نجوین سیتی ات ال ]۶[ رفتار انتقال ارتقاء انتقال حرارت نانوسیال اکسید آلومینیوم را برای یک سیستم گرمکننده مورد پژوهش قرار دادند آنها دریافتند که ضریب انتقال حرارت تا ۴۰% در مقایسه با سیال اصلی افزایش نشان میدهد.
به تازگی داس ات ال، ونگ و موجومدار، تریساکسری وی و ونگویسس ]۷[ پژوهشهای اخیر درباره جریان سیال و ویژگیهای انتقال حرارت نانوسیالات را در رسانایی، جریان همرفتی تحمیلی و آزاد و جوش را مورد بازبینی قرار دادند و به فرصتهای موجود برای نیاز به مطالعات آینده اشاره نمودند. ونویسس مقالات منتشرشدهای را که دربارهی مباحث آزمایشی و تئوری انتقال حرارت همرفتی تحمیلی نانوسیالات میباشند را بازنگری نموده و مورد بررسی قرار دادند.
از طرف دیگر تعداد زیادی از محققان گزارش کردند که انتقال حرارت با نانو سیال افزایش مییابد بهطور مثال لیو ژان یک مطالعه تجربی برای بررسی انتقال حرارت جابجایی و خواص جریان نانو سیال را پیگیری نمودند. نتایج آنها نشان میدهد که ضریب انتقال حرارت جابجایی و خواص جریان نانو سیال با سرعت افزایش پیدا میکند و همچنین کسر حجمی، بخشهای نانو و از پایه آب در سرعت جریان مشابه بزرگتر است.
داس و همکاران بهطور تجربی نشان دادند که هدایت گرمایی نانو سیالات با افزایش دما افزایش مییابد آنها مشاهده کردند که ۲ تا ۴ درصد هدایت گرمایی افزایش مییابد که می تواند در دماهای ۲۱ تا ۵۲ درجه سانتیگراد به دست بیاید ]۷[.
در مقایسه بررسیهای تحقیقی وابستگی استفاده از نانو سیالات در انتقال حرارت جابجایی، مطالعات اندکی در استفاده از نانو سیالات در جابجایی آزاد یافت می شود.
خانافر و همکاران ]۸[ مطالعات عددی برای تعیین انتقال حرارت جابجایی طبیعی نانو سیالات در محفظه تحت قیود فیزیکی مختلف را پی گیری کردند. نتایج آنها نشان داد که عدد ناسلت متوسط با افزایش کسر حجمی برای اعداد گراشف مختلف افزایش مییابد.
کیم و همکاران ]۹[ یک فاکتور برای توصیف اثربخش نانویی روی بیثباتی جابجایی و مشخصه های انتقال حرارت یک سیال مبنا را پیشنهاد کردند. این فاکتور جدید شامل تأثیر نسبت قابلیت هدایت نانو ذرات به سیال پایه، فاکتور شکل نانو ذرات، کسر حجمی نانو ذرات و نسبت ظرفیت گرمایی آن می شود. نتایج آنها نشان میدهد که ضریب انتقال حرارت در حضور نانو سیال با افزایش کسر حجمی نانوساختار ها افزایش مییابد.
افزایش انتقال حرارت جابجایی با بهره گرفتن از نانوسیالات توسط نینا و همکاران و نینا و روتا بهطور تجربی مشاهده شده است.
در طرف دیگر رحیمی و همکاران ]۱۰[ به صورت تجربی دریافتند که حضور نانوساختار (cuo,Al2o3) در آب بر مبنای نانو سیال در داخل استوانهی افقی ضریب جابجایی طبیعی را با افزایش کسر حجمی نانو ذرات، چگالی نانوذره و همچنین نسبت منظری استوانه کاهش مییابد.
هاشمی و همکاران ]۱۱[ بهطور تجربی گزارش کردند که ضریب جابجایی طبیعی با افزایش تجمع نانوساختارها کاهش مییابد.
