پیشرفت در فناوری نانو در دو دهه اخیر و استفاده از نانوسیال به‌عنوان محیط جدید و مناسبی برای انتقال حرارت افق جدیدی را فرا روی پژوهشگران ایجاد کرده است. ازآنجاکه محیطهای سیال انتقال حرارت در صنایع از قبیل آب، اتیلن گلیکول و روغن از ضریب هدایت گرمایی کمی در مقایسه با فلزات و اکسیدهای فلزی برخوردارند، میتوان با افزودن مواد جامد با مشخصههای گرمایی بهتر عملکرد گرمایی سیالات بالا را بهبود بخشید. بحث افزودن ذرات جامد با اندازه میکرو به سیالات پایه از دهها سال قبل مطرح شده است ولی ازآنجاکه سوسپانسیون حاصل به سرعت ته‌نشین می شود گرفتگی معابر و لولههای عبوری را در پی دارد. از طرف دیگر وجود ذرات با اندازه میکرو سبب سایش جداره لولهها شده و به پمپها و وسایل انتقال نیز آسیب جدی وارد می کند. در نانوسیالات به دلیل وجود ذرات با اندازه نانو در داخل سیال پایه مشکلات مربوط به تهنشینی، گرفتگی لولهها و سایش کاهش قابل‌ملاحظه‌ای خواهد داشت. از مزیتهای نانوسیالات افزایش شدید ضریب هدایت گرمایی و همچنین ضریب جا به جایی انتقال حرارت بدون افزایش قابل‌توجه در افت فشار میباشد.
(( 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. ))
۱-۶-۶ تولید نانوذرات
روشهای بسیاری برای تولید نانوذرات ابداع و توسعه‌یافته‌اند. این روشها را به دو دسته شیمیایی و فیزیکی میتوان تقسیم کرد. هرچند برخی از فرآیندهای تولید را در دسته جداگانه ای تحت عنوان فرآیندهای مکانیکی- شیمیایی نیز میتوان جای داد. در یک دسته‌بندی دیگر روشهای تولید نانوذرات را به فرآیندهای حالت بخار، مایع و جامد نیز میتوان تقسیم بندی کرد. در این بخش به معرفی برخی فرآیندهای متداول اعم از فرایندهای فیزیکی و شیمیایی، فرآیندهای حالت بخار، مایع و جامد پرداخته می‌شود.
۱-۶-۶-۱ فرآیندهای حالت بخار
فرآیندهای حالت بخار در تولید نانوذرات را به سه دسته زیر میتوان تقسیم کرد.
الف) فرآیندهای رسوب فیزیکی بخار یا PDV[83]
اساس فرایند رسوب فیزیکی بخار، تولید فاز بخار از ماده موردنظر از طریق فرآیندهای تبخیر، سایش لیزری و یا اعمال پرتوهای یونی است. در این فرآیندها اتم از سطح ماده کنده شده و وارد فاز بخار میشوند. با اعمال عملیات سرمایش، چگالش بخار صورت میگیرد. چگالش سریع و ناگهانی یا آرام بخار در اندازه و توزیع اندازه ذرات تشکیل‌شده مؤثر خواهد بود.
ب) چگالش گاز خنثی
در فرایند چگالش گاز خنثی، ماده اولیه درون محفظهای که تحت خلا بسیار زیادی قرار دارد در اتمسفر خنثی تبخیر می شود. بخارات تشکیل‌شده به‌طرف نواحی سرد گازهای درون محفظه مهاجرت می کنند. این بخارات به دلیل برخورد با مولکول‌های گاز خنثی انرژی خود را از دست می دهند به دلیل محدودیت حرکتی ایجادشده به‌واسطه برخورد بخارات ماده و مولکول‌های گاز خنثی ناحیه فوق اشباعی حاصل‌شده و با تجمیع بخارات تعداد زیادی کلاستر ایجاد می‌شود. در ناحیه سرد این کلاسترها در اثر چگالش تبدیل به نانوذرات میشوند. مهم‌ترین عوامل مؤثر در اندازه، شکل و سرعت رشد کلاسترها را شدت رسیدن مولکول‌های بخار به ناحیه فوق اشباع، شدت اتلاف انرژی مولکول‌های بخار داغ و شدت تولید کلاسترها تشکیل می دهند.
