بررسی حدود 60 درصد و در فشار زیر اتمسفری 7/4 - کیلوپاسکال - در حدود کردند.
آزمایش آن ها برای نسبت میانگین قطر ذرات به میانگین 130 درصد، در مقایسه با آب دیونیزه شده افزایش یافته بود. آن ها زبری سطح کوچک تر از واحد انجام گرفته بود. نتایج آزمایشگاهی همچنین به این نتیجه رسیدند که بیشترین بهبود در ضریب انتقال آن ها تاثیر بالای نانوذرات را بر روی ضریب انتقال حرارت نشان حرارت، در فشارهای مختلف آزمایش، در غلظت وزنی 2 درصد، اتفاق میداد. علاوه براین، نتایج آن ها نشان داد که یک غلظت حجمی بهینه میافتد. از نانوذرات وجود دارد که ضریب انتقال حرارت در آن بیشترین مقدار کوارک و همکارانش [7] رفتار جوشش استخری نانوسیال ها با خود را دارد. آن ها غلظت حجمی بهینه نانوذرات و بیشترین افزایش غلظت های پایین را با استفاده از نانوذرات از جنس آلومینا و سیال ضریب انتقال حرارت جوششی را به ترتیب % 0/75 و 64% بدست پایه آب مقطر دیونیزه شده، بر روی یک گرمکن مسطح از جنس آوردند و به این نتیجه رسیدند که استفاده از نانوذرات، منحنی مس صیقل داده شده و در فشار 1 اتمسفر، بررسی کردند. آن ها برای جوشش را به سمت چپ منتقل می کند که این روند در غلظت های تولید نانوسیال از حمام مافوق صوت استفاده نمودند و با اندازه گیری بالا، بیشتر مشاهده میشود.
خواص ترموفیزیکی نانوسیال ها با غلظت های پایین - کمتر از 1 گرم بر شاه مرادی و همکارانش [11] جوشش استخری نانوسیال آب- لیتر - به این نتیجه رسیدند که تفاوت بسیار اندکی در این خواص، آلومینا را در فشار اتمسفری و با غلظت های مختلف، با استفاده از بین آب خالص و نانوسیال وجود دارد. نتایج آزمایشگاهی آن ها برای گرم کن صفحه تخت مسی، مطالعه کردند. آزمایش آن ها برای نسبت نانوسیال آب-آلومینا حاکی از آن بود که در غلظتهای پایینتر از میانگین قطر ذرات به میانگین زبری سطح بزرگ تر از واحد انجام 0/025 گرم بر لیتر، ضریب انتقال حرارت جوششی، تغییر چندانی گرفته بود. نتایج آزمایشگاهی آن ها نشان داد که با افزایش غلظت نسبت به آب خالص نمی کند ولی در غلظت های بالاتر از 0/025 تا نانوذرات منحنی جوشش به سمت راست و به سمت دماهای مافوق غلظت 1 گرم بر لیتر، ضریب انتقال حرارت جوششی کاهش مییابد. گرم بالاتر منتقل می شود، بنابراین ضریب انتقال حرارت با افزودن نانوذرات آلومینا به آب خالص - برای غلظت نانوذرات بیشتر از 0/001 درصد حجمی - کاهش می یابد و این کاهش با افزایش غلظت ذرات شدیدتر می شود. نتایج آن ها این کاهش را در حدود 13، 22، 33 و 40 درصد، به ترتیب برای نانوسیالات با غلظت های حجمی 0/002، 0/20، 0/05 و 0/1 درصد نشان داد. در نتایج آن ها تغییر در ضریب انتقال حرارت برای غلظت های پایین نانوذرات - مانند 0/001 درصد حجمی - قابل توجه نبود. با توجه به نتایج متناقض گزارش شده در تحقیقات پیشین، در این مقاله مشخصات جوشش استخری نانوسیال آب-آلومینا در فشار اتمسفری و با تمرکز بر تاثیر غلظت در آن، بصورت آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفته است.