گرگوری و همکاران]۱۲[ جابجایی طبیعی را با میکروساختارAl2o3 (تقریباً ۲۵۰ nm) آب ساکن در محفظه آزمایش کردند. به نظر میرسد که نتایج آنها تأثیر ناچیز ساختارها را روی مقدار عدد ناسلت برای یک محفظه عمودی را شامل می شود. بههرحال برای محفظه افقی یک کاهش در عدد ناسلت در مقایسه با حضور آب خالص در عدد رایلی و تجمع ساختارهای بیشتر وجود دارد. نویسندگان، این رفتار غیرعادی را به لایه گذاری نسبت می دهند.
استندبرگ و همکاران]۱۳[ بررسیهای تجربی روی جابجاییهای طبیعی نانو سیالات در محفظه عمودی برای اندازههای مختلف و کسر حجمی متفاوت نانو ذرات Al2o3 در بازه ۱/۰% تا ۴% و عدد رایلی در بازهی ۱۰۵ تا ۱۰۸ انجام دادهاند. تنزل اصولی انتقال حرارت در نانوسیالات شامل نانو ذرات با کسر حجمی بزرگتر از ۲% در خارج بازهی عدد رایلی در نتایج آنها مشاهده شد.
بههرحال افزایش انتقال حرارت بهاندازهی ۱۸% با آب خالص که برای نانوسیال حاوی تجمع نانو ذرات ۱/۰% در رایلی های بالابود نمایش داده شد. معمولاً مدل تئوری قابل قبولی برای بررسی هدایت غیرعادی نانوسیالات وجود ندارد.
بسیاری از محققان هدایت نانو سیالات را بر مبنای قابلیت جابجایی سیال و نانوذرات، شکل نواحی سطح نانوذرات و کسر حجمی و دما قرار دادهاند.
کبلینسکی و همکاران]۱۴[ و ایستمن و همکاران]۱۵[ مکانیسمهایی برای افزایش انتقال حرارت جابجایی پیشنهاد کردند که شامل حرکت براونی نانو ذرات، سطح لایهای مولکولی مایع در مایع جزء وصلکننده، انتقال گرما با نانوذرات و تأثیر بر روی دستهی نانوذرات بودند. آنها دلیل آوردند که تأثیر رفتار براونی می تواند بسته به ورودی بزرگتر پخش گرما در مقایسه با پخش براونی ناچیز در نظر گرفته شود.
ایوانس و همکاران اثبات کردند که تأثیر هیدرودینامیکی مربوط به حرکت براونی اثر عکس بر روی هدایت گرمایی نانوسیالات هنگام استفاده از شبیهسازی دینامیکی مولکولی و تئوری سینتیک ساده دارد.
تأثیر لایههای میانجی جامد یا مایع در افزایش هدایت گرمایی نانوسیالات توسط بسیاری از محققان به صورت تئوری بررسیشده است. بهطور مثال یوو چوی یک مدل تئوری برای بررسی اثر لایههای میانجی مایع و جامد روی مدل Hamilton-Crosser برای توقف ساختارهای نانو کروی پیشنهاد کردند. آنها تلاش کردند که اثبات کنند لایههای میانجی جامد و مایع نقش مهمی در تقویت هدایت گرمایی نانوسیالات بهواسطهی مدل Hamilton-Crosser بازی میکنند. بههرحال مدل پیشنهادی آنها قادر به پیشبینی رفتار غیرخطی هدایت گرمایی نانوسیالات نبود.
بررسی تأثیر بین نانوذره و سیال پایه نیز انجامگرفته است. ژو یک مدل بهینه برای تأثیر هدایت گرمایی مؤثر نانوسیالات بر پایهی تئوری ماکسول (تئوری (تضاد) قطبش میانگین) ایجاد کرد. ژو فرض کرد که مدل توسعهیافته می تواند افزایش غیرعادی قابلیت هدایت گرمایی در نانوسیالات را تفسیر کند ]۱۶[ .
بر پایه شبیهسازی دینامیک مولکولی و ارتباط سادهی مایع –جامد، ژو و همکاران توضیح دادند که لایههای اتم مایع در حدفاصل مایع – جامد تأثیر قابل ملاحظه روی خواص انتقال گرما ندارند.
