پایان نامه با کلید واژه های رسانایی، گرمایی، افزایش، نانوسیال

افزایش ضخامت لایه سیال ضریب رسانش حرارتی نیز افزایش مییابد (شکل 2-7-الف). کبلینسکی و همکاران [17] 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 2-7-ب). در این اشکال، d بیان کننده ضخامت لایه سیال و rp بیان کننده شعاع نانوذرات است. شکل نشان میدهند که با افزایش لایه سیال اطراف نانوذرات و یا کاهش شعاع ذرات نانو ضریب رسانش حرارتی افزایش مییابد.

الف)
ب)
شکل 2-7- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی موثر نسبت به ضخامت لایه سیال پیرامون نانوذرات [16 و 17].

2-4-8- دما
ضریب رسانش حرارتی موثر و حرکت براونی نانوسیال با دما افزایش مییابد. چوی و همکاران [12] با انجام آزمایش تجربی روی مخلوط آلومینیوم-آب چگونگی تغییرات ضریب رسانش حرارتی با دما را نشان دادند. شکل (2-8) نشان میدهد که با افزایش دمای نانوسیال ضریب رسانش حرارتی نانوسیال نسبت به سیال پایه افزایش مییابد.

شکل 2-8- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی موثر نسبت به دما برای مخلوط آلومینیوم-آب [12]
2-5- انواع نانو ذرات
نانو ذرات به سه دسته نانو سیالات سرامیکی، نانو سیالات فلزی و نانو سیالات حاوی نانو لوله های کربنی و پلیمری تقسیم می شود که به اختصار به معرفی آنها پرداخته می شود.
2-5-1- نانو سیالات سرامیکی
نانو سیالات سرامیکی اولین نوعی بود که توسط گروه 29ANL ساخته شد. اولین تحقیق در این زمینه اندازه گیری رسانایی سیالاتی بود که شامل ذرات AL2O3و Cuo در آب و اتیلن گلیکول بودند ]18[. آنها از درصد حجمی %5-1 استفاده کردند و مشاهد شد وقتی اتیلن گلیکول استفاده می شود یک افزایش 20% با نسبت حجمی 4% CuO بدست می آید، افزایش رسانایی وقتی از آب استفاده شد کمتر بود یک افزایش 12% با نسبت حجمی 5/3% CuO.
مدل ماکسول اصلی به صورت زیر است ]1[:
(2-2)

