نانو سیالات

(قسمت اول)

این ذرات از جنس ذرات فلزی همچون مس، نقره و... و یا اکسید فلزی همچون اکسید آلومینیوم، 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 هدایتی شان با توزیع در سیال پایه باعث افزایش ضریب هدایت حرارتی سیال، که یکی از پارامترهای اساسی انتقال حرارت محسوب می‌شود، می گردند.

در واقع گروهی جدید از سیالات که قادر به انتقال حرارت می‌باشند، نانوسیال نامیده می‌شوند. نانوسیالات به ‌وسیله پخش و منتشر کردن ذرات در اندازه‌های نانومتری در سیالات متداول منتقل کننده گرما، به ‌منظور افزایش هدایت گرمایی و بهبود عملکرد انتقال حرارت، ساخته می‌شوند.

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 به ‌صورت نظری پیش‌بینی شده است. این واقعیت یک کشف اساسی در مسئله انتقال حرارت می‌باشد.

از نانوسیالات می‌توان به ‌منظور توسعه سیستم‌های کنترل حرارت در بسیاری کاربردها از جمله وسایل نقلیه سنگین استفاده نمود. کنترل حرارت یکی از عوامل کلیدی در فناوری‌‌های مربوط به محصولاتی مانند پیل‌ سوختی و وسایل نقلیه دوگانه سوز– الکتریکی می‌باشد که بیشتر آنها تحت دماهای عمدتاً کمتر از دمای موتورهای احتراقی داخلی متداول، عمل می‌کنند.

بنابراین نیاز مبرمی به توسعه سیالات انتقال ‌دهنده حرارت با هدایت گرمایی خیلی بالا و نیز انتقال این فناوری به صنایع خودرو وجود دارد.

مزایای نانوسیال

ذراتی که در تحقیقات قدیمی به سیالات افزوده می شد دارای اندازه های میکرومتری بودند. این ذرات پایداری لازم در سوسپانسیون را نداشته و به سرعت ته نشین می شوند. همین امر سبب می شود که مجاری عبور سیال به سرعت مسدود گردد. در حالی که ذرات با اندازه نانو، تشکیل سوسپانسیون های بسیار پایدارتری داده و پائین بودن سرعت ته نشینی آنها سبب می گردد که مشکل گرفتگی و انسداد مجاری به حداقل برسد. در واقع نانوسیالات از پراکنده‌سازی نانوذرات (کمتر از 100 نانومتر) در یک سیال پایه ایجاد می‌شوند.

بررسی‌های انجام‌گرفته نشان‌دهنده بهبود ویژگی‌های حرارتی سوسپانسیون نسبت به سیال پایه است. یکی از فاکتورهای کلیدی در بهینه شدن خواص این دسته از سیالات مسئله پایداری آن‌ها است. تهیه سوسپانسیون یکنواخت و پایدار تاثیر بسزایی در بهبود خواص حرارتی نانوسیال دارد. یکی از مواردی که بر پایداری نانوسیال تاثیر می‌گذارد پدیده تشکیل خوشه یا تجمع است. عوامل مختلفی بر این پدیده تاثیرگذارند؛ اندازه ذرات، نوع ذرات، وی ‍ ژگی‌های سیال پایه، و روش تهیه نانوسیال از جمله این عوامل هستند.

ویژگی های 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.

تهیه نانوسیالات

بهبود خواص حرارتی نانوسیال احتیاج به انتخاب روش تهیه مناسب این سوسپانسیون‌ها دارد تا از ته‌نشینی و ناپایداری آنها جلوگیری شود. متناسب با کاربرد، انواع بسیاری از نانوسیالات از جمله نانوسیال اکسید فلزات، نیتریت‌ها، کاربید فلزات و غیرفلزات که به وسیله یا بدون استفاده از سورفکتانت در سیالاتی مانند آب، اتیلن گلیگول و روغن به وجود آمده است. مطالعات زیادی روی چگونگی تهیه نانوذرات و روش‌های پراکنده‌سازی آنها درسیال پایه انجام شده است که در اینجا به طور مختصر چند روش متداول‌ را که برای تهیه نانوسیال وجود دارد ذکر می‌کنیم.

یکی از روش‌های متداول تهیه نانوسیال، روش دو مرحله‌ای است:

در این روش ابتدا نانوذره یا نانولوله معمولاً به وسیله روش رسوب بخار شیمیایی (CVD) در فضای گاز بی‌اثر به صورت پودرهای خشک تهیه می‌شود، در مرحله بعد نانوذره یا نانولوله در داخل سیال پراکنده می‌شود. برای این کار از روش‌هایی مانند لرزاننده‌های مافوق صوت و یا از سورفکتانت‌ها استفاده می‌شود تا توده‌های نانوذره‌ای به حداقل رسیده و باعث بهبود رفتار پراکندگی شود. روش دو مرحله‌ای برای بعضی موارد مانند اکسید فلزات در آب، دیونیزه شده بسیار مناسب است و برای نانوسیالات شامل نانوذرات فلزی سنگینی، کمتر موفق بوده است.

روش دو مرحله‌ای دارای مزایای اقتصادی بالقوه‌ای است؛ زیرا شرکت‌های زیادی توانایی تهیه نانوپودرها در مقیاس صنعتی را دارند.

روش یک مرحله‌ای نیز به موازات روش دو مرحله‌ای پیشرفت کرده است؛ به طور مثال نانوسیالاتی شامل نانوذرات فلزی با استفاده از روش تبخیر مستقیم تهیه شده‌اند و در این روش، منبع فلزی تحت شرایط خلاء تبخیر می‌شود در این روش، تراکم توده نانوذرات به حداقل خود می‌رسد، اما فشار بخار پایین سیال یکی از معایب این فرایند محسوب می‌شود؛ ولی با این حال روش‌های شیمیایی تک مرحله‌ای مختلفی برای تهیه نانوسیال به وجود آمده است که از آن جمله می‌توان به روش احیای نمک فلزات و تهیه سوسپانسیون آن در حلال‌های مختلف برای تهیه نانوسیال فلزات اشاره کرد. مزیت اصلی روش یک مرحله‌ای، کنترل بسیار مناسب روی اندازه و توزیع اندازه ذرات است.

     ادامه دارد...

منبع: irsme ، nano، vista