چیزی که میتوان از اطلاعات ذکرشده متوجه شد این است که نه حرکت براونی و نه لایههای میانجی نمی توانند مکانیسمهای غالب باشند و از تجربه و بررسی و تحلیل روی افزایش انتقال حرارت هنگام استفاده از نانوسیالات در تضاد هستند هم در جابجایی طبیعی و هم اجباری: بنابراین، تحقیقات تئوری و تجربی در توضیح پایههای امکان افزایش انتقال حرارت وقتی از نانوسیال استفاده می شود، ضروری میباشد. توصیف قوی رفتار غیرعادی برای نانوسیالات که شامل قابلیت هدایت و ویسکوزیته بالا میباشد، وجود ندارد ]۱۷[ .
نتایج آزمایشهایی که در رابطه با نحوه انتقال حرارت بر روی چندین نمونه نانوسیال انجام شد، نشان میدهد که عملکرد نانوسیالات در انتقال حرارت عموماً بیشتر از آن چیزی است که بهصورت نظری پیشبینیشده است. این واقعیت یک کشف اساسی در مسئله انتقال حرارت میباشد.
درصد افزایش هدایت گرمایی ذرات مس، اکسید مس و آلومینیم در اتیلن گلیکول (EG) همچنین نمایش افزایش هدایت گرمایی نانولولههای کربنی چندجداره در روغن و تطبیق آن با نظریه ماکسول از نانوسیالات میتوان بهمنظور توسعه سیستمهای کنترل حرارت در بسیاری کاربردها ازجمله وسایل نقلیهی سنگین استفاده نمود. کنترل حرارت یکی از عوامل کلیدی در فناوریهای مربوط به محصولاتی مانند پیل سوختی و وسایل نقلیه دوگانهسوز-الکتریکی میباشد که بیشتر آنها تحت دماهای عمدتاً کمتر از دمای موتورهای احتراق داخلی متداول، عمل میکنند ]۱۴[ .
بنابراین نیاز مبرمی به توسعه سیالات انتقالدهنده 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 ۱۰ 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 آلومینیوم با قطر متوسط ذرات ۳۵ نانومتر) باشد. همانطور که در نمودار ۱ نشان دادهشده 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 ]۱۴[.
اخیراً نانوسیالاتی حاوی نانولوله 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 بهطور چشمگیری افزایش میدهد.
جالبتر آنکه افزایش هدایت گرمایی مربوط به نانولوله یک گام از پیشبینیهای انجام شده به وسیله نظریههای موجود فراتر است. از این گذشته نمودار هدایت گرمایی اندازهگیری شده برحسب حجمهای جزئی، بهصورت غیرخطی میباشد حالآنکه تئوریهای رایج بهوضوح وجود یک نسبت خطی را میان این دو پارامتر نشان داده بودند.
از ویژگیهای کلیدی نانوسیالات که تاکنون کشفشدهاند میتوان هدایتهای گرمایی بسیار بالاتر از آنچه که سوسپانسیونهای مرسوم از خود نشان داده بودند، وجود نسبت غیرخطی 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 سردکنندههای مبتنی بر مایع مینمایند. این یافتهها همچنین وجود محدودیتهای اساسی در مدلهای انتقال گرمایی متداول برای سوسپانسیونهای جامد/ مایع را بهوضوح نشان میدهد.
ازجمله عوامل انتقال حرارت در نانوسیالات، عبارتاند از: حرکت نانوذرات، سطح مولکولی لایهای مایع در سطح مشترک مایع با ذرات، انتقال حرارت پرتابهای در نانوذرات و تأثیر خوشهای شدن نانوذرات ازجمله عوامل انتقال حرارت در نانوسیالات میباشند.
یک پروژه جدید با هدف کشف پارامترهای کلیدی که در تئوریهای موجود و مفاهیم بنیادی مکانیسمهای افزایش انتقال حرارت نانوسیالات ازقلمافتادهاند و نیز کشف مبنای تئوری برای افزایش غیرعادی هدایت گرمایی نانوسیالات در جولای سال ۲۰۰۰ با حمایت وزارت انرژی آمریکا و مرکز انرژی علوم پایه به تصویب رسید.
