اشنایی با نانو سیال ها

 گروهی جدید از سیالات که قادر به انتقال حرارت می‌باشند، نانوسیال نامیده می‌شوند. نانوسیالات به ‌وسیلة پخش و منتشر کردن ذرات در اندازه‌های نانومتری در سیالات متداول منتقل کنندة گرما، به ‌منظور افزایش هدایت گرمایی و بهبود عملکرد انتقال حرارت، ساخته می‌شوند.  نتایج آزمایش‌هایی که در رابطه با نحوة انتقال حرارت بر روی چندین نمونة نانوسیال انجام شد، نشان می‌دهد که عملکرد نانوسیالات در انتقال حرارت عموماً بیشتر از آن چیزی است که به ‌صورت نظری پیش‌بینی شده است. این واقعیت یک کشف اساسی در مسئلة انتقال حرارت می‌باشد.    

همچنین نمایش افزایش هدایت گرمایی نانولوله‌های کربنی چندجداره در روغن و تطبیق آن با نظریه ماکسول    از نانوسیالات می‌توان به ‌منظور توسعة سیستم‌های کنترل حرارت در بسیاری کاربردها از جمله وسایل نقلیة سنگین استفاده نمود. کنترل حرارت یکی از عوامل کلیدی در فناوری‌‌های مربوط به محصولاتی مانند پیل‌ سوختی و وسایل نقلیة دوگانه سوز– الکتریکی می‌باشد که بیشتر آنها تحت دماهای عمدتاً کمتر از دمای موتورهای احتراقی داخلی متداول، عمل می‌کنند.  بنابراین نیاز مبرمی به توسعة سیالات انتقال ‌دهندة حرارت با هدایت گرمایی خیلی بالا و نیز انتقال این فناوری به صنایع خودرو وجود دارد. اخیراً پژوهش‌هایی در مورد نانوسیالات فلزی حاوی نانوذراتِ مسِ با قطرِ کمتر از 10 نانومتر که در اتیلن گلیکول پخش شده بودند انجام شده است. این پژوهش‌ها نشان می‌دهد که در جزء حجمی بسیار اندکی از نانوذرات، رسانایی گرمایی می‌تواند بیشتر از قابلیت رسانایی صرف خود سیال و یا نانوسیالات اکسیدی (مانند اکسید مس و اکسید آلومنیوم با قطر متوسط ذرات 35 نانومتر) باشد. همان‌طور که در نمودار 1 نشان داده شده است. به علت اینکه تاکنون هیچکدام از نظریه‌های معمول، اثرات ناشی از قطر ذرات و یا هدایت آنها بر روی میزان هدایت نانوسیالات را پیش‌بینی نکرده‌اند، این نتایج غیر منتظره است. اخیراً نانوسیالاتی حاوی نانو لوله کربنی ساخته شده‌اند و نتایج آزمایش‌های انجام شده بر روی این نانوسیالات نشان داده است که وجود نانولوله‌ها در یک سیال، هدایت گرمایی آن را بطور چشمگیری افزایش می‌دهد.  جالبتر آنکه افزایش هدایت گرمایی مربوط به نانولوله یک گام از پیش‌بینی ‌های انجام شده به وسیلة نظریه‌‌های موجود فراتر است. از این گذشته نمودار هدایت گرمایی اندازه ‌گیری شده بر حسب حجم‌های جزئی، به ‌صورت غیرخطی می‌باشد حال آنکه تئوری‌های رایج به وضوح وجود یک نسبت خطی را میان این دو پارامتر نشان داده بودند (نمودار 2).  از ویژگی‌های کلیدی نانوسیالات که تاکنون کشف شده‌‌اند می‌توان هدایت‌های گرمایی بسیار بالاتر از آنچه که سوسپانسیون‌های مرسوم از خود نشان داده بودند، وجود نسبت غیر خطی میان هدایت گرمایی و غلظت نانولوله‌های کربنی در نانوسیالات و نیز وابستگی شدید هدایت گرمایی به دما و افزایش چشمگیر در شار حرارتی بحرانی را نام برد. هر کدام از این ویژگی‌ها در جای خود برای سیستم‌های حرارتی بسیار مطلوب می‌باشند و در کنار هم، نانوسیالات را بهترین کاندیدا برای تولید سرد کننده‌های مبتنی بر مایع می‌نمایند. این یافته‌ها همچنین وجود محدودیت‌های اساسی در مدل‌های انتقال گرمایی متداول برای سوسپانسیون‌های جامد/ مایع را به وضوح نشان می‌دهد.  