amir_killer
عضو جدید
نانو سیالات
گروهي جديد از سيالات که قادر به انتقال حرارت ميباشند، نانوسيالناميده ميشوند. نانوسيالات به وسيلة پخش و منتشر کردن ذرات در اندازههاينانومتري در سيالات متداول منتقل کنندة گرما، به منظور افزايش هدايت گرمايي وبهبود عملکرد انتقال حرارت، ساخته ميشوند.
نتايج آزمايشهايي که در رابطه بانحوة انتقال حرارت بر روي چندين نمونة نانوسيال انجام شد، نشان ميدهد که عملکردنانوسيالات در انتقال حرارت عموماً بيشتر از آن چيزي است که به صورت نظري پيشبينيشده است. اين واقعيت يک کشف اساسي در مسئلة انتقال حرارت ميباشد.
نتايج آزمايشهايي که در رابطه بانحوة انتقال حرارت بر روي چندين نمونة نانوسيال انجام شد، نشان ميدهد که عملکردنانوسيالات در انتقال حرارت عموماً بيشتر از آن چيزي است که به صورت نظري پيشبينيشده است. اين واقعيت يک کشف اساسي در مسئلة انتقال حرارت ميباشد.
نمودار 1- درصد افزايش هدايت گرمايي ذرات مس، اکسيد مس و آلومينيمدر اتيلن گليکول (EG). همچنين نمايش افزايش هدايت گرمايي نانولولههاي کربنيچندجداره در روغن و تطبيق آن با نظريه ماکسول
از نانوسيالات ميتوان به منظور توسعة سيستمهاي کنترل حرارت دربسياري کاربردها از جمله وسايل نقلية سنگين استفاده نمود. کنترل حرارت يکي از عواملکليدي در فناوريهاي مربوط به محصولاتي مانند پيل سوختي و وسايل نقلية دوگانهسوز– الکتريکي ميباشد که بيشتر آنها تحت دماهاي عمدتاً کمتر از دماي موتورهاياحتراقي داخلي متداول، عمل ميکنند.
بنابراين نياز مبرمي به توسعة سيالاتانتقال دهندة حرارت با هدايت گرمايي خيلي بالا و نيز انتقال اين فناوري به صنايعخودرو وجود دارد.
اخيراً پژوهشهايي در مورد نانوسيالات فلزي حاوي نانوذراتِ مسِبا قطرِ کمتر از 10 نانومتر که در اتيلن گليکول پخش شده بودند انجام شده است. اينپژوهشها نشان ميدهد که در جزء حجمي بسيار اندکي از نانوذرات، رسانايي گرماييميتواند بيشتر از قابليت رسانايي صرف خود سيال و يا نانوسيالات اکسيدي (ماننداکسيد مس و اکسيد آلومنيوم با قطر متوسط ذرات 35 نانومتر) باشد. همانطور که درنمودار 1 نشان داده شده است. به علت اينکه تاکنون هيچکدام از نظريههاي معمول،اثرات ناشي از قطر ذرات و يا هدايت آنها بر روي ميزان هدايت نانوسيالات را پيشبينينکردهاند، اين نتايج غير منتظره است.
اخيراً نانوسيالاتي حاوي نانو لوله كربنيساخته شدهاند و نتايج آزمايشهاي انجام شده بر روي اين نانوسيالات نشان داده استکه وجود نانولولهها در يک سيال، هدايت گرمايي آن را بطور چشمگيري افزايش ميدهد.
جالبتر آنکه افزايش هدايت گرمايي مربوط به نانولوله يک گام از پيشبيني هايانجام شده به وسيلة نظريههاي موجود فراتر است. از اين گذشته نمودار هدايت گرمايياندازه گيري شده بر حسب حجمهاي جزئي، به صورت غيرخطي ميباشد حال آنکه تئوريهايرايج به وضوح وجود يک نسبت خطي را ميان اين دو پارامتر نشان داده بودند (نمودار 2).