ساختار نانوذرات در نانوسیالات در حال بررسی و آزمایش بوسیله منبع فوتونی پیشرفته آزمایشگاه ملی آرگون میباشد. 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 بهره گرفتن از نتایج جمع آوریشده، توسعه یک مدل جدید انتقال انرژی در نانوسیالات که وابسته به اندازه نانوذره، ساختار و تأثیر پویایی بر روی خصوصیات حرارتی نانوسیالات میباشد، امکانپذیر شده است ]۱۶[.
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 ازجمله 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 محیطزیست اشاره نمود]۱۶[..
فصل سوم
تئوری
۳-۱- مقدمه
در این فصل تئوری حاکم بر پایان نامه و همچنین معرفی کدهای مورداستفاده آورده شده است.
۳-۲- کلیات
فرایند شکافت هستهای شامل میلیاردها واکنش بسیار سریع بوده و میزان انرژی بسیار زیادی آزاد میکند. یک رآکتور هستهای را میتوان یک بمب اتم در نظر گرفت که واکنش آن کنترل شده باشد. شروعکننده واکنش هستهای ذره نوترون میباشد که با برخورد به ماده شکافت پذیر آن هسته را به دو هسته سبکتر و میانگین ۲٫۵۴ عدد نوترون تبدیل میکند که مقدار قابل ملاحظهای انرژی از این واکنش آزاد میشود. ازاینرو کنترل تعداد نوترونهای تولیدی و مصرفی در کل واکنش اهمیت زیادی دارد. در رآکتور هستهای در شرایط پایا سعی در برابر نگهداشتن تعداد نوترون مصرفی و تولیدی است. نسبت نوترونهای تولیدی در هر واکنش به نوترونهای مصرفی را به عنوان ضریب تضاعف معرفی میکنیم که مقدار آن در حالت پایا میبایست برابر ۱ باشد تا واکنش هستهای به شکل کنترلشدهای انجام شود. برای کنترل کردن مقدار ضریب تضاعف از ابزارهای گوناگونی استفاده میشود. ابزارهایی که قابلیت جذب نوترون را دارند. این کار با وارد کردن موادی که جاذب نوترون هستند به داخل قلب رآکتور صورت میگیرد؛ یعنی ما واکنش را با موادی که قابلیت جذب نوترون دارند کنترل میکنیم. این مواد جاذب نوترون به صورت میلههای کنترل که میزان ورود آن به داخل قلب قابلکنترل است و بهصورت محلول در آب که غلظت آن قابلکنترل است به قلب وارد میشوند. یکی از این مواد جاذب نوترون هسته بورون است که به صورت ترکیب اسید بوریک به آب خنککننده قلب رآکتور اضافه میشود و میزان آن با توجه به کارکرد رآکتور متغیر است. پس ما با ابزارهایی چون سمهای جاذب نوترونی در قالب میلههای کنترل و مواد محلول در آب سعی در ثابت نگهداشتن مقدار نوترون تولیدی و مصرفی داریم. از مسائل مهم دیگری که در رآکتور هستهای نیروگاهها از اهمیت زیادی برخوردار است توانایی دفع گرمای تولیدی از قلب رآکتور است که در میلههای سوخت و ازشکافت ماده شکافت پذیر تولید میشود. خنککننده راکتورهای هستهای میتواند مواد گوناگونی نظیر آب، فلز مذاب و گاز باشد که انتخاب نوع خنککننده به نوع رآکتور بستگی دارد. خنککننده معمول راکتورها را میتوان آب در نظر گرفت. به دلیل مسائلی ازجمله سطح انتقال حرارت محدود و میزان گرمای تولیدی بسیار بالا ضریب انتقال حرارت سیال خنککننده از اهمیت بالایی برخوردار است که هر چه میزان بیشتری باشد یعنی سیال قابلیت دفع گرمای بیشتری دارد و سیال مناسبتری است. انتخاب نوع خنککننده رآکتور هستهای تابع مسائل گوناگون و پیچیدهای است که انتخاب سیال خنککننده را بسیار پیچیده میکند. از این مسائل دو مسئلهی رفتار سیال خنککننده در مواجهه با نوترون (قابلیت جذب نوترون) و میزان ضریب انتقال حرارت آن از اهمیت بیشتری برخوردارند. پس باید با درنظر گرفتن این مسائل نوع سیال خنککننده را انتخاب کرد. در بسیاری از راکتورها از آب به عنوان خنککننده استفاده میشود که برای کنترل خاصیت جذب نوترون آن از سمهای نوترونی محلول در آن مانند اسید بوریک استفاده میشود؛ و برای افزایش ضریب انتقال گرمای آن از نانوسیالات استفاده میشود که در آب معلق بوده و باعث افزایش ضریب انتقال حرارت خنککننده میشوند که با تازگی از اهمیت بالایی برخوردار بوده که مطالعات گوناگونی بروی آن انجام شده است. چون مواد محلول در آب بر روی ضریب تضاعف کلی قلب تأثیر میگذارند در هنگام انتخاب نوع و مقدار نانو سیالات باید این مسئله در نظر گرفته شود ]۱۷[.
