۲-۳- منطق وجودی نانو سیالات
بررسی دقیق خصوصیات گرمایی همه مایعات خنک کننده ای که امروزه به عنوان سیال انتقال گرما استفاده می شوند، رسانایی گرمایی ضعیفی را نشان می دهند (بجز فلزات مایع که در اکثر محدوده های دمایی قابل استفاده نیستند). برای مثال آب در هدایت گرمایی ۳ بار ضعیفتر از مس است مشخص است که همه تلاشها برای افزایش انتقال گرما بوسیله آشفته سازی، افزایش سطح و…، بوسیله محدودیت های ذاتی رسانایی گرمایی محدود می شود.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

بنابراین می تواند منطقی باشد که تلاشهایی برای افزایش رفتار رسانایی گرمایی سیالات خنک کننده انجام شود. استفاده از مخلوطهایی معلق از جامدها یکی از راههایی است که بیش از یک قرن گذشته به ذهن آمده است. ماکسول ]۱[ پایه گذار این زمینه بود که تئوری پایه را برای محاسبه رسانایی گرمایی موثر مخلوط های معلق ارائه داد. تلاشهای او بوسیله مطالعات تجربی و تئوری زیادی مانند کارهای همیلتون و کراسر ]۲[ و واسپ ]۳[، پیکری شد. این مدلها برای پیش بینی رسانایی گرمایی تعلیق ها بسیار خوب کار می کنند. با این حال، همه این مطالعات به تعلیق ذرات در ابعاد میکرو و میلی محدود می شوند، و یک چنین تعلیق هایی نارساییهای زیر را بدنبال دارند:
۱- ذرات به سرعت نشست می کنند، تشکیل لایه ای بر روی سطح می دهند و ظرفیت انتقال حرارت سیال را کاهش می دهند.
۲- اگر نرخ چرخش سیال افزایش یابد، ته نشین شدن کاهش می یابد ولی خوردگی ابزارهای انتقال گرما، لوله ها و… به سرعت افزایش می یابد.
۳- با اندازه بزرگ ذرات تمایل به گرفتگی در مسیر جریان کانال افزایش می یابد.
۴- افت فشار در سیال بطور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد.
بنابراین مسیر بوجود آمدن ذرات معلق درون سیال به خوبی مشخص شد ولی در کل گزینه قابل قبولی برای کاربردهای انتقال گرما نمی باشد. تکنولوژی مواد جدید فرصتی را فراهم کرده است تا ذراتی در ابعاد نانومتری را تولید کنیم که کاملاً درخصوصیات اپتیکی، الکتریکی، گرمایی و مکانیکی با مواد اولیه متفاوت هستند.
تا اینکه ابتدا ماسودا و همکاران [۴] و سپس چویی همکارانش [۵] ایده نانوسیال^[۲۲] را برای اولین بار مطرح نمودند و انقلاب بزرگی در زمینه انتقال حرارت در سیالات پدید آوردند. به منظور افزایش انتقال گرمای جابجایی، محققان ذرات در ابعاد نانو (ذرات جامد کوچکتر از nm100) را به سیال اضافه کردند.
این تکنیک افزایش قبلاً با میکروذرات معلق در سیال برای افزایش انتقال گرما در میکرو و میلی کانالها استفاده شده است. نانو ذرات نسبت سطح به حجم ۱۰۰۰ برابر بزرگتر از میکرو ذرات دارند و گرما را بسیار مؤثرتر می توانند انتقال دهند. چویی و همکارانش [۵] نشان دادند که اضافه کردن نانو ذرات، به سیال پایه می تواند نرخ انتقال گرمای سیال را ۲ برابر کند، زیرا این ذرات رسانایی گرمایی بیشتری نسبت به سیال پایه دارند. چیزی که باعث جذابیت نانو ذرات به عنوان کاندید احتمالی برای درست کردن مخلوطی از ذره ها با سیالات می شود، این است که آنها مساحت سطح زیادی دارند، مومنتم ذرات کم است، و قابلیت حرکت بالایی دارند.
وقتی ذرات بطور مناسب پخش شده باشند، این خصوصیات نانو سیالات انتظار می رود که برتری های زیر را داشته باشد:
۱) رسانایی گرمایی بالاتر: مساحت سطح بیشتر نانو ذرات اجازه انتقال گرمای بیشتری را می دهد. ذرات ریزتر از nm20، ۲۰% اتم های خود را بر روی سطح خود دارند، که آنها را هر لحظه برای تبادل حرارت در دسترس دارند. مزیت دیگر در حرکت بودن ذرات است که می تواند منتسب به اندازه ریز آنها باشد، که می­ تواند میکرو جابجایی هایی را بوجود آورند و در نتیجه انتقال گرما افزایش یابد [۶].
۲) پایداری: از آنجائیکه ذرات ریز هستند وزن کمتری دارند و احتمال ته نشین شدن کمتر می شود. همین کاهش ته نشینی باعث غلبه بر یکی از ضعفهای اصلی مخلوط های معلق می شود (رسوب کردن ذرات) و نانو سیالات را پایدارتر می کند.
۳) خنک کاری میکرو کانالها بدون گرفتگی: نانو سیالات تنها یک محیط بهتر برای انتقال گرمای معمول نیستند، آنها همچنین برای کاربردهای میکرو کانال در جائیکه با بارهای گرمایی بالایی مواجه هستند، مناسب هستند. ترکیب میکرو کانالها و نانو سیالات هم سیالی بار رسانایی بالا و هم سطح انتقال گرمای بزرگتری را فراهم می کند. نانو ذرات، که فقط چند صد یا چند هزار اتم هستند، بسیار کوچکتر از میکرو کانالها بود ه و باعث گرفتگی نمی شوند.
۴) کاهش احتمال خوردگی: نانو ذرات بسیار ریز هستند و ممنتمی که می توانند به یک دیوار صلب وارد کنند بسیار کمتر است. این ممتنم کاهش یافته شانس خوردگی اجزا را کاهش می دهد مانند مبدلهای حرارتی و خطوط لوله ها و پمپ ها.
نانو ذرات مورد استفاده به سه دسته تقسیم می شوند، ذرات سرامیکی، ذرات فلزی خالص و نانو لولهای کربنی، که در ادامه بطور مفصل در مورد ان بحث می کنیم.
ترکیبات مختلف این نانو ذرات و سیال هایی شامل آب، اتیلن گلیکول، روغنها و تولوئن نانو سیالات مختلفی را به ما می دهد.
۲-۴- پارامترهای انتقال حرارت در نانوسیالات
افزایش انتقال حرارت در نانوسیالات به پارامترهای زیادی بستگی دارد که در این بخش هرکـدام از آن­ها بطور مختصر توضیح داده خواهد شد .
۲-۴-۱- انباشتگی ذرات
نانوذرات در اثر نیروهای بین ملکولی مانند نیروی واندروالس تمایل به انباشتگی^[۲۳] دارند [۷]. کارتیکین و همکاران [۸] آزمایش­های تجربی روی مخلوط اکسید مس-آب انجام دادند و نشان دادند که اندازه و خوشه شدن نانوذرات اثر مهمی روی رسانش حرارتی نانوسیال دارند. همچنین آن­ها نشان دادند که انباشتگی نانوذرات به زمان بستگی دارد و با گذشت زمان انباشتگی آن­ها افزایش می­یابد در نتیجه رسانش حرارتی در نانوسیال کاهش می­یابد. شکل (۲-۳) نشان می­دهد که رسانش حرارتی در نانوسیال با افزایش زمان شدیدا کاهش می­یابد و همچنین در شکل (۲-۴) انباشتگی نانوسیال با گذشت زمان به صورت میکروسکوپی نشان داده شده است. آن­ها نشان دادند که در این فاصله زمانی هیچگونه ته­نشینی در نانوسیال اتفاق نیفتاده است. گروهی دیگر از دانشمندان نشان دادند که با افزایش مقدار نانوذرات جامد میزان انباشتگی به دلیل بزرگ شدن توده­های نانوذرات و در نتیجه افزایش نیروهای واندروالس، افزایش می­یابد. وانگ و همکاران [۹] ویسکوزیته­ی مخلوط آلومینیوم – آب را اندازه گیری کرده و نشان داده اند که با افزایش انباشتگی نانوذرات ویسکوزیته نانوسیال نیز افزایش می­یابد.

شکل ۲-۳- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی نسبت به زمان برای مخلوط آب اکسید مس [۸].