از ويژگيهاي کليدي نانوسيالات که تاکنون کشف شدهاند ميتوان هدايتهايگرمايي بسيار بالاتر از آنچه که سوسپانسيونهاي مرسوم از خود نشان داده بودند، وجودنسبت غير خطي ميان هدايت گرمايي و غلظت نانولولههاي کربني در نانوسيالات و نيزوابستگي شديد هدايت گرمايي به دما و افزايش چشمگير در شار حرارتي بحراني را نامبرد. هر کدام از اين ويژگيها در جاي خود براي سيستمهاي حرارتي بسيار مطلوبميباشند و در کنار هم، نانوسيالات را بهترين کانديدا براي توليد سرد کنندههايمبتني بر مايع مينمايند. اين يافتهها همچنين وجود محدوديتهاي اساسي در مدلهايانتقال گرمايي متداول براي سوسپانسيونهاي جامد/ مايع را به وضوح نشان ميدهد.
از جمله عوامل انتقال حرارت در نانوسيالات، عبارتند از: حرکت نانوذرات، سطحمولکولي لايهاي مايع در سطح مشترک مايع با ذرات، انتقال حرارت پرتابهاي درنانوذرات و تأثير خوشهاي شدن نانوذرات از جمله عوامل انتقال حرارت در نانوسيالاتميباشند.
يک پروژة جديد با هدف کشف پارامترهاي کليدي، که در تئوريهاي موجود ومفاهيم بنيادي مکانيزمهاي افزايش انتقال حرارت نانوسيالات از قلم افتادهاند، ونيز کشف مبناي تئوري براي افزايش غير عادي هدايت گرمايي نانوسيالات در جولاي سال 2000 با حمايت وزارت انرژي آمريكا و مرکز انرژي علوم پايه به تصويب رسيد.
ساختارنانوذرات در نانوسيالات در حال بررسي و آزمايش بوسيلة منبع فوتوني پيشرفتةآزمايشگاه ملي آرگون ميباشد. بر طبق نتايج گزارش شده از دانشگاه A&M تگزاس،اين دانشگاه در حال مطالعه بر روي ارتباط بين جنبش نانوذرات و افزايش انتقال حرارتدر آنها ميباشد. با استفاده از نتايج جمعآوري شده، توسعة يک مدل جديد انتقالانرژي در نانوسيالات که وابسته به اندازة نانوذره، ساختار و تأثير پويايي بر رويخصوصيات حرارتي نانوسيالات ميباشد، امکان پذير شده است.
اين نحوة ارتباطرشتههاي مختلف علمي و پروژههاي مشترک منجر به کشف مرزهاي جديدي در تحقيقاتترموفيزيک براي طراحي و مهندسي در زمينة توليد خنککنندهها خواهد گرديد. تحقيق درمورد نانوسيالات ميتواند به يک پيشرفت غير منتظره در زمينة سيستمهاي ترکيبيمايع/جامد، براي کاربردهاي بيشمار مهندسي از جمله خنککنندههاي اتومبيلها وکاميونهاي سنگين بيانجامد.
از عمدهترين تأثيرات اين تحقيقات ميتوان به بيشترشدن کارايي انرژي، کوچکتر و سبکتر شدن سيستمهاي حرارتي، کمتر شدن هزينههايعملياتي و پاکسازي محيط زيست اشاره نمود.
بنابراين نياز مبرمي به توسعة سيالاتانتقال دهندة حرارت با هدايت گرمايي خيلي بالا و نيز انتقال اين فناوري به صنايعخودرو وجود دارد.
اخيراً پژوهشهايي در مورد نانوسيالات فلزي حاوي نانوذراتِ مسِبا قطرِ کمتر از 10 نانومتر که در اتيلن گليکول پخش شده بودند انجام شده است. اينپژوهشها نشان ميدهد که در جزء حجمي بسيار اندکي از نانوذرات، رسانايي گرماييميتواند بيشتر از قابليت رسانايي صرف خود سيال و يا نانوسيالات اکسيدي (ماننداکسيد مس و اکسيد آلومنيوم با قطر متوسط ذرات 35 نانومتر) باشد. همانطور که درنمودار 1 نشان داده شده است. به علت اينکه تاکنون هيچکدام از نظريههاي معمول،اثرات ناشي از قطر ذرات و يا هدايت آنها بر روي ميزان هدايت نانوسيالات را پيشبينينکردهاند، اين نتايج غير منتظره است.
