نانو فناوری دانش و فنی است که اخیراً توجه زیادی را به خود معطوف کرده است . این فناوری که یک رویکرد جدید در تمامی رشته هاست ، توانایی تولید مواد ، ابزار و سیستم های نوین را با دست کاری در سطوح اتمی و مولکولی دارد . امروززه حوزة کاربردی این فناوری در علوم پزشکی ، فناوری زیستی ، مواد ، فیزیک ،مکانیک برق ، اللکترونیک و شیمی ،به حدی است که می توان از آن به عنوان یکی از انقلاب های بزرگ علمی دنیا نام دارد . از این فناوری به عنوان انقلاب صنعتی و علمی قرن بیست و یکم یاد می کنند . تقریباً 40 درصد کل شرکت های فعال در زمینة مواد نانو ساختار به تولید یا مصرف نانو ذرات مشغول اند.
پیشوند نانو به معنای یک میلیاردم(9-10) است . بنابراین ، نانو فناوری در حوزه هایی کار می کند که در آن ها ابعاد در محدودة نانومتر است . تعاریف علم و نانوفناوری صرف نظر از ابعادش ، به صورت زیر بیان شده است .
نانو علم
مطالعة پدیده ها و دستکاری مواد در مقیاس اتمی و مولکوی که در این مقیاس کوچک خصوصیات مواد با ویژگی هایشان در مقیاس بزرگ متفاوت است .
نانو فناوری
طراحی ، شناسایی ،تولید و کاربرد ساختارها ، طرح ها و سامانه ها با استفاده از کنترل شکل و اندازة مواد در مقیاس نانو .
نانو ذرات
کاربردهای صنعتی نانو ذرات متنوع است . برای نمونه ، اخیراً از نانو ذرات رُسی در ساخت کامپوزیت های مورد مصرف در صنایع خودروسازی و بسته بندی استفاده می شود . از آنجا که استحکام این کامپوزیت ها در مقایسه با پلیمرهای متداول به مراتب بیشتر است ، به کارگیری این مواد در صنعت خودرو به میزان قابل توجهی از مصرف سوخت و در نتیجه تولید و انتشار دی اکسیدکربن می کاهد .
زمینه های مختلف کاربرد نانو ذرات در صنعت
ثبت شده : کاتالیست های خودرو ، انرژی /نیرو، دارویی، مهندسی
- تقویت سازه ای پلیمرها و کامپوزیت
- پوشش های مقاوم بر حرارت
- ابزارهای کوچک برش بر پایة کاربیدتنگستن
- تایرهای اتومبیل
- کاتالیست ها
- آلیاژهای آلومینیم نانو ساختار
- جوهرهای هادی و مغناطیسی
هم اکنون از نانوذرات میکرونی آلومینیم برای بهبود احتراق و انتقال حرارت در سوخت راکت ها استفاده می شود .اگر از نانو ذرات آلومینیم استفاده شود ، با توجه به سطح زیاد ذرات انتظار داریم که احتراق و انتقال حرارت بهتر انجام شود . نانو ذرات آهن نیز دارای خواص مشابهی هستند ، اگر چه انرژی کمتری آزاد می کنند .
هدایت حرارتی در نانو ذرات
مطالعة هدایت درنانو ذرات منفرد بسیار مشکل است زیرا وسایل و تجهیزات لازم برای این منظور در اختیار نیست معمولاً رفتار هدایتی این ذرات را به صورت آرایه های منظمی که در کنار هم قرار گرفته اند ، بررسی می کنند . برای این منظور لازم است نانو ذرات با ابعاد مشخص را در داخل یک مایع یا پلیمر توزیع کرد .
در مورد هدایت حرارتی نانو ذرات رفتار مشابهی مشاهده شده است . برای مطالعة رفتار در این حالت ، نانو ذرات در داخل یک مایع یا پلیمر توزیع می شود . عملیات گرم کردن توسط باریکه ای از لیزرهای پالسی با ثابت زمانی بسیار کم (کمتر از پیکوثانیه )انجام می شود . مطالعات نشان داده اند که ثابت زمانی سرد شدن ذرات به اندازة آنها بستگی زیادی دارد .