چون میزان ضریب تضاعف هم از نظر ایمنی و هم از نظر اقتصاد نوترونی اهمیت بالایی دارد، در این پروژه سعی در مطالعه تأثیر نانوسیالات مناسب بر روی ضریب تضاعف و خاصیت جذب نوترونی آنها داریم. چون در این پروژه از دید نوترونی و هستهای قصد مطالعه نانوسیالات را داریم انتخاب نانوسیالات از دیدگاه انتقال حرارتی را بر مبنای مطالعات پیشین انجام میدهیم. به این شکل که از مطالعات و مقالات موجود بهترین نانوسیالات برای افزایش ضریب انتقال حرارت را انتخاب و مطالعات نوترونی را بر روی آنها انجام میدهیم و درنهایت یک نانو سیال بهینه را انتخاب میکنیم.
۳-۳- انتقال حرارت در نانو سیالات
نانو سیالات که از توزیع ذرات با ابعاد نانو در سیالات معمولی حاصل میشوند، نسل جدیدی از سیالات با پتانسیل بسیار زیاد در کاردبرهای صنعتی هستند. اندازه ذرات مورداستفاده در نانو سیالات از ۱ نانومتر تا ۱۰۰ نانومتر میباشد. این ذرات از جنس ذرات فلزی همچون مس (Cu) نقره (Silver) و… و یا اکسید فلزی همچون آلومینیوم اکسید(Al2O3) ، اکسید مس (CuO)و… هستند. سیالات متداولی که در زمینه انتقال حرارت استفاده میشوند ضریب هدایت حرارتی پایینی دارند. ذرات نانو به دلیل بالا بودن ضریب هدایتیشان با توزیع در سیال پایه باعث افزایش ضریب هدایت حرارتی سیال که یکی از پارامترهای اساسی انتقال حرارت محسوب میشود، میگردند ]۱۸[.
تولید و کاربرد نانو سیالات به دو روش است:
(۱) روش دومرحلهای (Two-step process)
مرحله نخست این روش شامل تولید نانو ذرات به صورت یک پودر خشک بوده که اغلب توسط کندانس نمودن با یک گاز بیاثر انجام میشود. در مرحله بعد نانو ذرات تولیدشده در سیال پخش میگردند.
نکته اساسی در این روش تجمع نانو ذرات بر اثر چسبندگی آنها به همدیگر است که از معایب این روش به شمار میآید.
(۲)روش تکمرحلهای (Single-step process)
در این روش از یک مرحله که تبخیر مستقیم است استفاده میگردد. مزیت استفاده از این روش آن است که تجمع ذرات بر اثر چسبندگی آنها به یکدیگر بهطور قابل ملاحظهای کاهش یافته و به حداقل میرسد ]۱۸[ .شکل ۳-۱ گویای این موضوع میباشد.
شکل ۳-۱: مقیاسی از ذرات نانوسیال ]۲۲[
همچنین یک نکته اساسی در روشهای تولید نانو سیالات ایجاد پایداری برای ذرات معلق جامد، با بهرهگیری از خواص سطحی ذرات معلق و نیز پیشگیری از ایجاد خوشهای ذرات است. در این راستا سه روش عمده وجود دارد ]۱۸[:
تغییر میزان pH
استفاده از جاذبهای سطحی (surface activators)
استفاده از ارتعاشات مافوق صوت (ultrasonic vibration)
فرم در حال بارگذاری ...