از جمله عوامل انتقال حرارت در نانوسیالات، عبارتند از: حرکت نانوذرات، سطح مولکولی لایه‌ای مایع در سطح مشترک مایع با ذرات، انتقال حرارت پرتابه‌ای در نانوذرات و تأثیر خوشه‌ای شدن نانوذرات از جمله عوامل انتقال حرارت در نانوسیالات می‌باشند. یک پروژة جدید با هدف کشف پارامترهای کلیدی، که در تئوری‌های موجود و مفاهیم بنیادی مکانیزم‌های افزایش انتقال حرارت نانوسیالات از قلم افتاده‌اند، و نیز کشف مبنای تئوری برای افزایش غیر عادی هدایت گرمایی نانوسیالات در جولای سال 2000 با حمایت وزارت انرژی آمریکا و مرکز انرژی علوم پایه به تصویب رسید. ساختار نانوذرات در نانوسیالات در حال بررسی و آزمایش بوسیلة منبع فوتونی پیشرفتة آزمایشگاه ملی آرگون می‌باشد. بر طبق نتایج گزارش شده از دانشگاه A&M تگزاس، این دانشگاه در حال مطالعه بر روی ارتباط بین جنبش نانوذرات و افزایش انتقال حرارت در آنها می‌باشد. با استفاده از نتایج جمع‌آوری شده، توسعة یک مدل جدید انتقال انرژی در نانوسیالات که وابسته به اندازة نانوذره، ساختار و تأثیر پویایی بر روی خصوصیات حرارتی نانوسیالات می‌باشد، امکان پذیر شده است. این نحوة ارتباط رشته‌های مختلف علمی و پروژه‌های مشترک منجر به کشف مرزهای جدیدی در تحقیقات ترموفیزیک برای طراحی و مهندسی در زمینة تولید خنک‌کننده‌ها خواهد گردید. تحقیق در مورد نانوسیالات می‌تواند به یک پیشرفت غیر منتظره در زمینة سیستم‌های ترکیبی مایع/جامد، برای کاربردهای بی‌شمار مهندسی از جمله خنک‌کننده‌های اتومبیل‌ها و کامیون‌های سنگین بیانجامد. از عمده‌ترین تأثیرات این تحقیقات می‌توان به بیشتر شدن کارایی انرژی، کوچک‌تر و سبک‌تر شدن سیستم‌های حرارتی، کمتر شدن هزینه‌های عملیاتی و پاک‌سازی محیط زیست اشاره نمود.  www.iran-stu.com نمودار 2- مقادیر اندازه‌گیری شده(منحنی ‌های پیوسته) و مقادیر پیش‌بینی شده(خطوط ناپیوسته) افزایش هدایت گرمایی برای نانولوله در نانوسیالات روغن. به علت تشابه کلیة مقادیر محاسبه شده در حجم‌های کوچک، بعضی از مقادیر محاسبه شده با مقیاس بزرگ‌تری دوباره بر روی نمودار نمایش داده شده‌اند.   خط A: همبستگی کروسر هامیلتون،  خطB: همبستگی برادی - بونکاز(Bonnecaze & Brady) خط C: نظریه ماکسول     نانوسیالات و کامیون های پیشرفته : به علت نیاز به موتورهایی با نیروی بیشتر، تولید کنندگان کامیون دائماً در جستجوی راه‌هایی برای گسترش طرح‌های آیرودینامیک در وسایل نقلیه‌شان هستند. از جمله تلاش‌ها در این زمینه معطوف به کاهش مقدار انرژی مورد نیاز جهت مقابله با مقاومت‌های بالا می‌باشد. در یک کامیون سنگین معمولی، با سرعت 110 کیلومتر در ساعت، در حدود 65 درصد کل بازده موتور، صرف غلبه بر کشش‌های آیرودینامیک می‌شود که یکی از دلایل بزرگ این امر مقاومت هوا می‌باشد. در سیستم‌های خنک کننده، با توجه به نوع سیال مورد استفاده رادیاتورهای متفاوتی مورد نیاز است. جهت انتقال حرارت از موتور به رادیاتور و در نهایت آزاد شدن این حرارت به محیط اطراف، به کارگیری سیالات با ظرفیت‌های گرمایی بالا ضروری می‌باشد.  