ج) فرایند رسوب شیمیایی فاز بخار یا CVD [۸۴]
رسوب شیمیایی بخار روشی است که در آن جذب سطحی گاز روی سطح داغ برای تولید ماده موردنظر انجام میگیرد. در این روش ماده موردنظر آن‌قدر گرم می‌شود تا به‌صورت گاز درآید. سپس مولکول‌های گاز تحت خلا بر روی یک سطح ایجاد ذرات نانومتری جامد مینمایند. این فرایند را برای تولید انواع نانوذرات فلزی اکسیدی و نیز کاربیدهای فلزات میتوان بکار برد. تولید ذرات خالص مزیت مهم این روش است. با توجه به منبع مورد استفاده برای فعالسازی واکنشهای شیمیایی، فرایند CVD به سه دسته فرایند CVD با فعالساز حرارتی، CVD با فعالساز لیزری و فرایند CVD با فعالساز پلاسما تقسیم‌بندی می شود. اگر در فرایند CVD از فعالساز حرارتی استفاده شود، دمای بالای لازم برای فرایند از طریق دیواره های حرارتی راکتور تامین می شود. درحالی‌که در فرایند CVD با فعالسازی لیزری از پرتوهای لیزر برای فعالسازی واکنشهای شیمیایی استفاده میگردد. این فرایند امکان کنترل ترکیب رسوب و تولید محصولی باکیفیت مطلوب در دمای کمتر را فراهم میسازد. فرایند CVD با فعالساز پلاسما قادر است تا رسوب موردنظر را در دمای پایین تولید نماید. در این فرایند میتوان از انواع منابع انرژی مانند فرکانس رادیویی، جریان مستقیم یا مایکروویو استفاده کرد.
۱-۶-۶-۲ فرایند حالت مایع و حالت جامد
دسته دیگری از روشهای تولید نانوذرات را فرآیندهای حالت جامد تشکیل میدهد. در این روش نانوذرات را از طریق آسیاب کردن و پودر نمودن تهیه می کنند. خواص نانوذرات حاصل از این روش تحت تأثیر نوع گلوله‌های آسیاب کننده، زمان آسیاب و محیط اتمسفری آن قرار میگیرد. از این فرایند برای تولید نانوذراتی میتوان استفاده نمود که از طریق فرآیندهای حالت بخار و حالت مایع به‌آسانی تولید نمی‌شوند. از موارد استفاده روش حالت جامد میتوان به آلیاژسازی مکانیکی و فرآیندهای شیمیایی- مکانیکی اشاره کرد. آخرین دسته از فرآیندهای تولید نانوذرات را فرآیندهای حالت مایع تشکیل میدهد. با توجه به اینکه این روشها دارای سادگی، تنوع، تطبیق‌پذیری و قابلیت استفاده برای انواع نانوذرات هستند، موردتوجه بیشتری قرار گرفته‌اند. مهم‌ترین روش موجود در فرآیندهای حالت مایع به شرح زیر است،
-
- تولید نانوذرات به‌وسیله فرایند همرسوبی
تولید نانو ذرات بیشتر از طریق همرسوبی در محلولهای آبی و سپس اعمال فرایند تجزیه حرارتی برای ایجاد محصولات اکسیدی صورت میگیرد. روش همرسوبی شامل فرایندهای همزمان هسته‌زایی، رشد و کلوخه شدن است.