اخيراً نانوسيالاتي حاوي نانو لوله كربنيساخته شدهاند و نتايج آزمايشهاي انجام شده بر روي اين نانوسيالات نشان داده استکه وجود نانولولهها در يک سيال، هدايت گرمايي آن را بطور چشمگيري افزايش ميدهد.
جالبتر آنکه افزايش هدايت گرمايي مربوط به نانولوله يک گام از پيشبيني هايانجام شده به وسيلة نظريههاي موجود فراتر است. از اين گذشته نمودار هدايت گرمايياندازه گيري شده بر حسب حجمهاي جزئي، به صورت غيرخطي ميباشد حال آنکه تئوريهايرايج به وضوح وجود يک نسبت خطي را ميان اين دو پارامتر نشان داده بودند (نمودار 2).
از ويژگيهاي کليدي نانوسيالات که تاکنون کشف شدهاند ميتوان هدايتهايگرمايي بسيار بالاتر از آنچه که سوسپانسيونهاي مرسوم از خود نشان داده بودند، وجودنسبت غير خطي ميان هدايت گرمايي و غلظت نانولولههاي کربني در نانوسيالات و نيزوابستگي شديد هدايت گرمايي به دما و افزايش چشمگير در شار حرارتي بحراني را نامبرد. هر کدام از اين ويژگيها در جاي خود براي سيستمهاي حرارتي بسيار مطلوبميباشند و در کنار هم، نانوسيالات را بهترين کانديدا براي توليد سرد کنندههايمبتني بر مايع مينمايند. اين يافتهها همچنين وجود محدوديتهاي اساسي در مدلهايانتقال گرمايي متداول براي سوسپانسيونهاي جامد/ مايع را به وضوح نشان ميدهد.
از جمله عوامل انتقال حرارت در نانوسيالات، عبارتند از: حرکت نانوذرات، سطحمولکولي لايهاي مايع در سطح مشترک مايع با ذرات، انتقال حرارت پرتابهاي درنانوذرات و تأثير خوشهاي شدن نانوذرات از جمله عوامل انتقال حرارت در نانوسيالاتميباشند.
يک پروژة جديد با هدف کشف پارامترهاي کليدي، که در تئوريهاي موجود ومفاهيم بنيادي مکانيزمهاي افزايش انتقال حرارت نانوسيالات از قلم افتادهاند، ونيز کشف مبناي تئوري براي افزايش غير عادي هدايت گرمايي نانوسيالات در جولاي سال 2000 با حمايت وزارت انرژي آمريكا و مرکز انرژي علوم پايه به تصويب رسيد.
ساختارنانوذرات در نانوسيالات در حال بررسي و آزمايش بوسيلة منبع فوتوني پيشرفتةآزمايشگاه ملي آرگون ميباشد. بر طبق نتايج گزارش شده از دانشگاه A&M تگزاس،اين دانشگاه در حال مطالعه بر روي ارتباط بين جنبش نانوذرات و افزايش انتقال حرارتدر آنها ميباشد. با استفاده از نتايج جمعآوري شده، توسعة يک مدل جديد انتقالانرژي در نانوسيالات که وابسته به اندازة نانوذره، ساختار و تأثير پويايي بر رويخصوصيات حرارتي نانوسيالات ميباشد، امکان پذير شده است.
اين نحوة ارتباطرشتههاي مختلف علمي و پروژههاي مشترک منجر به کشف مرزهاي جديدي در تحقيقاتترموفيزيک براي طراحي و مهندسي در زمينة توليد خنککنندهها خواهد گرديد. تحقيق درمورد نانوسيالات ميتواند به يک پيشرفت غير منتظره در زمينة سيستمهاي ترکيبيمايع/جامد، براي کاربردهاي بيشمار مهندسي از جمله خنککنندههاي اتومبيلها وکاميونهاي سنگين بيانجامد.