این سیالات قادرند بدون افزایش دمای خودشان حرارت را جذب و سپس آن را بسیار آهسته و بدون نیاز به مقدار سیال بیشتر به محیط اطراف منتقل نمایند که این انتقال آهستۀ گرما به محیط، موجب بزرگی اندازۀ رادیاتورهای وسایل نقلیه معمولی می‌شود. اگر سرعت انتقال حرارت توسط سیالات به‌گونه‌ای افزایش یابد، طراحی رادیاتورها آسان و مؤثرتر شده و می‌توان آنها را کوچکتر ساخت. همچنین اندازۀ پمپ‌‌های خنک کنندۀ وسایل نقلیه می‌تواند کاهش یابد. موتورهای کامیون‌ها نیز می‌توانند به علت کارکردن تحت دماهای بالاتر نیروی بیشتری تولید نمایند. افزایش هدایت گرمایی خنک‌کننده‌ها نیز می‌تواند ایده‌ای مناسب برای تولید پیل‌های سوختی پیشرفته و وسایل نقلیۀ دوگانه سوز/الکتریکی باشد. محققان آزمایشگاه آرگون در حال پیدا کردن روشی برای افزایش زیاد هدایت گرمایی خنک کننده‌ها در موتورهای معمولی بدون بروز تأثیراتی مغایر با ظرفیت‌های گرمایی آنها هستند.  بخش انرژی آزمایشگاه آرگون به طور مشترک با کمپانی Valvo Line، در حال کار در زمینۀ توسعۀ خنک‌کننده‌های نانوسیالی و روغن‌های روان‌ساز برای موتورهای کامیون می‌باشد. محققان آرگون هم‌اکنون از یک روش یک مرحله‌ای برای تولید نانوسیالات بر مبنای نانوذرات فلزی و یک روش دومرحله‌ای برای تولید نانوسیالات بر مبنای نانوذرات اکسیدی، استفاده می‌کنند که هر دو شیوه، روش‌های نسبتاَ آسان و اقتصادی برای تولید نانوسیالات هستند.  هم‌اکنون محققان آرگون در حال بررسی تأثیر دوده در روغن موتور می‌باشند. میزان دوده در روغن موتور گاهی اوقات بیشتر از حد انتظار است. با وجود اینکه ذرات دوده به کوچکی ذرات نانومتری موجود در نانوسیالات نیستند، محققان دریافتند تجمع آنها در روغن موتور منجر به افزایش 15 درصدی در هدایت گرمایی روغن موتور می‌شود. بر اساس این یافته‌ها محققان حسگری تولید نمودند که با اندازه‌گیری میزان افزایش هدایت گرمایی ذرات دودۀ جمع شده در روغن موتور قادر به نشان‌دادن نحوۀ عملکرد موتور می‌باشد.  نانوسیالات فلزی و موتورهای خنک‌کننده : ویژگی‌های موتورهای دیزلی از نظر محدودیت در واکنش‌ها و راندمان کار به سرعت در حال دگرگون شدن است. سیستم‌های خنک‌کننده باید بتوانند تحت دماهای بالاتر کار کرده و مقادیر بیشتری گرما به محیط اطراف منتقل کنند. اندازۀ رادیاتورها نیز باید کاهش یابد تا تجهیزات اضافی کامیون‌ها حذف شده و رفت‌و‌آمد با آنها ساده‌تر گردد. به‌طور واقع‌بینانه، محصور کردن نیروی خنک‌کنندۀ بیشتر در فضای کمتر، تنها با به کار بردن فناوری‌‌های جدیدی مانند نانوسیالات ممکن خواهد بود. کاربرد دیگر این مدل‌سازی‌ها، پیش‌بینی میزان هدایت گرمایی یک نانوسیال بر مبنای غلظت، دمای عملیاتی و اندازۀ نانوذرات پخش شده در سیال می‌باشد. از این گذشته این امکان وجود دارد که خواص نانولایه‌هایی که روی سطح نانوذرات معلق تشکیل می‌شوند، عاملی برای افزایش بیشتر هدایت گرمایی نانوسیالات می باشد.  دو مکانیزم کلیدی حرکت براونی و نانولایه‌ها، توأماً از مهم‌ترین عوامل افزایش هدایت گرمایی سیالات انتقال دهندۀ گرما می‌باشند. محققان آزمایشگاه آرگون در حال بررسی خطرات احتمالی نانوسیالات برای سیستم های رادیاتور می‌باشند. آنها موفق به ساخت وسیله‌ای شدند که قادر به اندازه‌گیری و آزمایش تأثیرجریان‌های خنک کنندۀ متفاوت بر عملکرد یک رادیاتور می‌باشد. تحقیقات آینده بیشتر بر روی جنس نانوذرات به کار‌‌رونده در ساخت نانوسیالات از جمله ذرات آلومینیوم و نانوذرات اکسید فلزی روکش شده متمرکز خواهد شد.   برگرفته از کانون توسعه و پژوهش مکانیک