انتقال حرارت در نانو سيالات (2)

مكانيسم‌هاي انتقال حرارت در نانو سيالات

در بررسي مكانيسم‌هاي انتقال حرارت 2 مكانيسم مورد توجه قرار مي‌گيرد.

1- مكانيسم هدايت حرارتي

مهمترين نكته در اين بخش يادآوري اين موضوع است كه ضريب هدايت حرارتي سيالات، نقش اصلي را در ميزان انتقال حرارت در تجهيزات مربوطه ايفا مي‌كنند. در همين راستا نانو ذرات به دليل دارا بودن ضريب انتقال حرارت بالا، سبب افزايش قابل توجه در انتقال حرارت هدايتي نانو سيالات مي‌شوند به طور مثال استفاده از نانو ذرات مس و نانو لوله‌هاي كربني در اتيلن گلايکول و نفت موجب افزايش ضريب انتقال حرارت سيال پايه به ميزان 40% و 150% مي‌شود.

پيش از پرداختن به مدلهاي رياضي موجود، مؤثرترين فاكتورها در افزايش انتقال حرارت نانو سيالات بر اساس آزمايشات صورت گرفته و داده‌هاي تجربي موجود بررسي مي‌شود، اين فاكتورها عبارتند از:

- نوع سيال پايه و نانو ذرات مورد استفاده

- جزء حجمي ذرات

- اندازة نانو ذرات

- شكل نانو ذرات (نسبت منظر يا aspect ratio)

- ميزانpH  نانو سيالات

-   نوع پوشش مورد استفاده براي ذرات (particle coating)

مدلهاي رياضي كه در اين زمينه ارائه شده مبتني بر محاسبة ضريب هدايت حرارتي مؤثر  نانو سيال مي‌باشد نخستين رابطه‌اي كه مبناي بسياري از كارها قرار گرفته و براي  نانو سيالات نيز استفاده شده است رابطة مربوط به ماكسول مي‌باشد اين رابطه براي مخلوط مايع و ذرات جامد با ابعاد نسبتاً ريز بيان شده  است .

در اين رابطه K1   و KP  به ترتيب بيانگر ضريب هدايت حرارتي سيال و ذرات مي‌باشد و نيز  مبين جزء حجمي ذرات در مخلوط است. همانطور كه مشاهده مي‌شود اين رابطه تنها به 3 پارامتر مذكور بستگي دارد. اما نكتة اساسي آن است كه ضريب هدايت حرارتي نانو سيالات حاوي ذرات غير كروي علاوه بر جزء حجمي ذرات به شكل نانو ذرات نيز بستگي پيدا مي‌كند كه تابعي از ميزان كرويت ذرات مي‌باشد. در اين راستا مدل ديگري كه براي مخلوطهاي دو جزئي مورد استفاده قرار مي‌گيرد و در سال 1962 توسط Hamilton  و Crosser  ارائه شد ، براي نانو سيالات نيز مورد توجه قرار گرفته است.

همانطور كه مشاهده مي‌گردد در اين رابطه يك ضريب وجود دارد كه بر ميزان كرويت ذرات مرتبط مي‌شود. يعني به جاي ضريب 2 در رابطه ماكسول از  nاستفاده شده است. در صورتي كه ذرات كاملاً كروي باشند بر اساس رابطة     به  دليل آنكه  است پس مقدار n برابر 3 بدست آمده و با جايگذاري در اين رابطه به همان رابطة ماكسول خواهيم رسيد.

در اكثر مقالات به 4 مكانيسم احتمالي كه در انتقال حرارت نانو سيالات مؤثر مي‌باشد اشاره شده است.

اين فاكتورها عبارتند از:

1- حركت تصادفي ذرات(Brownian motion of particles)

2- ماهيت انتقال حرارت در نانو ذرات (از هر ذره به ذرات كناري‌اش)

3- خوشه‌اي شدن نانو ذرات، كه در صورتي كه از يك ميزان مشخص بيشتر شود و سبب كاهش انتقال حرارت خواهد شد. ( nanoparticle clustering)

4- ايجاد يك سطح شبيه ذرة جامد در اطراف ذرات جامد در محيط مايع و يا به عبارت ديگر ايجاد سطوح لايه‌اي مايع در فصل مشترك مايع و ذرة جامد

مورد چهارم از موارد ذكر شده در تعداد بيشتري از مقالات مورد توجه قرار گرفته و اهميت آن در افزايش انتقال حرارت نانو سيالات خيلي بيشتر از ديگر فاكتورها عنوان شده است. در اينجا به يك مدل براي محاسبة ضريب هدايت حرارتي مؤثر  نانو سيالات كه مبتني در وجود لايه‌اي در فصل مشترك ذره و سيال مي‌باشد پرداخته مي‌شود.

تمامي مدلهاي موجود براي محاسبة ضريب هدايت حرارتي مؤثر  نانو سيالات مستقل از ساير ذرات و نيز فصل مشترك بين ذرات و سيال است. اما مطالعات آزمايشگاهي اخير حاكي از آن است كه مولكولهاي سيال كه در نزديكي سطح جامد هستند ساختاري لايه‌اي داشتند و اين ساختار بسيار شبيه به ذره جامد است.

در مورد ذرات با ابعاد نانو متر، افزايش ضخامت لاية مذكور تأثير فراواني بر افزايش ضريب هدايت حرارتي دارد.

در اين مدل از يك فرض اوليه استفاده شده كه در آن نانو ذره اوليه و لايه اطراف آن به صورت يك كمپلكس در نظر گرفته شده است. در واقع نانو سيال به صورت كمپلكس هاي نانو ذره‌اي كه در سيال توزيع شده فرض مي‌گردد.

در اين مدل كمپلكس نانو ذره به شكل يك كره مي‌باشد كه داراي مشخصات زير است:

• : r   شعاع كره

• t : ضخامت لاية خارجي كره

• k1 : ضريب هدايت حرارتي نانو ذره

• k2 :  ضريب هدايت حرارتي پوسته (لاية اطراف نانو ذره)

• km : ضريب هدايت حرارتي سيال

• kc: ضريب هدايت حرارتي كمپلكس نانو ذره

• keff : ضريب هدايت حرارتي موثر نانو سيال