از عمدهترين تأثيرات اين تحقيقات ميتوان به بيشترشدن کارايي انرژي، کوچکتر و سبکتر شدن سيستمهاي حرارتي، کمتر شدن هزينههايعملياتي و پاکسازي محيط زيست اشاره نمود.
نمودار 2- مقادير اندازهگيري شده(منحني هاي پيوسته) و مقاديرپيشبيني شده(خطوط ناپيوسته) افزايش هدايت گرمايي براي نانولوله در نانوسيالاتروغن. به علت تشابه کلية مقادير محاسبه شده در حجمهاي کوچک، بعضي از مقادير محاسبهشده با مقياس بزرگتري دوباره بر روي نمودار نمايش داده شدهاند. خط A: همبستگيکروسر هاميلتون، خطB: همبستگي برادي - بونکاز
(Bonnecaze & Brady)، خط C: نظريه ماکسول
(Bonnecaze & Brady)، خط C: نظريه ماکسول
نانوسيالات و کاميون هاي پيشرفته :
به علت نياز به موتورهاييبا نيروي بيشتر، توليد کنندگان کاميون دائماً در جستجوي راههايي براي گسترشطرحهاي آيروديناميک در وسايل نقليهشان هستند. از جمله تلاشها در اين زمينه معطوفبه کاهش مقدار انرژي مورد نياز جهت مقابله با مقاومتهاي بالا ميباشد. در يککاميون سنگين معمولي، با سرعت 110 کيلومتر در ساعت، در حدود 65 درصد کل بازدهموتور، صرف غلبه بر کششهاي آيروديناميک ميشود که يکي از دلايل بزرگ اين امرمقاومت هوا ميباشد.
در سيستمهاي خنک کننده، با توجه به نوع سيال مورد استفادهرادياتورهاي متفاوتي مورد نياز است. جهت انتقال حرارت از موتور به رادياتور و درنهايت آزاد شدن اين حرارت به محيط اطراف، به کارگيري سيالات با ظرفيتهاي گرماييبالا ضروري ميباشد.
اين سيالات قادرند بدون افزايش دماي خودشان حرارت را جذب وسپس آن را بسيار آهسته و بدون نياز به مقدار سيال بيشتر به محيط اطراف منتقل نمايندکه اين انتقال آهستۀ گرما به محيط، موجب بزرگي اندازۀ رادياتورهاي وسايل نقليهمعمولي ميشود.
اگر سرعت انتقال حرارت توسط سيالات بهگونهاي افزايش يابد،طراحي رادياتورها آسان و مؤثرتر شده و ميتوان آنها را کوچکتر ساخت. همچنين اندازۀپمپهاي خنک کنندۀ وسايل نقليه ميتواند کاهش يابد. موتورهاي کاميونها نيزميتوانند به علت کارکردن تحت دماهاي بالاتر نيروي بيشتري توليد نمايند. افزايشهدايت گرمايي خنککنندهها نيز ميتواند ايدهاي مناسب براي توليد پيلهاي سوختيپيشرفته و وسايل نقليۀ دوگانه سوز/الکتريکي باشد.
محققان آزمايشگاه آرگون در حالپيدا کردن روشي براي افزايش زياد هدايت گرمايي خنک کنندهها در موتورهاي معموليبدون بروز تأثيراتي مغاير با ظرفيتهاي گرمايي آنها هستند.
بخش انرژي آزمايشگاهآرگون به طور مشترک با کمپاني Valvo Line، در حال کار در زمينۀ توسعۀ خنککنندههاينانوسيالي و روغنهاي روانساز براي موتورهاي کاميون ميباشد.
محققان آرگونهماکنون از يک روش يک مرحلهاي براي توليد نانوسيالات بر مبناي نانوذرات فلزي و يکروش دومرحلهاي براي توليد نانوسيالات بر مبناي نانوذرات اکسيدي، استفاده ميکنندکه هر دو شيوه، روشهاي نسبتاَ آسان و اقتصادي براي توليد نانوسيالات هستند.
هماکنون محققان آرگون در حال بررسي تأثير دوده در روغن موتور ميباشند. ميزاندوده در روغن موتور گاهي اوقات بيشتر از حد انتظار است. با وجود اينکه ذرات دوده بهکوچکي ذرات نانومتري موجود در نانوسيالات نيستند، محققان دريافتند تجمع آنها درروغن موتور منجر به افزايش 15 درصدي در هدايت گرمايي روغن موتور ميشود.