-
- فرایند سل ژل[۸۵]
فرایند سل ژل به هیدرولیز و تراکم پیش مواد با پایه آلکوکسید مانند Si(OEt)4 (تترااتیل ارتوسیلیکات یا TEOS) اطلاق می شود. فرایند سل ژل را میتوان به یکسری از مراحل مشخص تقسیم کرد:
مرحله اول: تشکیل محلولهای پایدار آلکوکسید
مرحله دوم: تولید ژلاتین از تشکیل یک شبکه پل دار الکلی یا اکسیدی
مرحله سوم: زمان دهی به ژل
مرحله چهارم: خشک کردن ژل
مرحله پنجم: آب‌گیری
مرحله ششم: متراکم کردن و تجزیه ژل در دماهای بالا
۱-۶-۶-۳ تولید نانوذرات با بهره گرفتن از روش سیال فوق بحرانی
اخیراً سیالهای فوق بحرانی یا گازهای فشرده به‌عنوان یک محیط مناسب برای انجام فرایند تبلور و تولید نانوپودرها پیشنهادشده‌اند. یک سیال فوق بحرانی ترکیبی است که در دما و فشار بالاتر از نقطه بحرانی خود قرار دارد. به‌عنوان مثال سیال فوق بحرانی مورد استفاده می تواند کربن دی‌اکسید باشد که علاوه بر ارزان بودن، اثر آلوده‌کنندگی نیز ندارد و متغیرهای بحرانی آن (Tc= 31.1°C, Pc=73.9 bar) در یک دستگاه صنعتی به‌سادگی قابل حصول است. استفاده از سیال فوق بحرانی، کنترل دقیق فرایند تبلور و توانایی تولید ذرات بسیار ریز و یکسان (از نظر اندازه) را فراهم می‌آورد. همچنین وجود خواصی نظیر نفوذ شبه گازی آن و امکان حذف کامل آن در انتهای فرایند، باعث جلب‌توجه زیاد به سمت آن شده است. به‌طورکلی این سیالها در تکنولوژیهای تولید نانوپودرها، در سه حالت جسم حل شونده، ضد حلال و کمک حلال مصرف میشوند.
۱-۶-۷ نانولولهها
نانولوله، لوله‌ای است که در مقیاس نانو به‌وسیله نانوذرات ساخته می‌شود. نانولولهها از خانواده فولرنها محسوب میشوند. قطر یک نانولوله در حدود چند نانومتر است. درحالی‌که طول آن می تواند به چندین میلی پدیده هوایی برسد. رسانایی حرارتی نسبت به سایر ترکیبات به‌استثنای الماس خالص، رسانایی الکتریکی بسیار بالا، توانایی حمل جریانی بالاتر از مس، ممان مغناطیسی بسیار بزرگ و قابلیت گسیل و جذب نور از ویژگیهای برجسته نانولولهها است. یکی از مهم‌ترین انواع نانولولهها، نانولولههای کربنی هستند. نانولولههای کربنی در ۲ گروه اصلی : تک دیواره (تک جداره)و چند دیواره (چند جداره) وجود دارند.
هدایت گرمایی قابل‌توجه نانولولهها هم‌اکنون آن‌ها را در رقابت با نانوذرات در تهیه نانوسیالها قراردادهاست. افزودن ذرات جامد فلزی یا اکسیدهای فلزی، به یک سیال سبب افزایش قابل‌توجه هدایت حرارتی سیال می‌شود. ولی به دلیل مشکلاتی که در این زمینه وجود داشت ازجمله تهنشینی بسیار سریع ذرات و عدم پایداری سوسپانسیونهای تشکیل‌شده، عملی شدن ایده افزایش انتقال حرارت با افزودن ذرات جامد به سیال تا مطرح‌شدن تهیه و تولید نانوذرات به تعویق افتاد. با ممکن شدن تهیه ذرات جامد با ابعاد نانومتری این ایده شکل عملی به خود گرفته و اکنون تحقیقات وسیعی در زمینه تهیه نانوسیال در جریان است. ویژگی نانولولههای کربنی به خصوص هدایت حرارتی آن‌ها توجه محققین را به استفاده از نانولولهها در تهیه نانوسیال معطوف کرده است. ضریب هدایت حرارتی برای نانولولههای کربنی چند جداره در حدود W/m.K 3000 و برای نانولولههای کربنی تک جداره در حدود W/m.K 600 گزارش شده است.