در هر دو مدل، 30Keff: رسانایی گرمایی مؤثر، Kf: رسانایی گرمایی سیال، Ks: رسانایی گرمایی ذرات جامد، n: فاکتور ضریب شکل (برای کره 3 و برای سیلندر 6) و نسبت حجمی نانو ذرات.
ژی و همکارانش ]19[ رسانایی گرمایی نانو سیال شامل Al2o3با ذرات ریزتر از (nm2/3- 2/1) را اندازه گیری کردند. آنها علاوه بر اثر سیال پایه اثر اندازه ذره را نیز دیدند. بنابراین مشخص شد که ذرات اکسید سرامیکی که خود رسانایی گرمایی بالایی ندارند، می توانند باعث افزایش رسانایی گرمایی نانو سیالات شوند. دلیل اصلی که باعث شده تحقیقات زیادی درباره نانوسیالات با ذرات اکسیدی انجام شود در دسترس بودن آنهاست.
مورشد و همکاران [20]، به بررسی اثر شکل هندسی ذرات نانوی TiO2 در سیال پایهی آب روی ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال پرداختند. در این کار از ذرات نانو به شکل کروی با قطر nm15 و به شکل غیر کروی با ابعاد nm10× 40 استفاده کردند. مشاهدات نشان میدهد که حدود 33 درصد برای ذرات غیر کروی و 30 درصد برای ذرات کروی، ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال افزایش یافته است.
2-5-2- نانو سیالات فلزی
با اینکه پتانسیل نانو سیالات در افزایش انتقال حرارت از همان نانو سیالات همراه با ذرات سرامیکی مشخص بود، ولی با این حال نانو سیالات با پایه ذرات فلزی قدم بزرگی روبه جلو بود.
ایستمن و همکارانش ]21[ یک افزایش 40% رسانایی با نسبت حجمی 3/0% با ذرات nm10 مس معلق در اتیلن گلیکول را گزارش داد این گزارش به روشنی اثر ذرات را نشان می دهد و پتانسیل نانو ذرات با ذرات کوچکتر را نشان می داد.
پاتل و همکارانش ]22[ برای اولین بار از طلا و نقره برای ساختن نانو سیال در سیال پایه آب استفاده کردند. آنها همچنین از یک شیوه سیم داغ برای اندازه گیری رسانایی گرمایی استفاده کردند. مهمترین مشاهده آنها در این مطالعه افزایش قابل توجه رسانایی گرمایی برای مقادیر ناچیز غلظت ذرات بود.
ژی و همکارانش ]23[ مطالعه ای بر روی وابستگی رسانایی گرمایی مخلوط سیال- نانو ذره با سیال پایه را آغاز کردند. این محققان اثر پخش شدگی Al2O3 – را در آب یونیزه، گلیسرول و مخلوط آب روغن پمپ، مخلوط آب- اتیلن گلیکول را بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که نرخ رسانایی گرمایی با افزایش رسانایی گرمایی سیال پایه کاهش می یابد.
2-5-3- نانو سیالات، حاوی نانو لوله های کربنی و پلیمری
بزرگترین افزایش در رسانایی گرمایی توسط چوی و همکارانش ]24[ ارائه گردید، که یک افزایش 50% در رسانایی گرمایی با 1% نسبت حجمی نانو لوله ها را نشان می دهد. دو عامل در افزایش غیرعادی رسانایی گرمایی مهمتر به نظر می آید. اول، رسانایی گرمایی نانو لوله های کربنی بسیار بالا است (w/m.k 3000). دوم، نانو لوله ها نسبت طول به عرض() بسیار زیادی دارند. ژی و همکارانش ]25[ رسانایی گرمایی MWCNT31 با قطر متوسط nm15در اتیلن گلیکول اندازه گرفتند، مشاهده شد که افزایش بیشتری برای نسبت حجمی مشابه در سیال که رسانایی گرمایی کمتری دارد بوجود می آید.
2-6- نظریه هایی بر نانو سیالات
2-6-1- روابط تئوری ارائه شده در زمینه ضریب رسانش حرارتی موثرنانوسیال
تاکنون تلاشهای زیادی برای پی بردن به علت افزایش زیاد رسانایی گرمایی نانو سیالات انجام شده است. از حرکت ساده براونی گرفته تا مدلهای پیچیده. در طول سالهای گذشته تلاشها شدت بیشتری پیدا کرده است ولی هنوز به نظر می رسد که به نتیجه مطلوب نرسیده باشند. ماکسول برای اولین بار [1]، رابطهای برای ضریب رسانش حرارتی موثر برای مخلوط ذرات معلق در ابعاد میک
رو در سیال ارائه کرد که این رابطه در ابعاد نانو نیز بسیار مورد استفاده قرار گرفته است، البته این رابطه بسیار ساده بوده و تنها برای اثر نسبت حجمی نانوسیال در ضریب رسانش حرارتی موثر برای ذرات نانو کروی در نظر گرفته شده است. مدل ماکسول برای رسانایی گرمایی مخلوط جامد – سیال با ذرات نسبتاً بزرگ و درصد حجمی پایین ذرات بسیار مناسب است. رابطه آن به صورت زیر است[1]:
(2-3)

مطلب مشابه :  توانمندسازها، عملکرد سازمان، اعتماد متقابل، علم اقتصاد

فرمول ماکسول نشان می دهد که رسانایی گرمایی مؤثر به رسانایی گرمایی ذرات کروی، سیال پایه و نسبت حجمی ذرات جامد بستگی دارد.
همیلتون و کروسر [2]، رابطهی ماکسول را کامل نموده و رابطه ای برای رسانش حرارتی ارائه نمودند که در آن علاوه بر اثر نسبت حجمی نانوذرات، اثر شکل و اندازه ی آن ها نیز در نظر گرفته شده است..
(2-4)

که در آن keff رسانایی گرمایی مؤثر، Kf رسانایی گرمایی سیال، Ks رسانایی گرمایی ذرات جامد، n: فاکتور ضریب شکل (برای کره 3 و برای سیلندر 6) و نسبت حجمی نانو ذرات.
با این حال چندین رابطه ثبت تجربی برای محاسبه رسانایی مخلوط دو فازی وجود دارد. اساسل همه آنها بر پایه تعریف رسانایی گرمایی مخلوط دو جزئی است‍[26]:
(2-5)

در جائیکه Ks رسانایی ذره، Kf رسانایی سیال پایه، نسبت حجمی ذرات، نسبت حجمی سیال پایه، نرخ تغییرات دما می باشد.
براگمن و همکارانش ]27[ مدل پایه ماکسول را توسعه دادند و اثرات شکل ذرات و برهمکنشی بین ذرات را در آن مدل بررسی کرده اند، و این مدل دارای ویژگیهای بالا و این مزیت که برای بازه وسیعی از غلظت ها معتبر است می باشد.
(2-6)