بر اساساين يافتهها محققان حسگري توليد نمودند که با اندازهگيري ميزان افزايش هدايتگرمايي ذرات دودۀ جمع شده در روغن موتور قادر به نشاندادن نحوۀ عملکرد موتورميباشد.
نانوسيالات فلزي و موتورهاي خنککننده :
ويژگيهاي موتورهايديزلي از نظر محدوديت در واکنشها و راندمان کار به سرعت در حال دگرگون شدن است. سيستمهاي خنککننده بايد بتوانند تحت دماهاي بالاتر کار کرده و مقادير بيشتري گرمابه محيط اطراف منتقل کنند. اندازۀ رادياتورها نيز بايد کاهش يابد تا تجهيزات اضافيکاميونها حذف شده و رفتوآمد با آنها سادهتر گردد. بهطور واقعبينانه، محصورکردن نيروي خنککنندۀ بيشتر در فضاي کمتر، تنها با به کار بردن فناوريهاي جديديمانند نانوسيالات ممکن خواهد بود.
کاربرد ديگر اين مدلسازيها، پيشبيني ميزانهدايت گرمايي يک نانوسيال بر مبناي غلظت، دماي عملياتي و اندازۀ نانوذرات پخش شدهدر سيال ميباشد. از اين گذشته اين امکان وجود دارد که خواص نانولايههايي که رويسطح نانوذرات معلق تشکيل ميشوند، عاملي براي افزايش بيشتر هدايت گرمايي نانوسيالاتمي باشد.
دو مکانيزم کليدي حرکت براوني و نانولايهها، توأماً از مهمترينعوامل افزايش هدايت گرمايي سيالات انتقال دهندۀ گرما ميباشند.
محققان آزمايشگاهآرگون در حال بررسي خطرات احتمالي نانوسيالات براي سيستم هاي رادياتور ميباشند. آنها موفق به ساخت وسيلهاي شدند که قادر به اندازهگيري و آزمايش تأثيرجريانهايخنک کنندۀ متفاوت بر عملکرد يک رادياتور ميباشد.
تحقيقات آينده بيشتر بر رويجنس نانوذرات به کاررونده در ساخت نانوسيالات از جمله ذرات آلومينيوم و نانوذراتاکسيد فلزي روکش شده متمرکز خواهد شد.
به علت نياز به موتورهاييبا نيروي بيشتر، توليد کنندگان کاميون دائماً در جستجوي راههايي براي گسترشطرحهاي آيروديناميک در وسايل نقليهشان هستند. از جمله تلاشها در اين زمينه معطوفبه کاهش مقدار انرژي مورد نياز جهت مقابله با مقاومتهاي بالا ميباشد. در يککاميون سنگين معمولي، با سرعت 110 کيلومتر در ساعت، در حدود 65 درصد کل بازدهموتور، صرف غلبه بر کششهاي آيروديناميک ميشود که يکي از دلايل بزرگ اين امرمقاومت هوا ميباشد.
در سيستمهاي خنک کننده، با توجه به نوع سيال مورد استفادهرادياتورهاي متفاوتي مورد نياز است. جهت انتقال حرارت از موتور به رادياتور و درنهايت آزاد شدن اين حرارت به محيط اطراف، به کارگيري سيالات با ظرفيتهاي گرماييبالا ضروري ميباشد.
اين سيالات قادرند بدون افزايش دماي خودشان حرارت را جذب وسپس آن را بسيار آهسته و بدون نياز به مقدار سيال بيشتر به محيط اطراف منتقل نمايندکه اين انتقال آهستۀ گرما به محيط، موجب بزرگي اندازۀ رادياتورهاي وسايل نقليهمعمولي ميشود.
