بخشی از مقاله
چکیده
نانوسیالات یعنی سیالات حاوی ذرات نانو که به صورت معلق در آنها پراکنده شده اند. عملکرد نانو سیالات بهبود خواص فیزیکی سیال پایه از جمله رسانایی حرارتی است. ذرات نانو ، رسانایی سیال پایه - knf - را به میزان قابل توجهی افزایش می دهند. بنابراین می توانند به صورت بالقوه در خنککردن پیشرفته سیستمهای حرارتی مفید باشند. با تمرکز عمده بر روی سوسپانسیونهای رقیق از نانوذرات کروی که به خوبی در آب یا اتیلن گلیکول پراکنده شده اند، مشاهدات آزمایشگاهی اخیر به همراه روشهای اندازهگیری و نظریههای جدید و همچنین روابط مفید، مورد مطالعه قرار گرفتهاند.
عملکرد نانو سیالات در انتقال حرارت به صورت آزمایشگاهی و تئوری مورد مطالعه قرار گرفته و با اندازه گیری خواص فیزیکی و جابه جایی حرارتی روابطی جهت پیشگویی خواص ارائه شده است. هنوز چالش های زیادی در زمینه روش های آماده سازی نانو سیال، اندازه گیری دقیق و قابل اطمینان خواص، ارائه مدل های ریاضی قوی، کاربرد آسان و همچنین مکانیسم های بهبود خواص با وجود نانو ذرات موجود است.
در حقیقت بحث بر سر این موضوع است که افزایش غیر عادی رسانایی حرارتی سیال پایه، چه ارتباطی با اندازه، شکل و نوع نانو ذره و همچنین دما وجود داردمشخصاً. به آزمایشهای محکزنی نیاز است که در آنها از نانوذرات یکسانی استفاده می شود که در معرض روشهای اندازهگیری مختلف قرار میگیرند. چنین پیامدهایی میتوانند روشهای جدید و ناخوانده را اعتبارسنجی کنند و قابلیت تولید مجدد نتایج آزمایشگاهی را بررسی میکنند. مدل های دینامیکی تخمین knf که در آنها از نانو ذرات فلزی بدون اثر متقابل استفاده می شود، بر مبنای ارتقا مدل ماکسول بنا نهاده شده اند. در مدل های جدید باید مکانیسم های متفاوتی را مورد ارزیابی قرار داد و تطبیق نتایج آنها با مقادیر تجربی بررسی گردد.
مقدمه
نانو سیالات که از توزیع ذرات با ابعاد نانو در سیالات معمولی حاصل میشوند، نسل جدیدی از سیالات با پتانسیل بسیار زیاد در کاردبرهای صنعتی هستند. اندازه ذرات مورداستفاده در نانو سیالات از 1 نانومتر تا 100 نانومتر میباشد. این ذرات از جنس ذرات فلزی همچون مس , - Cu - نقره - Silver - ، اکسید فلزی همچون آلومینیوم اکسید , - Al₂O₃ - اکسید مس - CuO - و غیره هستند. نانو سیالات در صنعت حمل و نقل، صنایع هوا و فضا، بیو داروها، راکتورهای هسته ای، انرژی های تجدید پذیر و غیره کاربرد دارند. انتقال حرارت در نانوسیالها تاکنون از دو دیدگاه کلی مورد بررسی قرار گرفته است.
در یک دیدگاه سیال پایه و نانوذرات، یک سیال همگن فرض شده و نانوذرات اجازه حرکت نسبت به سیال پایه را ندارند. در این دیدگاه، تأثیر تغییر خواص ترموفیزیکی در اثر وجود نانوذرات بر انتقال حرارت مورد بررسی قرار گرفته است. در این حالت معادلات حاکم بر یک سیال معمولی برای نانوسیال نیز کاربرد دارد. در دیدگاه دوم، نانوسیال به عنوان یک سیال دوفازی - مایع و جامد - فرض شده و در این حالت نانوذرات در اثر نیروهای وارد برآنها امکان لغزش نسبت به سیال پایه را دارند.[3] در انتقال حرارت جابجایی نانوسیالها افزایش چشمگیر ضریب انتقال حرارت جابجایی مشاهده شده است. برخی محققین تأثیر مکانیسم های انتقال حرارت در اثر انتقال جرم را در نانوسیالها مهم میدانند.
در این راستا، نلد و کوزستو انتقال حرارت نانوسیالها را در لایه مرزی بررسی نمودند. آنها گزارش نمودند که نانوذرات در اثر مهاجرت خود انرژی را در سیال منتقل مینمایند و اثر این نوع انتقال انرژی را در لایه مرزی بسیار تأثیر گذار دانستند [6][5]در. پژوهش جدیدی که اخیراً توسط بهسرشت، نقره آبادی و قلم باز[2] انجام شد، اثر مهاجرت نانوذرات که توسط نلد و کوزنستو[6][5] و محققین پیشین مطرح شده بود مورد بحث قرار گرفت و نشان داده شد که در مطالعه های پیشین محدوده اعداد بی بعد به درستی انتخاب نشده است.