شکل ۲-۴- افزایش انباشتگی نانوذرات باافزایش زمان برای مخلوط آب اکسیدمس (۱/۰=φ) الف) ۲۰ دقیقه ب) ۶۰ دقیقه ج) ۷۰ دقیقه [۸]
۲-۴-۲- نسبت حجمی ذرات نانو
ضریب رسانش حرارتی نانوسیال با افزایش نسبت حجمی^[۲۴] نانوذرات افزایش می­یابد [۸] شکل (۲-۵). اما افزایش زیاد ذرات نانو به سیال باعث ته­نشینی ذرات نانو می­ شود. به همین دلیل هر چه نسبت ذرات نانو به سیال کمتر باشد، نانوسیال مطلوب­تر خواهد بود [۱۰].

شکل ۲-۵- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی نسبت به نسبت حجمی ذرات نانو [۱۰]
۲-۴-۳- حرکت براونی
حرکت براونی^[۲۵] (حرکت تصادفی ذرات نانو در سیال) نیز یکی دیگر از عوامل موثر بر افزایش ضریب رسانش حرارتی موثر در نانوسیال است [۱۱و۱۲]. هر چه اندازه­ نانوذرات کوچکتر باشد حرکت براونی آن­ها افزایش می­یابد و در نتیجه ضریب رسانش حرارتی نیز افزایش می­یابد و همین­طور با افزایش اندازه نانوذرات حرکت براونی کاهش می­یابد [۱۳].
۲-۴-۴- ترمو­فورسیس
مولکول­هایی که در محیط گرم­تر قرار دارند بدلیل بالا بودن انرژی مومنتم بالاتر، با مولکول­های مجاور برخورد می­ کنند. این امر موجب حرکت مولکول­ها از محیط گرم­تر به محیط سردتر و در نتیجه افزایش انتقال حرارت می­ شود. به این پدیده ترموفورسیس^[۲۶] می­گویند.
۲-۴-۵- اندازه نانوذرات
تحقیقات نشان داده­اند که با کاهش اندازه نانوذرات ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال افزایش می­یابد [۱۲]. این افزایش ضریب رسانش حرارتی به دلیل افزایش حرکت براونی نانوذرات و همچنین کاهش رسوب آن­ها می­باشد [۱۳].
۲-۴-۶- شکل نانوذرات
تحقیقات نشان داده­اند که هر چه شکل نانوذرات^[۲۷] چند وجهی­تر باشد، ضریب رسانش حرارتی آن بیشتر است [۱۴]. دلیل این امر افزایش نسبت سطح به حجم نانوذرات می­باشد. هر چه این نسبت بزرگتر باشد ضریب رسانش حرارتی موثر بیشتر می­باشد. شکل (۲-۶) نشان می­دهد که ضریب رسانش حرارتی موثر مخلوط آب-اکسید آلومنیم با افزایش وجه­های نانوذرات از کروی به شش وجهی، افزایش می­یابد.

شکل ۲-۶- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی موثر نسبت به نسبت حجمی و اشکال متفاوت نانوذرات برای مخلوط آب - اکسید آلومنیم [۱۴].
۲-۴-۷- ضخامت لایه سیال بین ذرات نانو
لایه سیال^[۲۸] پیرامون ذرات نانو در نانوسیال نیز به افزایش انتقال حرارت کمک می­ کند. هر چند ضخامت و رسانش حرارتی این لایه ملکولی سیال هنوز مشخص نیست اما شکل لایه­ های ملکولی سیال محصور بین نانوذرات جامد توسط یو و همکاران [۱۵] مشخص شده است. رن و همکاران [۱۶] یک مدل تئوری برای مطالعه تغییرات رسانش حرارتی موثر نسبت به ملکول­های سیال پیرامون ذرات نانو ارائه کردند. آن­ها نشان دادند که با افزایش ضخامت لایه سیال ضریب رسانش حرارتی نیز افزایش می­یابد (شکل ۲-۷-الف). کبلینسکی و همکاران [۱۷] نیز روی اثر لایه سیال پیرامون نانوذرات بر ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال تحقیقاتی انجام دادند. آن­ها نیز نشان دادند که با افزایش لایه سیال پیرامون نانوذرات ضریب رسانش حرارتی موثر افزایش می­یابد (شکل ۲-۷-ب). در این اشکال، d بیان کننده ضخامت لایه سیال و r_p بیان کننده شعاع نانوذرات است. شکل نشان می­ دهند که با افزایش لایه سیال اطراف نانوذرات و یا کاهش شعاع ذرات نانو ضریب رسانش حرارتی افزایش می­یابد.