کو و کلینستر [28و29]، نیز رابطه ماکسول را بهبود بخشیدند. آنها در این رابطه اثر اندازه، نسبت حجمی و حرکت براونی نانوذرات و همچنین دمای نانوسیال را در ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال درنظر گرفتند. کبلینسکی و همکارانش ‍]30[ مکانیزم های ممکن افزایش را مورد بررسی قرار دادند آنها متوجه شدند که بطور عمومی توده نانو ذرات می تواند اثر منفی بر افزایش انتقال گرما داشته باشد، بخصوص در نسبت حجم های پایین، شکل (2-9).
ژو و همکارانش [31] برای پیش بینی رسانایی گرمایی نانو لوله های کربنی مدلی را بر پایه مدل ماکسول از رسانایی گرمایی مؤثر نانو سیالات ارائه داد که شامل اثر اندازه بزرگ طول و گسترش حجمی نانو لوله های کربنی می شد، که مدل ارائه شده نتایج قابل قبولی در انطباق با رسانایی گرمایی CNTها ارائه داد.

شکل 2-9- افزایش رسانایی گرمایی K بخاطر افزایش نسبت حجمی از توده های با رسانایی بالا. نمودار شماتیک به ترتیب موارد زیر را نشان می دهد. (i) ساختار قرارگیری بصورت فشرده Fcc از ذرات (ii) ترکیب قرارگیری مکعبی ساده (iii) ساختار بی نظم ذرات که در تماس فیزیکی با هم قرار دارند (iv) توده از ذرات که بوسیله لایه نازکی از سیالی که اجازه جریان گرمای سریع در میان ذرات را می دهد از یکدیگر جدا شده اند.
با تابع توزیع فرض شده P(Bj)=2 عبارت مربوط برای رسانایی گرمایی مؤثر CNTها به صورت زیر است:
(2-7)

مشخص شده است که این مدل به خوبی برای پیش بینی رسانایی گرمایی مخلوط های معلق CNT کار می کند.
یو و چوی ]32[ از لایه گذاری سیال اطراف ذرات برای پیداکردن غلظت مؤثر ذرات استفاده کردند و مدل ماکسول اصلاح شده ای را برای به حساب آوردن اثر نانو- سیال بوسیله جایگزین کردن رسانایی گرمایی ذرات جامد Ks معادله ماکسول با رسانایی گرمایی اصلاح شده ذرات، ارائه کردند که بر پایه نظریه محیط مؤثر بود:
(2-8)

در جائیکه نسبت رسانایی گرمایی نانو- لایه به رسانایی گرمایی ذره و نسبت ضخامت نانو- لایه به شعاع ذره اصلی است. بنابراین معادله ماکسول به این صورت در می آید:
(2-9)

مدل جدید که شامل نانو- لایه است می تواند حضور نانو- لایه بسیار نازک با ضخامت کمتر از nm10 را پیش بین کند. همچنین آنها ادعا کردند که اضافه کردن ذرات کوچکتر از nm10 برای افزایش رسانایی گرمایی می تواند بهتر از افزایش نسبت حجمی ذرات باشد.
چویی و ژانگ [33] یک مدل واقعی تر از افزایش رسانایی براساس اثر دما را بررسی کردند آنها در استخراج مدل رسانایی گرمایی چهار مد انتقال انرژی را مورد توجه قرار دارند؛ برخورد بین مولکولهای سیال (رسانایی گرمایی سیال) ، پخش گرمایی در نانو ذرات ، برخورد بین نانو ذرات به خاطر حرکت براونی که در تحلیل مقایسه بزرگی، نادیده گرفته می شود و برهمکنش گرمایی نانو ذرات پویا با سیال پایه. این مدل توانایی دارد تا وابستگی دمایی و اندازه ذره را بر روی رسانایی پیش بینی کند. عبارتی که برای رسانایی گرمایی مؤثر نانو سیالات ارائه دادند به صورت زیر است:
(2-10)

مطلب مشابه :  منابع و ماخذ پایان نامهمنابع انسانی، مدیریت منابع انسانی، شیوه های مدیریت، عملکرد سازمانی

در جائیکه ضریب انتقال حرارت برای جریان گذار بر نانو ذرات، ضخامت لایه مرزی ضروی گرمایی ، نسبت حجمی نانو ذرات ، Re عدد رینولرز براساس قطر ذره و Pr عدد پرانتل را نشان می دهد. مزیت این روش این است که اثر نسبت حجمی، دما و اندازه ذره را در نظر می گیرد.
پراشر و همکارانش ‍]34[ مدل دیگری را ارائه کردند که آنها رسانایی گرمایی ذرات جامد را با استفاده از نظریه جنبشی گازها مدل کردند. آنها جابجایی را که بر اثر حرکت براونی نانو ذرات بوجود می آمد را عامل اصلی افزایش رسانایی گرمایی دانستند. بوسیله تعریف رابطه ی عمومی برای ضریب انتقال حرارت h، مدل ماکسول را بوسیله گنجاندن جابجایی سیال در مجاورت ذرات به خاطر براونی اصلاح کرد:
(2-11)

