بخشی از مقاله
چکیده :
سیالات دارای ذرات جامد معلق پتانسیل زیادی برای افزایش انتقال حرارت با به کارگیری هدایت حرارتی بالای ذرات فلزی و غیر فلزی دارند. این امر در صورتیکه نانو ذرات معلق به طور یکنواخت و خوب در سیال پراکنده شوند و هدایت حرارتی بالایی داشته باشند میسر است. تحقیقات تجربی زیادی بر روی انتقال حرارت در نانو سیال ها صورت گرفته است . در این تحقیق سعی شده است که انتقال حرارت نانو سیال - مس / آب - به توسط ابزار دینامیک سیالات محاسباتی در غلظتهای 0.1 ، 0.2 ، 0.5 و 1 درصد حجمی نانو ذرات و در رژیمهای مختلف جریان شبیه سازی شود و نتایج حاصله با داده های تجربی مقایسه شده است .
به طور معمول ، داده های شبیه سازی از داده های آزمایشگاهی انحراف نشان می دهد . در این تحقیق سعی شده است که انحرافات به حد اقل برسد . از آنجاییکه داده های شبیه سازی با داده های تجربی تطابق خوبی را نشان میدهد ، می توان برای پیش بینی و محاسبه ضرایب انتقال حرارت و عدد نا سلت در غلظتهای مختلف نانو ذرات و همچنین در سرعت ها و اعداد رینولدز مختلف از نرم افزارها ی مورد استفاده در این زمینه سود جست . نتایج حاصله نشان می دهد که ضریب انتقال حرارت با افزایش عدد رینولدز و همچنین افزایش درصد حجمی ذرات نانو افزایش می یابد .
-1مقدمه
نانو سیال ها سوسپانسیون های رقیقی از نانو ذرات هستند که ابعاد نانو ذرات معلق در آنها از 100 nm کمتر است . بسیاری از محققین به استفاده از آنها در مبدل های حرارتی به جای آب، روغن واتیلن گلیکول توجه کرده اند .[1] طبق مطالعات انجام شده وجود نانو ذرات فلزی و یا غیر فلزی معلق مثل Cu ، CuO ، SiO ، AlR2ROR3R و TiO در سیالهای پایه حتی به مقدار خیلی کم باعث افزایش انتقال حرارت می شود.
در تحقیقی که روی نانوسیال - مس/ آب - درداخل لوله های مدور در جریان آرام انجام شده است، مشخص شده که ضریب انتقال حرارت آب خالص به میزان 41% و - 38%برای حجم جزئی 3% نانوذرات - به ترتیب برای AlR2ROR3 و RCuO افزایش یافته است
همچنین افزایش ضریب انتقال حرارت نانو سیال با عدد رینولدز و غلظت نانو ذرات گزارش شده است. با افزایش جزء حجمی نانو ذرات تا حدود 10%انتقال حرارت افزایش می یابد . عدد ناسلت متوسط تقریبا به صورت خطی با درصد حجمی ذرات تغییر می کند.
محققان بیان می دارند که افزایش انتقال حرارت در نانو سیالها به دلیل کاهش ضخامت لایه مرزی انتقال حرارت وابسته به توزیع غیر یکنواخت هدایت حرارتی و ویسکوزیته ناشی از حرکت براونی نانو ذرات می باشد
با افزایش غلظت نانو ذرات انتقال حرارت افزایش می یابد و این افزایش غلظت تا حد بهینه ای صورت می گیرد که بیشتر از آن باعث کاهش انتقال حرارت می شود . این بدان علت است که در غلظت های بالا ذرات نانو با یکدیگر تجمع می یابند
درصد افزایش عدد ناسلت متوسط در حالت پایدار برای نانو سیال بر پایه اتیلن گلیکول از نانو سیال بر پایه آب بیشتر است ولی در کل مقدار ناسلت در نانو سیال بر پایه آب بیشتر است . برای نانو سیالها با سیال پایه ثابت و نانو ذرات متفاوت ، عدد ناسلت متوسط تغییرات کمی دارد . در نتیجه انتقال حرارت در نانو سیال ها به میزان زیادی به طبیعت سیال پایه بستگی دارد تا نانو ذراتی که به آنها اضافه شده است
تحقیقات تجربی نشان می دهد که انتقال حرارت نانو سیال ها به عوامل زیادی چون جزء حجمی ذرات ، جنس ذرات ، اندازه ذرات ، شکل ذرات نانو ، سیال پایه و درجه حرارت بستگی دارد ، همچنین pH نانو سیال روی افزایش انتقال حرارت موثر است
آزمایشات نشان میدهد که نانو سیالهایی با قطر ذرات 36 nm ضریب انتقال حرارت بالاتری نسبت به ذرات با قطر 47 nm دارند.[1] بررسی های مختلفی روی انتقال حرارت در نانو سیالها انجام شده خصوصا" در مورد انتقال حرارت نانو سیالها در محیط های متخلخل و انتقال حرارت ترکیبی تحقیقات مفیدی انجام شده است . [6] از نانو لوله های کربنی به عنوان نانو ذرات در نانو سیالها میتوان استفاده کرد
نانو لولههای کربنی با روش دو مرحله ای در آب پراکنده می شوند و تشکیل نانو سیال را می دهند . انتقال حرارت در این نوع نانو سیال به صورت تابعی از درجه حرارت و ترکیب، مورد بررسی قرار گرفته است [7]. همچنین در کاری دیگر انتقال حرارت با وجود نیروی مغناطیسی در نانو سیالهای آهنی بررسی شده است و نتیجه حاصل شده که افزایش تمایل مغناطیسی سیال باعث افزایش عدد ناسلت متوسط تا میزان 23.2% شده است
از آنجائیکه هدایت حرارتی بالای نانو ذرات در سیالهای پایه که هدایت حرارتی پایینی دارند مورد توجه قرار گرفته است ، مدلهای مختلفی برای بیان ضریب هدایت حرارتی نانو سیالها بیان شده است که معروفترین آنها مدل Maxwell می باشد
- W. Ku-er-ban-jiang - و همکاران دریک آزمایش تجربی، به بررسی نانوسیال - آب مقطر/مس - پرداختند . خواص ترموفیزیکی نانو ذرات مس - با خلوص - 99.9% در محاسبات آنها آورده شده است. قطر متوسط ذرات مس 50nm می باشد. در این آزمایش هیچ گونه پراکنده ساز و پایدار سازی استفاده نشده است زیرا هرگونه ماده اضافی ممکن است خواص نانوسیال را تغییر دهد.
نانوسیال - مس/ آب - با جزء حجمی های مختلف 0,1،0,2،0,5 و 1 درصد در این آزمایشها تهیه شده است . آزمایشها در محدوده اعداد رینولدز 300<Re<16000 انجام شده و تجهیزات آزمایش قبل از تست نانوسیال با آب مقطر تست شدهاند . با استفاده از داده های آزمایش ضریب انتقال حرارت متوسط - - h محاسبه شده و از روی آن عدد ناسلت متوسط بدست آمده است
-2مدل ریاضی
از آنجاییکه غلظت ذرات نانو در سیال بسیار پایین است و با فرض این که ذرات معلق نانو بطور خوب و یکنواخت در داخل سیال پراکنده شده اند و ذرات نانو ازهم فاصله داشته و نمی توانند با یکدیگر یک فاز جداگانه را تشکیل دهند در نتیجه میتوان فرض کرد که ذرات نانو با سیال پایه تشکیل یک فاز را دهند
