نانوسیالات و کاربرد آن در مهندسی شیمی

مقدمه

به سیالی که دارای ذرات با ابعاد نانو می‌باشدنانوسیال گفته می‌شود. این نوع سیالات توسط ذرات کلوئیدی معلق با ابعاد نانو در یک سیال پایه طراحی شده‌اند. سیال پایه‌ای که بطور معمول برای تهیه نانو سیال استفاده می‌شود، آب، اتیلن گلیکول و روغن می‌باشد. نانو سیالات ویژگی های‌جدیدی دارند که آنها را برای کاربردهای انتقال حرارت سودمند کرده است. این سیالات رسانش گرمایی و ضریب انتقال حرارت هدایتی بالاتری را نسبت به سیال پایه از خود نشان می‌دهند.

آگاهی از رفتار رئولوژیک نانوسیال جهت تصمیم‌گیری درمورد مناسب بودن نانو سیال برای کاربردهای انتقال حرارت بسیار مهم به نظر می‌رسد.

 برای تهیه نانو سیالات دو روش وجود دارد: 1- روش دو مرحله‌ای  2 – روش تک مرحله‌ای

روش دو مرحله‌ای:

این روش بصورت وسیعی برای تهیه نانوسیالات مورد استفاده قرار می‌گیرد. نانو ذرات، نانو فیبرها، نانو لوله‌ها یا دیگر نانو موادها در این روش ابتدا به صورت پودر خشک توسط روش‌های فیزیکی و شیمیایی تولید می‌شوند.  در مرحله دوم فرآیند با کمک تحریک نیروی مغناطیسی شدید، تحریک مافوق صوت، اختلاط تنش بالا، همگن سازی و آسیاب گلوله‌ای پودرهای در ابعاد نانو داخل سیال پراکنده می‌شود. روش دو مرحله‌ای روشی اقتصادی برای تولید نانوسیالات در مقیاس بزرگ است؛ زیرا هم اکنون تکنولوژی‌های اختلاط نانو پودرها برای تولید در سطوح صنعتی رشد کرده‌اند. با توجه به مساحت بالا و کنش سطحی نانو ذرات، این مواد تمایل دارند تا به صورت توده درآیند. مهمترین روش برای افزایش پایداری نانو ذرات در سیالات، استفاده از سورفاکتانت (ماده فعال سطحی) ها است. با این حال کارآمدی سورفاکتنت‌ها مخصوصاً برای کاربردهای در دمای بالا همچنان یک نگرانی بزرگ به حساب می‌آید.

روش تک مرحله‌ای:

در این روش از انجام فرآیندهای خشک کردن، ذخیره، انتقال و پراکندن نانو ذرات جلوگیری شده و در نتیجه توده‌های تشکیل شده نانو ذرات کوچک می‌شود و پایداری نانوسیالات افزایش می‌یابد. فرآیندهای تک مرحله‌ای می‌تواند نانو ذرات را بصورت همگن پراکنده کند و ذرات می‌توانند بصورت پایدار در سیال پایه معلق شوند.

استفاده از مبدل های حرار تی با بازدهی بالا در اغلب صنایع کو چک و بزرگ رو به گسترش است. سیالات حامل انرژی متداول ، سیالاتی نظیر آب ، روغن ها و اتیلن گلایکول می باشند. بنابراین نیاز شدیدی به پی شرفت و بهبود سیالات انتقال حرار تی با ضـریب هـدایت حرارتـی بـالا احسـاس می شود.

مزیت ها و کاربردها

انتقال حرارت نانوسیال نسبت به سیال پایه بهتر است؛ زیرا ذرات ریز جامد، هدایت حرارت مخلوط را افزایش می­دهند. چون انتقال حرارت در سطح نانوذرات اتفاق می­افتد، استفاده از ذرات با سطح ویژه بالا مطلوب است. همچنین نانوپودرها در مقایسه با ذرات با اندازۀ میکرون سطح ویژه بیشتری دارند. از سوی دیگر، مومنتوم نانوذرات بسیار کم است. در نتیجه مومنتوم که آنها می­ توانند به دیوار جامد انتقال دهند بسیار کم است و احتمال سایش اجزای مبدل های حرارت، خطوط لوله ها و پمپ ها را کاهش می ­دهد. این ذرات نیز قابلیت حرکت و جابه جایی بالایی دارند و میکروجابه جایی را در سیال پدید می­ آورند و انتقال انرژی را در سیال افزایش می ­دهند.