با درنظر گرفتن محدوده صحیح اعداد بی بعد، انتقال حرارت در اثر مهاجرت نانوذرات ناچیز است. نقره آبادی، قلمباز و قنبرزاده [7] در پژوهشی دیگر نشان دادند که اگرچه انتقال حرارت منتقل شده در اثر مهاجرت نانوذرات ناچیز است، ولی لغزش نانوذرات در سیال پایه باعث ایجاد ناهمگونی در نانوسیال میگردد. ناهمگونی ایجاد شده باعث تغییر موضعی خواص نانوسیال شده و از این طریق انتقال حرارت جابجایی در نانوسیالات را تحت تأثیر قرار میدهد. بحث در این زمینه ادامه دارد.
نانوسیالات
نانوسیال، نسل جدیدی از سیالات با پتانسیل بسیار زیاد در کاربردهای صنعتی است. با توسعه سریع تکنولوژی مدرن در صنایع مختلف، افزایشانتقال حرارت، کاهش مصرف انرژی، کاهش ابعاد مبدل های حرارتی و نهایتاً افزایش راندمان سیستم های انتقال حرارت یک نیاز جدی است .[1] در حال حاضر، خنک کاری به عنوان یکی از مهمترین چالش های موجود در صرفه جویی انرژی و افزایش بهره وری بسیاری از صنایع مطرح می باشد. اولین مانع جدی در فشرده سازی و کارامد کردن سیستم های انتقال حرارت، خواص ضعیف انتقال حرارت سیالات متداولی همچون آب و اتیلن گلیکول می باشد. در فرایندهای انتقال حرارت هدایتی و جابه جایی، یکی از مشخصه های مؤثر سیال، ضریب هدایت حرارتی آن است. بالا بودن این مشخصه بیانگر بالا بودن نرخ انتقال حرارت توسط هر یک از دو مکانیسم یاد شده است .
کاربردهای نانوسیال
پیش بینی میشود نانوسیال با داشتن هدایت حرارتی بالا و پایداری فوق العاده آن در آینده ای نزدیک در گستره عظیمی از ×صنعت و علوم مختلف مورد استفاده قرار گیرد که عمده ترین آنها عبارتند از:
صنعت حمل و نقل: با استفاده از نانوسیال خواص حرارتی سیال بهبود پیدا کرده و مقدار سیال مصرفی کاهش می یابد، در نتیجه می توان از رادیاتورهای کوچکتری برای ماشین ها استفاده کرد.
صنایع هوا و فضا: استفاده از نانوسیال در مبدل های گرمایی منجر به کاهش چشمگیری در دبی سیال عامل میشود، که در نهایت مبدل های گرمایی با اندازه و وزن کمتر طراحی میشود که در صنایع هوا و فضا نیاز به چنین سیستم هایی احساس می شود.
انرژی های تجدیدپذیر: در تولید و ذخیره انرژی های تجدید پذیر مانند باطری های خورشیدی انتقال گرما به وسیله نانوسیال از گیرنده انرژی تا ذخیره سازی آن، به صورت مؤثرتری عمل میکنند.
راکتورهای هسته ای: با توجه به ویژگی های نانوسیالات، استفاده از آنها در نیروگاه های هسته ای به عنوان سیال خنک کننده راکتورها منطقی و اقتصادی میباشد. افزایش شار حرارتی بحرانی تا حدود 200 ، افزایش میزان حرارت دفع شده در هنگام بروز حوادث ناگهانی در راکتورها و افزایش ضریب ایمنی راکتورهای اتمی از جمله مزایا و پتانسیل های برجسته استفاده از نانوسیال در راکتورهای هسته ای به شمار میرود.
بیو داروها: کاربرد نانوسیالات به عنوان رساننده نانو دارو به سلول های معیوب و تومورها میباشد. بدین صورت که به وسیله اعمال نیروهای مغناطیسی نانو ذره فعال شده و باعث از بین رفتن سلول های مریض بدون آسیب رسانی به دیگر سلول ها میشود. که در اینجا از خون به عنوان سیال پایه استفاده می کنند.
تهیه نانوسیالات
مطالعات زیادی روی چگونگی تهیه نانوذرات و روشهای پراکندهسازی آنها درسیال پایه انجام شده است که در اینجا به طور مختصر دو روش متداول را که برای تهیه نانوسیال وجود دارد ذکر میکنیم.
روش دو مرحلهای : - Two-step process -
یکی از روشهای متداول تهیه نانوسیال، روش دو مرحلهای است. مرحله نخست این روش شامل تولید نانو ذرات به صورت یک پودر خشک بوده که اغلب توسط کندانس نمودن با یک گاز بی اثر انجام میشود. در مرحله بعد نانو ذرات تولید شده در سیال پخش میگردند. نکته اساسی در این روش تجمع نانو ذرات بر اثر چسبندگی آنها به همدیگر است که از معایب این روش به شمار میآید. در روش دو مرحله ایابتدا نانوذره یا نانولوله معمولاً به وسیله روش رسوب بخار شیمیایی - CVD - در فضای گاز بیاثر به صورت پودرهای خشک تهیه میشود، بعد نانوذره یا نانولوله در داخل سیال پراکنده میشود.