تأثیر نانو ذرات اکسید آلومینیم در سیال پایه روی سیستم انتقال حرارت مبدل حرارتی دو لوله ای
این تحقیق به منظورمطالعه ضریب انتقال حرارت جابهجایی نانو ذرات ساخته شده از نانو ذرات اکسید آلومینیم معلق در روغن مبدل که در یک مبدل حرارتی دو لوله های تحت رژیم جریان دارد صورت پذیرفته است . نانو ذرات موجب افزایش قابل ملاحظه ای در ضریب انتقال حرارت شده اند . اگر چه ضریب هدایت حرارتی اکسید آلومینیم خیلی بالا است اما نسبت به سیال پایه دارای هدایت حرارتی به مراتب بالاتری می باشد . نانو ذرات آزمایش شده خواص حرارتی خوبی از خود نشان دادند . یکی از دلایل احتمالی افزایش انتقال حرارت نانو ذرات می تواند تراکم بالای نانو ذرات در لایه مرزی حرارتی سمت دیواره ناشی از پدیده مهاجرت ذرات باشد . برای درک بهتر افزایش انتقال حرارت نانو ذرات روابط تجربی جدیدی نیز برای نانو ذرات روغن مبدل- اکسید آلومینیم پیشنهاد شد .
افزودن ذرات جامد درون سیال انتقال حرارتی ، به عنوان یکی از روشهای مفید بالا بردن خواص انتقال حرارت می شود . اما استفاده از ذرات درشت در سایز میکرومتر و میلی متر مشکلاتی همچون خوردگی ، انسداد مجاری ، افت فشار بالا و ته نشینی ذرات را در پی داشته است . در مقایسه با افزایش انتقال حرارت ناشی از ذرات معلق درشت اندازه ، استفاده از نانو ذرات در سیال پایه خواص حرارتی بهتری را از خود نشان میدهند. معمولاَ ذرات در سایز نانومتر و در غلظت های بسیار پایین مورد استفاده قرار می گیرند که این امر از ته نشینی ذرات در جریان و انسداد کانالها جلوگیری میکند.
از این نقطه نظر مطالعاتی در زمینه انتقال حرارت نانو ذرات صورت پذیرقته است. از زمانی که choi افزایش انتقال حرارت مشاهده شده است تلاشهای دیگری نیز در جهت درک بهتر تغییرات ضریب انتقال حرارت در مبدل های حرارتی صورت گرفته است (10) ،ضریب انتقال حرارت نانو ذرات با تراکم حجمی ذرات بسیار پایین، نسبت به سیال پایه بسیا ربالاتر است .از طرف دیگر تغییرات ضریب اصطکاک و گران روی سیال بسیار پایین گزارش شده است. علی رغم پتانسیل بالای نانو ذرات ،هنوز در ابتدای راه تحقیقات هستیم و نیاز به تحقیقات بیشتر روی تاثیر نانو ذرات روی انتقال حرارت سیالات احساس میشود.
در این راستا به دست آوردن داده های تجربی برای سیالات حاوی انواع مختلف ذرات در اندازه نانو ضروری به نظر میرسد. افزون بر این ، عوامل مهم دیگری همچونن ساختار سطح و شکل نانو ذرات، توزیع نامنظم ذرات و حرکت نانو ذرات در جریان وجود دارند که نقش مهمی در انتقال حرارت نانو ذرات بازی میکنند. واضح است که برای پیش بینی صحیح خواص انتقال حرارتی نانو ذرات نیازمند مطالعات و تحقیقات بیشتری هستیم . تجهیزات آزمایشگاهی گوناگون برای اندازه گیری ضریب انتق ال حرارت سیالات حاوی ذرات نانو متری ساخته شده است . تحلیل های تجربی نیز برای تأثیر نانو ذرات اکسید آلومینیم روی انتقال حرارت مبدل های حرارتی دو لوله ای صورت پذیرفته است . ذرات اکسید آلومینیم کاربردهای وسیعی همچون پوشش دهی ، کاتالیست ( Catalyst) و جاذب بودن دارند .
از دو مبدل حرارتی دو لوله ای یک برای سرمایش و دیگری برای نانو ذرات ، یک پمپ سیرکلاسیون ، تانک ذخیره محلول و یک دستگاه اندازه گیری جریان جرمی تشکیل شده است . قسمت آزمایش از یک لوله فولادی ضد زنگ (SS304 ) به طول 5 متر ، قطر داخلی 0/00635 متر و قطر خارجی 0/0127 متر تشکیل شده است . کل اجزای مبدل های حرارتی دو لوله ای از جنس فولاد ضد زنگ مقاوم در برابر خوردگی در برابر ضخامت یک میلیمتر ساخته شده است . هشت عدد ترموکوپل از نوع k در قسمت ورودی و خروجی لوله های سیال آب داغ و نانو ذرات قرار داده شده اند .
آب داغ به عنوان سیال گرم و نانو ذرات به عنوان سیال سرد در نظر گرفته شده است . قبل از آنکه نانو ذرات وارد قسمت آزمایش گردد نرخ دما و جریان ورودی آن با استفاده از یک حمام آب خنک و همچنین یک شیر بای پس که در خروجی پمپ نصب شده است کنترل می گردد . تمامی دماها و نرخ های جریان اندازه گیری شده توسط ترموکوپل ها و جریان سنج ها ، با استفاده از سیستم کامپیوتری ثبت داده ها ذخیره می گردد .
