نانوسیالات، یکی از مقوله های نسبتا جدیدی به حساب می آیند که در دهه اخیر به دلیل اهمیت بالای صرفه جویی و افزایش بهره وری در مصرف انرژی بسیار مورد توجه قرار گرفته اند.
نانوسیال به محلول سوسپانسیونی اشاره دارد که ذرات بسیار کوچک (بسیار ریزتراز 100 نانومتر) در سیالی با خلوص بالا معلق باشند. با توجه به پیشرفت های اخیر در فناوری نانو، یکی از روش های نوین بهبود راندمان مبدل های حرارتی، استفاده از نانو سیالات می باشد که در دهه گذشته مطالعات تجربی و نظری فراوانی پیرامون آن در مراجع علمی صورت گرفته است.
نتایج مطالعات نشان می دهد افزایش دبی و غلظت نانو سیالات تاثیر شگرفی بر افزایش ضریب انتقال حرارت جابجایی داشته و سایز نانو ذرات استفاده شده برای ایجاد نانوسیال در محدوده 20-50 نانومتر اثر مطلوب تری برافزایش انتقال حرارت می گذارد. تغییر دمای ورودی نانو سیال به مبدل های حرارتی در محدوده 10 درجه سانتی گراد آنچنان بر ضریب انتقال حرارت موثر نمی باشد.
در صورت فراهم شدن شرایط مناسب(دبی و غلظت نانوسیال)، افزایشی در حدود60%-50% برای ضریب انتقال حرارت جابجایی نانو سیالات نسبت به سیالات پایه گزارش شده است. که این افزایش چشمگیر می تواند انقلابی در هزینه های انرژی در صنایع گوناگون ایجاد نماید. هدف در این جا بررسی نقش نانوسیال در افزایش و بهبود میزان انتقال حرارت در یک مبدل حرارتی می باشد.
تحقیقات اخیر در مورد استفاده از نانو سیالات در مبدل‌های حرارتی صرفه جویی در مصرف انرژی یکی از مسائل حیاتی قرن بیست و یکم است و مطمئنا یکی از مهمترین چالش های موجود در آینده نزدیک خواهد بود. بنابراین، دانشمندان، مهندسان و محققان برای حل این مسئله مهم تلاش می کنند. پیشرفت هایی که در گرمایش و خنک کردن دستگاه های صنعتی انجام می شود، موجب صرفه جویی در مصرف انرژی و بهبود انتقال حرارت می شود و عمر مفید تجهیزات را افزایش می دهد. صرفه جویی در انرژی می تواند با استفاده کارآمد از انرژی انجام شود. تبدیل و بازیابی انرژی از راه های صرفه جویی درمصرف انرژی است. به دلایل ذکرشده در بالا انواع مختلف مبدل های حرارتی در بیشتر مناطق صنعتی مانند راکتورهای هسته ای، نیروگاه های برق، صنایع پتروشیمی، تبرید، گرمکن های خورشیدی و راکتورهای شیمیایی استفاده می شود.
تلاش های بسیاری برای افزایش انتقال گرما، کاهش زمان انتقال حرارت و در نتیجه افزایش بازده در مبدل های حرارتی شده است. کاربرد ادتیو در سیال های عملیاتی برای تغییرخواص ترموفیزیکی خود یک تکنیک جالب برای بهبود انتقال حرارت است. توسعه اخیر در فناوری نانو راه را برای این امر هموار کرده است.افزایش سطح انتقال حرارت معمولا توسط پره صورت می گیرد. علاوه بر تغییرات هندسی، ارتقاء ویژگی های حرارتی سیالات انتقال حرارت می تواند انتقال حرارت بیشتری را در مبدل های حرارتی ایجاد کند. برای بهبود ویژگی انتقال حرارت سیالات ، مفهوم “نانوسیال” توسط چویی در سال ۱۹۹۵ پیشنهاد شده است. ترکیب سیالات با نانوذرات جامد را نانوسیال گویند.
نانوسیالات بعنوان سیال های پیشرفته ی انتقال حرارت، می توانند بر محدودیت های ویژگی های حرارت فیزیکی ضعیف مربوط به سیالات مانند هدایت حرارتی کم غلبه کنند.محققان ثابت کرده اند که نانو سیالات دارای مزایایی مانند هدایت گرما و پایداری مناسب هستند. بسیاری از نظرسنجی ها در زمینه نانوسیالات انجام شده و برخی از محققان مطالعات انجام شده در این زمینه را در زمینه های مختلف نظیر استفاده از نانوسیالات در جوشش انتقال حرارت، انتقال حرارت جابجایی و فاکتور تصحیح اصطکاک،نانو سیالات مغناطیسی،تولید آنتروپی و انتقال جرم در نانوسیالات بررسی کرده اند.استفاده از نانوسیالات می تواند یکی از جالب ترین تکنیک های افزایش انتقال گرما در مبدل های حرارتی باشد.