تهیه نانوسیال
تهیه نانوسیال اولین و مهم ترین بخش از انجام آزمایش است. تهیه صحیح نانوسیال به پایداری بیش تر آن کمک می کند و مانع از تهنشینی سریع آن می شود. نانوذرات آلومینا استفاده شده در این آزمایش ساخت شرکت دگوسا آلمان بوده و اندازه آن ها در بازه 20 تا 30 نانومتر می باشد. برای این آزمایش نانوسیال در 3 غلظت حجمی متفاوت 0/25، 0/5 و 0/75 درصد و بدون استفاده از پایدار کنندهها، تولید شده است. برای تهیه نانوسیال، ابتدا با توجه به غلظت حجمی مد نظر و چگالی پودر آلومینا، جرم نانوذره مورد نیاز تعیین گردیده و سپس در میزان مناسبی از آب مقطر ریخته می شود. محلول حاصل ابتدا به مدت 4 ساعت در حمام اولتراسونیک و سپس به مدت مشابه، بر روی مخلوط کن قرار داده میشود. به منظور بررسی پایداری، نانوسیال تولید شده به مدت 7 روز در حالت سکون قرار گرفت و مشاهده شد که محلول از پایداری خوبی برخوردار است.
دستگاه آزمایش
در این تحقیق مشخصات انتقال حرارت جوشش استخری، بر روی یک گرم کن مسطح دایروی افقی ساخته شده از جنس آلومینیوم، مطالعه شده است. شکل 1، دستگاه آزمایش را که شامل چهار بخش اصلی: محفظه جوشش، سطح جوشش، سیستم کنترل توان برای گرمکنهای سطح جوشش و چگالنده میباشد را نشان میدهد. محفظه جوشش شامل دو لوله هم محور از جنس شیشه پیرکس به قطرهای 100 و 200 میلی متر و ارتفاع 300 میلی متر می باشد. نانوسیال مورد بررسی در آزمایش، در لوله داخلی ریخته می شود و در فضای بین دو لوله، به منظور حفظ دمای نانوسیال در دمای اشباع، آب توسط گرم کن های موجود در داخل این محفظه، در حالت جوش نگه داشته می شود. هر دو انتهای محفظه داخلی برای آب بندی و عایق کردن آن، توسط قطعاتی از جنس تفلن پلیتترافلورواتیلن پوشانده شده است. شکل 2، سطح جوشش آلومینیومی به قطر 40 میلی متر، به همراه محل قرار گرفتن 9 گرم کن فشنگی 500 واتی، در داخل یک بلوک مسی را نشان می دهد. وظیفه این بلوک مسی که از دو بخش استوانه ای و یک بخش نیمه مخروطی تشکیل شده، انتقال حرارت از گرم کن ها به سطح جوشش متصل شده در بالای آن میباشد و بصورت یکپارچه از تراشکاری یک شمش استوانهای مسی حاصل شده است. ابعاد این بلوک با استفاده از نرمافزار فلوئنت به گونهای استخراج شده است که انتقال حرارت یک بعدی را زمانی که توسط پتوی سرامیکی به ضخامت 100 میلی متر عایق بندی شده است، بطور نسبتا خوبی ایجاد کند. در قطعه آلومینیومی مورد آزمایش سه سوراخ، برای اتصال ترموکوپل های نوع K، به عمق 20 میلی متر و قطر 3 میلی متر ایجاد شده است. فاصله بالاترین سوراخ از سطح جوشش و فاصله سوراخ ها از هم 2 میلی متر می باشد. از دماهای خوانده شده توسط این ترموکوپل ها برای بدست آوردن دما و شار حرارتی سطح استفاده می شود. دمای اشباع نانوسیال داخل محفظه جوشش نیز توسط یک ترموکوپل نوع k به قطر 3 میلی متر و طول 30 سانتیمتر اندازهگیری میشود.