وجود نانولوله در یک سیال پایه می‌تواند متناسب با غلظت آن، ضریب هدایت حرارتی سیال پایه را به‌شدت افزایش داده و نسبت ضریب هدایت حرارتی نانوسیال حاوی نانولوله به ضریب هدایت حرارتی سیال پایه را به بالاتر از ۸/۱ نیز برساند. این در حالی است که افزودن نانولولههای کربنی به سیال پایه نشان‌دهنده افزایش ۴۰۰ درصدی ضریب انتقال حرارت جا به جایی نیز است.
۱-۶-۸ انتقال حرارت جا به جایی در نانوسیالات
بهینه‌سازی تجهیزات انتقال حرارت جهت رسیدن به راندمان بالاتر انرژی نیازمند تمرکز بر کوچک‌سازی تجهیزات از یک‌سو و افزایش شدت انتقال حرارت به ازای واحد سطح از سوی دیگر میباشد. سیالاتی نظیر آب، روغنهای معدنی و اتیلن گلیکول نقش زیادی در انتقال حرارت در فرآیندهای صنعتی مانند فرایندهای تولید نیرو، فرآیندهای شیمیایی، فرآیندهای سرمایش و گرمایش و میکروالکترونیک بر عهده‌دارند. خواص ضعیف انتقال حرارت سیالات متداول نظیر سیالات مذکور اولین مانع جدی در فشردهسازی و کارآمد کردن مبدلهای حرارتی است.
هدایت حرارتی برخی از جامدات نظیر فلزات چند صد برابر مایعات متداول حامل انرژی است. بر این اساس ایده بهبود و افزایش هدایت حرارتی مایعات با افزودن ذرات جامد بسیار ریز شکل گرفته است. برخی از ذرات جامد مانند ذرات فلزی، غیرفلزی. پلیمری را میتوان با مایعات مخلوط کرده و از آن‌ها سیال دوغابی شکل تهیه کرد. هرچند اگر سوسپانسیونهای حاصل محتوی ذرات با ابعاد میلی‌متر یا میکرومتر باشند مشکلاتی نظیر گرفتگی مجاری حرکت سیال، تهنشینی سریع و افت فشار بیش‌ازحد ظاهر خواهد شد و درصورتی‌که ذرات دارای اندازه نانومتری باشند مشکلات بالا بسیار کمرنگ خواهند گردید.
سیالات حامل انرژی در صنایع اغلب با حرکت در مجاری انتقال نظیر لولهها و مبدلهای حرارتی انرژی را به نقاط موردنظر منتقل مینماید. در این حالت آنچه برای مهندسین اهمیت دارد، برآورد میزان انتقال انرژی به واسط جا به جایی سیال میباشد. برای این منظور باید ضریب انتقال حرارت در فرایند موردنظر مشخص باشد تا بتوان از طریق آن میزان سطح موردنیاز برای مبادله انرژی حرارتی را محاسبه کرد. برای سیالات متداول حامل انرژی این مسئله تا حدود زیادی حل شده و روابطی برای این منظور تدوین شده است. لیکن با مطرح‌شدن استفاده از نانوسیالات در انتقال انرژی، بحث تعیین ضریب انتقال حرارت جا به جایی در این سیالات نیز به وجود آمده است.
۱-۶-۸-۱ جا به جایی اجباری در نانوسیالات
مقدار انتقال حرارت جا به جایی اجباری نتیجه حرکت توده سیال میباشد. حرکت سیال می تواند بر اثر اعمال یک نیروی خارجی، نظیر نیروی منتقل‌شده به سیال توسط پمپ ایجاد شود. به‌وسیله جا به جایی اجباری یک سیال روی یک سطح با دمایی متفاوت با دمای سیال می تواند انتقال حرارت صورت گیرد. نرخ انتقال حرارت جا به جایی توسط معادله قانون سرمایش نیوتن قابل‌محاسبه میباشد.
| (۱-۵۰) |
در رابطه بالا شار انتقال حرارت، h ضریب انتقال حرارت جا به جایی، Ts دمای سطح و T∞ دمای سیال است. در برآورد میزان حرارت مبادله شده بین سطح و سیال مهم‌ترین مسئله تعیین مقدار ضریب انتقال حرارت جا به جایی است.
۱-۶-۸-۲ مدل‌های ریاضی تعیین ضریب انتقال حرارت جا به جایی نانوسیالات