همچنین، چون این ذرات ریز هستند، وزن کمی دارند و احتمال ته نشینی در آنها کم است. کاهش ته نشینی می تواند مشکل استفاده از سوسپانسیون ها؛ یعنی نشست ذرات را برطرف نماید. مثلا́ پخش ذرات در حد میکرون در میکروکانال سبب گرفتگی کانال خواهد شد. در مجموع می ­توان گفت فناوری نانوسیال، صنایع را به سمت کوچک سازی سیستم و در نتیجه طراحی سیستم های تبادل حرارتی سبکتر سوق می­ دهد. مثلا́ برای دو برابر شدن ضریب انتقال حرارت آب، توان پمپ باید ١٠برابر گردد، اما اگر یک نانوسیال با ضریب هدایت حرارتی ٣ برابر آب استفاده شود، سرعت انتقال حرارت دو برابر خواهد شد.

برخی از مزایا و قابلیت های بالقوه نانوسیالات به قرار زیر است:

1. سطح مخصوص بالا و متعاقب آن سطح انتقال حرارتی بیشتر مابین ذرات و سیالات
2. ثبات پراکندگی بالا به دلیل اثر غالب حرکت براونی ذرات
3. کاهش توان پمپ در مقایسه با سیال خالص در دست‌یابی به شدت انتقال حرارت کسان

شـــبیه ســـازی و مدلســـازی نانوسیال

بطور کلی دو روش متفاوت برای مدلسازی و بررسی افزایش ضریب انتقال حرارت جابجایی وجود دارد، مدل دوفازی و مدل تک فازی. مدل دوفازی بر مبنای مفهوم انتقال حررات در دو فاز سیال و جامد استوار است ولی نیاز به محاسبات طولانی و کامپیوترهای قوی دارد.

ضریب انتقال حرارت با کاهش سایز ذرات ا فزایش می یا بد و ا ین نه تن ها به دلیل ا فزایش ضریب هدایت حرار تی به دلیل و جود نانوذرات ، بلکه حر کت تصادفی نانوذرات نیز عامل مهمی در ا فزایش ضریب انت قال حرارت محسوب می شود. مایگــــا و همکــــاران جابجایی اجباری نانوسیال آلومینا- آب و آلومینا- اتیلن گلایکول را با روش تــک فــازی در لولــه مــدور و همچنین دو دیسک موازی مورد مطالعه قرار دادند. ضریب انتقال حرارت به ترتیــــــب ۶٣% و ۴۵% افــــــزایش یا فت .افزایش ضریب انت قال حرارت و وی سکوزیته دینام یک با عث ا فزایش تنش برشی در دیواره گردید.

مطالعات مروری:

بهزادمهر و همکارانش انتقال حـرارت جابجـایی اجبـاری در لولـه مدور با نانوسیال مس – آب را بصورت عددی مورد بررسی قرار دادند. آنها از مدلهای تک فاز و مخلوط استفاده نمود ند و با مقای سه م قادیر تجر بی و ن تایج ا ین مدلها دریافت ند که د قت مدل مخ لوط بی شتر از مدل تک فازاست.

لطفی و همکاران برای اولین بار از روش اولرین برای شبیه سازی نانوسیال استفاده کردند و نتایج را با شبیه سازی تک فازی و همچنین شبیه سازی دوفازی مدل مخلوط مقایسه کردند.  برای شبیه سازی با مدل مخلوط آنها فرض کردند که در یک حجم کنترل معین هم درصد حجمی از سیال پایه و هم نانوذرات وجود دارد.

همچنین فرض کردند که هر فاز بردار سرعت  خود  را  داراست.  آنها نانوسیال حاوی AlO₂₃ با قطر متوسط 42 نانومتر در یک لوله مدور را مورد آزمایش قرار دادند. قطر لوله ۴۵ میلیمتر و طول آن ٩٧٠ میلیمتر بود. عدد رینولدز بین ٧٠٠ تا ١٨٠٠ تغییر کرد. فرض شد که گرم کن توانی برابر با ٣٠٠ وات دارد نتایج شبیه سازی برای دو فاصله محوری متفاوت از ورودی محاسبه شد. در این شبیه سازی روش تک فازی و مدل اولرین مقادیر عدد ناسلت را کمتر از آنچه می باشد نشان می دهد.

روش­ های افزایش پایداری نانوسیال

بر اساس مطالعات انجام شده، علاوه بر استفاده از درصد جرمی کمتر برای نانوسیالات، سه روش کلی برای افزایش پایداری نانوسیال وجود دارد.

1. افزودن مواد فعال سطحی: افزودن مادۀ فعال سطحی در نانوسیال، روشی ساده و مقرون به صرفه برای افزایش پایداری نانوسیال است. مواد فعال سطحی به طور قابل ملاحظه ای بر مشخصۀ سطح سیستم اثر می­گذارند. این مواد، حاوی یک سر قطبی آب دوست و یک سر آب گریز معمولا یک زنجیرۀ هیدروکربن می­ باشند.

مواد فعال سطحی را بر اساس ترکیب سر آب دوست به چهار دسته تقسیم بندی می ­کنند:

الف) غیریونی که گروه باردار در سر آب دوست وجود ندارد.