در مقالات بعدی به بررسی استفاده از نانوسیالات در مبدل های حرارتی و شناسایی نقص ها و چالش ها می پردازیم. اما در ابتدا، نتایج بررسی که بر روی مبدل های حرارتی مختلف انجام شده است که در آن نانوسیال ها به عنوان خنک کننده کار می کنند را معرفی کرده و در نهایت برخی از جنبه های جالب در این زمینه (به عنوان مثال ترکیبی از نانوسیال ها با مبدل های حرارتی) را معرفی و در خصوص آن بحث میکنیم .
نتایج پژوهش ها
نتایج پژوهش های صورت گرفته برروی نانوسیالات در مبدل های گرمایی به شرح زیر می باشد :
1- تاثیر نانوسیال نقره ـ آب بر بهبود کارایی یک مبدل حرارتی صفحه‌ای (PHE) موجداردر این راستا، یک دستگاه آزمایشگاهی برای تشخیص نرخ انتقال حرارت و افت فشار نانوسیال فراهم شد. یافته‌ها نشان داد که ضریب انتقال حرارت کلی برای نانوسیال نقره ppm100 از ۶٫۱۸٪ به ۱۶٫۷۹٪ افزایش می‌یابد. در هنگام استفاده از نانوسیال، رشد قابل‌توجهی در میزان افت فشار مشاهده نشد. بعلاوه، درجه حرارت‌ها و نرخ‌های جریان فرآیند، تأثیرات فراوانی بر سودمندی کاربرد نانوسیال در مبدل حرارتی صفحه‌ای داشت.
2- تأثیر گروه‌های عاملی کووالانسی مختلف بر خواص ترموفیزیکی سیال مبتنی بر نانولوله کربنیبرای روشن شدن این موضوع، سیستئین (Cys) و نقره (Ag) به‌صورت کووالانسی به سطح نانو لوله‌های کربنی چندجداره (MWCNT) متصل شدند. جهت محاسبه خواص حرارتی، نانوسیال‌های مختلف پایه آبی از قبیل نانو لوله‌های کربنی چندجداره (MWCNT) عامل دار شده با صمغ عربی و نانولوله‌های کربنی چندجداره (MWCNT) عامل‌دار شده با سیستئین (FMWCNT-Cys) و نقره (FMWCNT-Ag) به‌عنوان خنک‌کننده در مبدل حرارتی صفحه‌ای (PHE) موج‌دار جریان ناهمسو به‌کارگیری شدند. مشخص شد که افزایش عدد رینولدز، عدد پکلت یا کسر حجمی، ویژگی‌های انتقال حرارت نانوسیال را بهبود می‌بخشد. در غلظت ۱٪، به ترتیب ۴۱٫۳۰۷۳٪ و ۴۱٫۳۰۵۸٪ افزایش در ضرایب انتقال حرارت در حداقل و حداکثر عدد پکلت به دست آمد.
3- تأثیرات جریان مولد گرداب (VG) و نانوسیال مس ـ آب بر عملکرد مبدل‌های حرارتی صفحه ـ پرهبرای رسیدن به نتایج دقیق از ویژگی‌های انتقال حرارت و افت فشار، یک حلقه تست بسیار دقیق ساخته شد. بر اساس نتایج حاصل، استفاده از کانال VG به‌جای کانال ساده، نرخ انتقال حرارت را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد. همچنین نتایج نشان داد که کانال VG در عملکرد مبدل‌های حرارتی صفحه ـ پره از نانوسیال مؤثرتر است. مشاهده شد که ترکیبی از این دو تکنیک بهبود انتقال حرارت، عملکرد حرارتی ـ هیدرولیکی بسیار بالایی دارد که تا میزان ۱٫۶۷ افزایش می‌یابد.بررسی‌های انجام‌شده بر روی مبدل حرارتی صفحه‌ای (PHE) عملکرد عالی نانوسیال‌ها را ازنظر ویژگی‌های انتقال حرارت نشان می‌دهد. بر اساس یافته‌های به‌دست‌آمده، می‌توان نتیجه گرفت که ضریب انتقال حرارت با افزایش کسر حجمی افزایش می‌یابد که بعلاوه می‌تواند با افزایش خواص ترموفیزیکی مرتبط بوده و توجیه گردد.
بااین‌وجود، مطالعات خاصی وجود دارد که با این یافته ناسازگاری داشته و به این نتیجه‌گیری گرایش دارند که بازدهی انتقال گرما، از طریق کاهش غلظت نانوسیالات و افزایش عدد رینولدز و عدد پکلت تشدید می گردد.مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای (PHE) به دلیل وجود صفحات، پارامترهای هندسی بیشتری نسبت به مبدل‌های حرارتی دیگر دارند. به همین دلیل بسیاری از مطالعات انجام‌شده در زمینه کاربرد نانوسیال‌ها در مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای (PHE) بر ویژگی‌های هندسی آن‌ها تمرکز کرده‌اند.