نانوفلوید | هوافضای جوان

نانوفلوید

در رشته ی هوافضا، مطالعات انجام شده معمولا مربوط به مقیاس ماکروسکوپیک (بررسی پدیده ها در اندازه ی بزرگ) است. اما بخش چشمگیری از مطالعات هوافضایی در زمینه ی سیالات می باشد و این تحقیقات می تواند در مقیاس میکروسکوپیک نیز انجام شود. یکی از زمینه های سیالاتی که به تازگی به آن توجه ویژه ای شده است، نانوفلوید است. در ادامه به معرفی این نوع سیال می پردازیم.

تعریف

نانوفلوید (سوسپانسیون با ذرات معلق نانو) واژه ای نسبتا جدید است که در سال ۱۹۹۵ توسط آقای چوی، برای تشریح نانوتکنولوژی جدیدی مربوط به انتقال حرارت و سیالات با ویژگی های حرارتی تقویت شده، معرفی شد. نانوفلوید بخش جدیدی از نانوتکنولوژی بر اساس انتقال حرارت سیال است. نانوفلوید با مخلوط کردن ذرات جامد در محدوده ی ۱۰ نانومتر در سیال، بدون ته نشین شدن، بدست می آید.

موضوع انتقال حرارت در چند دهه ی گذشته یک نیاز اساسی در تکنولوژی های صنعتی شده است. به دلیل تولید حرارت چه در مقیاس میکروسکوپیک، مانند چیپ های کامپیوتری و چه در مقیاس بزرگتر مانند موتور ماشین و هواپیما، روش های معمول انتقال حرارت سیالاتی مانند آب، هوا، روغن و غیره به دلیل ضریب انتقال حرارت پایینی که دارند پاسخگوی این نیازها نیستند.

استفاده از نانوفلوید در سیستم انتقال حرارت پردازشگر های کامپیوتری، این تصویر، نمای ساده شده ی فرایند انتقال حرارت از یک میکروپروسسور را نشان می دهد.

پیدایش نانوفلوید

نزدیک به صد سال پیش، مطالعاتی مربوط به ارتقای کیفیت انتقال حرارت آب به وسیله ی افزودن قطعات مواد جامد به آن انجام شده بود. در این تحقیقات، فیزیکدان اسکاتلندی، آقای ماکسول یک مدل تئوری از هدایت الکتریکی مجموعه ی ذرات جامد با جنس های مختلف را ارائه کرد. از آن زمان تا به حال، مدل کلاسیک ماکسول برای بررسی قابلیت انتقال حرارت ترکیب سیال با ذرات جامد معلق در آن استفاده شده است. ورود این تحقیقات به حوزه ی میکروسکوپیک، شروعی برای نانوفلوید بود.

مشکل عمده ی این ترکیبات، ته نشین شدن سریع ذرات جامد در سیال بود. از جمله مشکلات دیگر این ترکیبات، ساییدگی مسیر عبور سیال، گرفتگی لوله ها و افت فشار بود. همچنین، برای افزایش ضریب انتقال حرارت به صورت چشمگیر، تراکم ذرات معلق باید در حد غیر معمولی بالا می بود. این مشکلات باعث شد که در طی این صد سال استفاده از این ترکیبات محدود شود.

به کمک تکنولوژی جدید نانوفلوید توانایی تولید ذراتی با قطر میانگین کوچکتر از ۱۰۰ نانومتر امکان پذیر شد.

تصویری از ذرات کوپر اکساید در نانوفلوید

کاربرد

در تولید نانوفلوید هدف بدست آوردن سیالی با بیشترین ضریب انتقال حرارتی، کمترین درصد ترکیبی ذرات جامد (ترجیحا کمتر از ۱ درصد حجمی) و ایجاد ترکیبی یکدست و پایدار است. برای بدست آوردن چنین ترکیبی ابتدا باید درک خوبی از ساز و کار انتقال حرارت در این سیال و این که چگونه این ذرات بر روی ویژگی های حرارتی سیال اثر مثبت می گذارند داشت.

در همین راستا، محققان به تولید مدل های ریاضی متنوع و پیدا کردن کاربرد های نانوفلوید در سیستم های انتقال حرارتی مختلف مشغول شدند. کاربردهای غیر معمول نانوفلوید منجر به پیدایش نسل جدیدی از سیستم های انتقال حرارتی برای کامپیوتر ها و راکتور های هسته ای منجر شد.

همچنین، نانوفلوید توانایی کاربرد در صنایع مختلفی همچون پیل سوختی، فرایند های داروسازی، سیستم موتورهای هیبریدی، چیلرها، انرژی خورشیدی و غیره را دارد.

در این تصویر، کاربرد نانوفلوید در استفاده از انرژی خورشیدی را می توان مشاهده کرد. به کمک نانوفلوید می توان انرژی خورشیدی را به صورت بهینه تری جذب کرد.