ب) آنیونی با گروه باردار منفی

ج) کاتیونی با گروه باردار مثبت

 د) آمفوتر که بار سر آب دوست می­تواند مثبت یا منفی باشد برای انتخاب مادۀ فعال سطحی مناسب، باید به این نکته توجه کرد که اگر سیال پایه قطبی باشد، از مواد فعال سطحی با سر آب دوست و در غیر این صورت از مواد فعال سطحی که در روغن محلول هستند استفاده می ­شود. اگرچه استفاده از مواد فعال سطحی یکی از راه های معمول بهبود پایداری نانوسیال است اما افزودن این مواد به نانوسیال ممکن است سبب بروز مشکلاتی چون ایجاد کف و کاهش ضریب هدایت حرارتی نانوسیال شود. همچنین تخریب پیوند بین ماده فعال سطحی و نانوذره در دماهای بالای ۶٠درجه سانتی گراد، پایداری نانوسیال از بین می رود.

 2. کنترل :PHپایداری یک نانوسیال ارتباط مستقیمی با خواص الکتروکینتیکی آن دارد. به این صورت که اگر در سطح نانوذرات چگالی بار زیاد باشد، به علت نیروی دافعۀ الکترواستاتیکی، نانوذرات در سیال پایدار خواهند بود. بنابراین می­توان با تنظیم PH نانوسیال، به پایداری مطلوب رسید.

3. ارتعاش فراصوت : به منظور افزایش پایداری نانوسیال می توان از لرزاننده های فراصوت استفاده کرد.

ویژگی‌های کلیدی نانوسیالات

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 پروژه 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 ۲۰۰۰ با حمایت وزارت انرژی آمریکا و مرکز انرژی علوم پایه به تصویب رسید.

بحث و نتایج

با توجه به آنچه در بالا ذکر شد می توان از نانوسیال به عنوان یک محیط بالقوه انتقال حرارت در صنایع مختلف از جمله در صنایع نفت و پتروشیمی نام برد. با تکیه بر یافته های محققین می توان گفت که ضریب انتقال حرارت عموما با افزایش رینولدز افزایش می یابد و در اعداد رینولدز ثابت ، ضریب انتقال حرارت جابجایی نانوسیال از سیال آب خالص بزرگتر است.

همچنین ضرایب اصطکاک نانوسیال در رینولدز ثابت ، تطابق خوبی با ضرایب اصطکاک آب خالص دارند. شاید این به دلیل استفاده از تراکم حجمی بسیار پایین نانوذرات در سیال پایه باشد که تغییرات زیادی در رفتار سیال ایجاد نکرده است . این به معنی آن است که نانوسیال در عمل افت فشار زیادی ایجاد نمی کند و نیازی به تعویض یا تقویت پمپ نمی باشد.

در نانوسیالات به علت کوچک بودن ذرات، به مقدار زیادی مشکلات ناشی از خوردگی، ناخالصی و افت فشار را کاهش و پایداری سیالات در مقابل رسوب گذاری بهبود چشمگیری می یابد. به دلیل بالا بودن ضریب هدایتی نانوذرات، با توزیع در سیال پایه باعث افزایش ضریب هدایت حرارتی سیال می شوند که یکی از پارامترهای اساسی انتقال حرارت محسوب می‌شود. همچنین نانو ذرات سبب بهبود انتقال جرم نیز می شوند اما تاکنون مکانیسم دقیق این پدیده مشخص نشده و تحقیقات بیشتری لازم است. با توجه به خواص منحصر به فرد نانوسیالات، کاربردهای بسیاری دارند و از مهم ترین آنها استفاده در بخش انتقال حرارت است.

نتیجه گیری

 افزایش هدایت گرمایی مربوط به نانولوله یک گام از پیش‌بینی ‌های انجام شده به وسیله نظریه‌‌های موجود فراتر است. اخیراً پژوهش‌هایی در مورد نانوسیالات فلزی حاوی نانوذرات مس با قطر کمتر از ۱۰ نانومتر که در اتیلن گلیکول پخش شده بودند انجام شده است. با استفاده از نتایج جمع‌آوری شده، توسعه یک مدل جدید انتقال انرژی در نانوسیالات که وابسته به اندازه نانوذره، ساختار و تأثیر پویایی بر روی خصوصیات حرارتی نانوسیالات می‌باشد، امکان پذیر شده است.

این نحوه ارتباط رشته‌های مختلف علمی و پروژه‌های مشترک منجر به کشف مرزهای جدیدی در تحقیقات ترموفیزیک برای طراحی و مهندسی در زمینه تولید خنک‌کننده‌ها خواهد گردید. تحقیق در مورد نانوسیالات می‌تواند به یک پیشرفت غیر منتظره در زمینه 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.