که و m,A دو ثابت هستند. عدد رینولدز به صورت زیر نوشته می شود:
(2-12)

بن
ابراین مدلها و مکانیزه های متفاوت که به نظریه کلاسیک، لایه گذاری سیال، انباشتگی ذرات و حرکت ذره وابسته هستند، در تلاش هایی برای توضیح رفتار نانو سیالات توسعه داده شده اند با این حال موفقیت این مدلها بسیار محدود بوده است.
2-6-2- کارهای تجربی انجام شده در زمینه ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال
ازکارهای تجربی انجام شده در زمینه ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال، ایستمن و همکارانش [35] تغییرات ضریب رسانش حرارتی موثر مخلوط مس- اتیلن گلیکول را با قطر ذرات نانو کمتر از nm10 را مورد بررسی قرار داده‌اند. آنها افزایش 40 درصد در ضریب رسانش حرارتی موثر را برای نسبت حجمی 3/0 درصد گزارش کردند. آنها نشان دادند که افزایش در نسبت سطح به حجم ذرات نانو موجب افزایش بیشتر ضریب رسانش حرارتی خواهد شد. همچنین نتایج بیانگر آن است که افزایش اسید به نانوسیال باعث پایداری نانوسیال و افزایش ضریب رسانش حرارتی آن میشود. لی و پترسون [36]، اثر دما و نسبت حجمی نانوذرات را بر روی ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال با نانوذرات CuO با قطر nm29 و Al2O3 با قطر nm36 معلق در آب به عنوان سیال پایه مورد بررسی قرار دادند. یافتهها بیانگر آن است که نسبت حجمی ذرات نانو، قطر ذرات نانو ، نوع ماده و دمای نانوسیال در اندازهی ضریب رسانش حرارتی موثرند. به عنوان مثال آنها نشان دادند که افزایش دما از 27 تا 7/34 درجهی سلسیوس باعث افزایش ضریب رسانش حرارتی موثر تا سه برابر شده است.
2-6-3- کارهای تجربی انجام شده در زمینه ویسکوزیته موثر نانوسیال
اولین بار آلبرت انیشتین [37]، رابطهای برای ویسکوزیته موثر نانوسیال با نانو ذرات کروی ارائه کرده است. در این رابطه تنها اثر نسبت حجمی ذرات نانو در نظر گرفته شده است. سیمها [38]، رابطهای برای ویسکوزیته موثر نانوسیال ارائه کرد که علاوه بر نسبت حجمی نانوذرات اثر شکل آنها نیز در این رابطه در نظر گرفته شده است. کو و کلینستر [39]، رابطه ای برای ویسکوزیته موثر نانوسیال ارائه کردند که در آن علاوه بر نسبت حجمی نانوذرات اثر حرکت براونی نانوذرات و دمای نانوسیال نیز در نظر گرفته شده است.
2-7- کارهای تجربی انجام شده در زمینهی انتقال حرارت در نانوسیال
ازکارهای تجربی انجام شده در زمینهی انتقال حرارت در نانوسیال ها، ماسودا و همکاران ‌‌‌‌‌‌‌‌‌[4] اولین کسانی بود که به بررسی انتقال حرارت در جریان نانوسیال پرداخت. آنها مخلــوط آب-SiO2 را مورد آزمایش قرار داد و 20 درصد افزایش را در انتقال حرارت نانوسیال نسبت به سیال گزارش کرد. ژان و لی [40] به بررسی تجربی جریان و انتقال حرارت جابجایی مخلوط آب -Cu در یک لوله با یک شار حرارتی ثابت از دیواره پرداختند. نتایج آنها نشان میدهد که با افزایش ذرات نانو به سیال انتقال حرارت افزایش مییابد. همچنین در این کار ادعا شده است که در نسبتهای حجمی کوچک ذرات نانو اصطکاک در نانوسیال افزایش نمییابد و در قدرت پمپ کردن نانوسیال تغییری حاصل نمیشود. دینگ و همکاران [41] به بررسی تاثیر نانوسیال CNT 32 بر انتقال حرارت در یک لوله با قطر داخلی mm 5/4 پرداختند. در این تحقیق نیز افزایش انتقال حرارت در نانوسیال گزارش شده است.
2-8- کارهای عددی انجام شده در زمینهی انتقال حرارت در نانوسیال درداخل حفره‌ی مربعی
بخش بعدی

Leave a Comment