اگر سرعت انتقال حرارت توسط سيالات بهگونهاي افزايش يابد،طراحي رادياتورها آسان و مؤثرتر شده و ميتوان آنها را کوچکتر ساخت. همچنين اندازۀپمپهاي خنک کنندۀ وسايل نقليه ميتواند کاهش يابد. موتورهاي کاميونها نيزميتوانند به علت کارکردن تحت دماهاي بالاتر نيروي بيشتري توليد نمايند. افزايشهدايت گرمايي خنککنندهها نيز ميتواند ايدهاي مناسب براي توليد پيلهاي سوختيپيشرفته و وسايل نقليۀ دوگانه سوز/الکتريکي باشد.
محققان آزمايشگاه آرگون در حالپيدا کردن روشي براي افزايش زياد هدايت گرمايي خنک کنندهها در موتورهاي معموليبدون بروز تأثيراتي مغاير با ظرفيتهاي گرمايي آنها هستند.
بخش انرژي آزمايشگاهآرگون به طور مشترک با کمپاني Valvo Line، در حال کار در زمينۀ توسعۀ خنککنندههاينانوسيالي و روغنهاي روانساز براي موتورهاي کاميون ميباشد.
محققان آرگونهماکنون از يک روش يک مرحلهاي براي توليد نانوسيالات بر مبناي نانوذرات فلزي و يکروش دومرحلهاي براي توليد نانوسيالات بر مبناي نانوذرات اکسيدي، استفاده ميکنندکه هر دو شيوه، روشهاي نسبتاَ آسان و اقتصادي براي توليد نانوسيالات هستند.
هماکنون محققان آرگون در حال بررسي تأثير دوده در روغن موتور ميباشند. ميزاندوده در روغن موتور گاهي اوقات بيشتر از حد انتظار است. با وجود اينکه ذرات دوده بهکوچکي ذرات نانومتري موجود در نانوسيالات نيستند، محققان دريافتند تجمع آنها درروغن موتور منجر به افزايش 15 درصدي در هدايت گرمايي روغن موتور ميشود.
بر اساساين يافتهها محققان حسگري توليد نمودند که با اندازهگيري ميزان افزايش هدايتگرمايي ذرات دودۀ جمع شده در روغن موتور قادر به نشاندادن نحوۀ عملکرد موتورميباشد.
نانوسيالات فلزي و موتورهاي خنککننده :
ويژگيهاي موتورهايديزلي از نظر محدوديت در واکنشها و راندمان کار به سرعت در حال دگرگون شدن است. سيستمهاي خنککننده بايد بتوانند تحت دماهاي بالاتر کار کرده و مقادير بيشتري گرمابه محيط اطراف منتقل کنند. اندازۀ رادياتورها نيز بايد کاهش يابد تا تجهيزات اضافيکاميونها حذف شده و رفتوآمد با آنها سادهتر گردد. بهطور واقعبينانه، محصورکردن نيروي خنککنندۀ بيشتر در فضاي کمتر، تنها با به کار بردن فناوريهاي جديديمانند نانوسيالات ممکن خواهد بود.
کاربرد ديگر اين مدلسازيها، پيشبيني ميزانهدايت گرمايي يک نانوسيال بر مبناي غلظت، دماي عملياتي و اندازۀ نانوذرات پخش شدهدر سيال ميباشد. از اين گذشته اين امکان وجود دارد که خواص نانولايههايي که رويسطح نانوذرات معلق تشکيل ميشوند، عاملي براي افزايش بيشتر هدايت گرمايي نانوسيالاتمي باشد.
دو مکانيزم کليدي حرکت براوني و نانولايهها، توأماً از مهمترينعوامل افزايش هدايت گرمايي سيالات انتقال دهندۀ گرما ميباشند.
محققان آزمايشگاهآرگون در حال بررسي خطرات احتمالي نانوسيالات براي سيستم هاي رادياتور ميباشند. آنها موفق به ساخت وسيلهاي شدند که قادر به اندازهگيري و آزمايش تأثيرجريانهايخنک کنندۀ متفاوت بر عملکرد يک رادياتور ميباشد.
تحقيقات آينده بيشتر بر رويجنس نانوذرات به کاررونده در ساخت نانوسيالات از جمله ذرات آلومينيوم و نانوذراتاکسيد فلزي روکش شده متمرکز خواهد شد.