همچنین، سیالات با ویژگی مغناطیسی نوعی نانوفلوید خاص می باشند که از ویژگی مغناطیسی ذرات معلق در سیال برای ایجاد مومنتوم در سیال می شود استفاده کرد. به عنوان مثال برای کاربرد این سیال، از این ویژگی می توان در ساخت قطعات مکانیکی چرخده با طول عمر بالا و بدون نشتی که در سیستم های خاص قابلیت به کارگیری داشته باشد، استفاده کرد. در ویدیوی زیر، تصاویری از نانوفلوید با ویژگی مغناطیسی را نشان می دهد. این ویدیو بخشی از یک پروژه ی تحقیقاتی بر روی نانوفلوید در دانشگاه استونی بروک است.

ترکیبات مختلف

همانطور که توضیح داده شد، نانوفلوید از ترکیب یک سیال با ذرات بسیار ریز جامد بدست می آید. مواد جامد را معمولا از یکی از مواد زیر انتخاب می کنند.

  • اکسید سرامیک Al2O3، CuO
  • متال کاربید SiC
  • نیترید AlN، SiN
  • فلزات Al، Cu
  • غیرفلزات، گرافیت، نانوتیوب کربن

هر کدام از این مواد ترکیبات شیمیایی از عناصر مختلف می باشند. بخش سیال نانوفلوید نیز می تواند یکی از مایعات زیر باشد:

  • آب
  • اتیلن، تری اتیلن یا گلیکلوز
  • بایو-سیال
  • روغن و دیگر روان سازنده ها
  • مواد نفتی
  • دیگر سیالات معمول

فرایند ساخت

دو روش کلی برای ساخت نانوفلوید ها به اسم یک-قدم و دو-قدم وجود دارد. روش دو قدمی استفاده ی بیشتری در ساخت نانوفلوید دارد. در این روش، ذرات نانو ابتدا به صورت پودر آماده می شوند، سپس در قدم دوم، در مایع مورد نظر مخلوط می شوند. فرایند مخلوط کردن ذرات نانو نیز می تواند از طریق یکی از این روش ها انجام می شود: تحریک با نیروی مغناطیسی بسیار قوی، تحریک با امواج ماورا صوت و غیره.

همچنین، روش یک قدمی به این صورت است که ذرات نانو به صورت همزمان ایجاد و در سیال ناپدید می شوند. مزیت این روش در حذف فرایند های خشک کردن، ذخیره، انتقال و حل کردن ذرات نانو می باشد و پایداری ترکیب بالاتر است. اما متاسفانه از این روش برای مقیاس بزرگ نمی توان استفاده کرد.

ذرات نانوکوپر در سیال اتیلن گلیکل، این نانوفلوید از روش یک قدمی بدست آمده است.

یکی از مشکلات اساسی نانوفلوید ها ته نشین شدن آن بعد از مدتی است که مشکلاتی از قبیل افت فشار و گرفتگی مجراها را دارد. این مشکل با افزودن ماده ی سومی به اسم پخش کننده یا Dispersant برطرف می شود. این ماده معمولا متشکل از یک دنباله ی بلند هیدروکربنی است که یک سمت آن به سیال و سمت دیگر آن به ذرات نانو می چسپند. فرایند کار آن مانند استفاده از صابون برای ایجاد پیوند بین چربی و آب می باشد. این دو ماده ذاتا همدیگر را دفع می کنند اما صابون این بین نقش واسطه را برقرار می کند.

تصویر زیر، تفاوت استفاده از پخش کننده را نشان می دهد. در سمت راست تصویر، نانوفلوید با استفاده از پخش کننده را نشان می دهد که ذرات آن ته نشین نشده اند. اما در تصویر سمت چپ، پخش کننده ای استفاده نشده است و ذرات نانو در سیال ته نشین شده اند.

نانوفلوید ایجاد شده با استفاده از کربن نانوتیوب. سمت چپ بدون استفاده از پخش کننده و سمت راست به کمک ماده ی پخش کننده تولید شده است.

اگرچه در چند دهه ی گذشته مطالعات زیادی روی نانوفلوید انجام شده است، اما این تکنولوژی هنوز در مراحل مقدماتی خود به سر می برد و برای مهندسان و محققان خلاق در زمینه ی سیالات تواند فرصت های مناسبی را ارائه کند.

منابع

https://en.wikipedia.org/wiki/Nanofluid

http://www.unilab.eu/articles/technical-articles/thermodynamic-engineering-articles/nanofluids/

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5485778/

https://www.electronics-cooling.com/2004/11/heat-transfer-enhancement-by-using-nanofluids-for-cooling-of-high-heat-output-microprocessor/#

https://www.researchgate.net/publication/236012591_Application_of_nanofluids_in_computer_cooling_systems_heat_transfer_performance_of_nanofluids


 

 

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

لطفا معادله امنیتی را وارد کنید. * Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.