سه نوع نانو ذرات اکسید آلومینیم در این تحقیق که در زمینه خواص انتقال حرارت جابه جایی نانو ذرات می باشد استفاده شده است .
سه نمونه متفاوت اکسید آلومینیم AR,AK و AF توسط سازندگان مختلف تولید شده اند که از لحاظ خواص سطح، شکل و اندازه با هم تفاوت دارند و بعنوان نانو ذرات بکار گرفته شده اند .خواص این نانو ذرات نانو سیالات حاصل شده از آنها در جدول 1 و 2 ذکر شده است .
| اکسید آلومینیم | AK | AR | AF |
| شرکت سازنده | Degussa | N&A Materials | |
| اندازه (nm) | 43 | 27-43 | 7 |
| شکل | کروی | کروی | میله ای با ضریب وجه 50-200 |
| سطح | آبگریز | آبدوست | آبدوست |
| ظرفیت حرارتی (K.J/KGK) | 20 | 20 | 20 |
| چگالی (Kg/m3) | 3970 | 3970 | 3970 |
| هدایت حرارتی (w/mk) | 36 | 36 | 36 |
| مایع | گرانروی (Pa.s) | ظرفیت حرارتی (Kj/kg.k) | چگالی (kg/m3) | هدایت حرارتی (w/mk) | توضیحات |
| روغن مبدل | 0/0141 | 2/1 | 900 | 0/112 | |
| 0/0143 | 2/49 | 915 | 0/114 | محاسبه شده | |
| 0/0145 | 2/49 | 915 | 0/116 | محاسبه شده | |
| 0/0151 | 2/49 | 915 | 0/117 | محاسبه شده |
شکل 2 نشان دهنده گرانروی نانو ذرات به عنوان تابعی از تراکم حجمی دره باشد . از نتایج آن ، شیب محاسبه می گردد . برای نانو ذرات اکسید آلومینیم AK ، شیب گرانروی نسبی به تراکم حجمی ذره (a) برابر با 5/3 می باشد . نهایتاً هدایت حرارتی مؤثر نانو ذرات با استفاده از معادله 12 محاسبه گردید .
چندین مکانیسم برای افزایش هدایت حرارتی نانو ذرات وجود دارد . ایجاد لایه سیال روی سطح نانو ذرات ، حرکت بروانی ، دسته بندی نانو ذرات ،انتقال پرتابه ای فونونها در نانو ذرات و غیره از جمله این مکانیسم ها هستند . اضافه بر این موارد ، مکانیسم مهم دیگری نیز وجود دارد که همان تراکم غیر یکنواخت ذرات در مقطع عرضی لوله می باشد .
تراکم نانو ذرات در سمت دیواره لوله بسیار بیشتر از میکروذرات می باشد .مفهوم این مطلب این است که افزایش هدایت حرارتی سیال با افزایش نانو ذرات در سمت دیواره لوله بسیار بالاتر از زمانی است که میکروذرات استفاده شوند . این افزایش در هدایت حرارتی می تواند باعث افزایش ضریب انتقال حرارت در لایه مرزی گرمایی در نزدیکی دیواره لوله گردد . از طرفی دیگر از آنجا که میکروذرات تمایل دارند به سمت مرکز لوله حرکت کنند ، افزایش هدایت حرارتی سوسپانسیون میکروذرات در لایه مرزی گرمایی کمتر است . بنابراین ضریب انتقال حرارت تغییر زیادی نخواهد کرد .
جمع بندی نهایی
در این تحقیق به بررسی انتقال حرارت جابجایی نانو ذرات ساخته شده نانو ذرات اکسید آلومینیم تحت شرایط جریان آرام در یک لوله مدور پرداختیم . نتایج آزمایشگاهی نشان داد که افزودن نانوذرات در سیال ، ضریب میانگین انتقال حرارت سیستم را در رژیم جریان آرام افزایش می دهد . خواص سطحی نانو ذرات ، تراکم و شکل ذرات از عوامل کلیدی هستند که خواص انتقال حرارت نانو ذرات را بهبود می بخشند . این افزایش ضریب انتقال حرارت ممکن است بخاطر تراکم بالای نانو ذرات در سمت دیواره لوله و ناشی از پدیده مهاجرت ذرات باشد . البته برای شناخت بیشتر خواص انتقال حرارتی نانو ذرات و بدست آوردن روابط دیگر به تحقیقات گسترده تری نیاز است .