پارامترهای انتقال حرارت در نانوسیالات

پارامترهای انتقال حرارت در نانوسیالات

افزایش انتقال حرارت در نانوسیالات به پارامترهای زیادی بستگی دارد که در این بخش هرکـدام از آن­ها بطور مختصر توضیح داده خواهد شد .

 

۱- انباشتگی ذرات

نانوذرات در اثر نیروهای بین ملکولی مانند نیروی واندروالس تمایل به انباشتگی دارند . کارتیکین و همکاران آزمایش­های تجربی روی مخلوط اکسید مس-آب انجام دادند و نشان دادند که اندازه و خوشه شدن نانوذرات اثر مهمی روی رسانش حرارتی نانوسیال دارند. همچنین آن­ها نشان دادند که انباشتگی نانوذرات به زمان بستگی دارد و با گذشت زمان انباشتگی آن­ها افزایش می­یابد در نتیجه رسانش حرارتی در نانوسیال کاهش می­یابد. شکل (۱-۱) نشان می­دهد که رسانش حرارتی در نانوسیال با افزایش زمان شدیدا کاهش می­یابد و همچنین در شکل (۱-۲) انباشتگی نانوسیال با گذشت زمان به صورت میکروسکوپی نشان داده شده است. آن­ها نشان دادند که در این فاصله زمانی هیچگونه ته­نشینی در نانوسیال اتفاق نیفتاده است.

گروهی دیگر از دانشمندان نشان دادند که با افزایش مقدار نانوذرات جامد میزان انباشتگی به دلیل بزرگ شدن توده­های نانوذرات و در نتیجه افزایش نیروهای واندروالس، افزایش می­یابد. وانگ و همکاران  ویسکوزیته­ی مخلوط آلومینیوم – آب را اندازه گیری کرده و نشان داده اند که با افزایش انباشتگی نانوذرات ویسکوزیته نانوسیال نیز افزایش می­یابد.

۲- نسبت حجمی ذرات نانو

ضریب رسانش حرارتی نانوسیال با افزایش نسبت حجمی نانوذرات افزایش می­یابد شکل (۱-۳). اما افزایش زیاد ذرات نانو به سیال باعث ته­نشینی ذرات نانو می­شود. به همین دلیل هر چه نسبت ذرات نانو به سیال کمتر باشد، نانوسیال مطلوب­تر خواهد بود .

۳- حرکت براونی

حرکت براونی (حرکت تصادفی ذرات نانو در سیال) نیز یکی دیگر از عوامل موثر بر افزایش ضریب رسانش حرارتی موثر در نانوسیال است. هر چه اندازه­ی نانوذرات کوچکتر باشد حرکت براونی آن­ها افزایش می­یابد و در نتیجه ضریب رسانش حرارتی نیز افزایش می­یابد و همین­طور با افزایش اندازه نانوذرات حرکت براونی کاهش می­یابد .

۴- ترمو­فورسیس

مولکول­هایی که در محیط گرم­تر قرار دارند بدلیل بالا بودن انرژی مومنتم بالاتر، با مولکول­های مجاور برخورد میکنند. این امر موجب حرکت مولکول­ها از محیط گرم­تر به محیط سردتر و در نتیجه افزایش انتقال حرارت می­شود. به این پدیده ترموفورسیس می­گویند.

۵- اندازه نانو ذرات

تحقیقات نشان داده­اند که با کاهش اندازه نانوذرات ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال افزایش می­یابد . این افزایش ضریب رسانش حرارتی به دلیل افزایش حرکت براونی نانوذرات و همچنین کاهش رسوب آن­ها می­باشد .

۶- شکل نانوذرات

تحقیقات نشان داده­اند که هر چه شکل نانوذرات چند وجهی­تر باشد، ضریب رسانش حرارتی آن بیشتر است . دلیل این امر افزایش نسبت سطح به حجم نانوذرات می­باشد. هر چه این نسبت بزرگتر باشد ضریب رسانش حرارتی موثر بیشتر می­باشد. شکل (۱-۴) نشان می­دهد که ضریب رسانش حرارتی موثر مخلوط آب-اکسید آلومنیم با افزایش وجه­های نانوذرات از کروی به شش وجهی، افزایش می­یابد.

۷– ضخامت لایه سیال بین ذرات نانو

لایه سیال پیرامون ذرات نانو در نانوسیال نیز به افزایش انتقال حرارت کمک می­کند. هر چند ضخامت و رسانش حرارتی این لایه ملکولی سیال هنوز مشخص نیست اما شکل لایه­های ملکولی سیال محصور بین نانوذرات جامد توسط یو و همکاران مشخص شده است. رن، و همکاران یک مدل تئوری برای مطالعه تغییرات رسانش حرارتی موثر نسبت به ملکول­های سیال پیرامون ذرات نانو ارائه کردند. آن­ها نشان دادند که با افزایش ضخامت لایه سیال ضریب رسانش حرارتی نیز افزایش می­یابد (شکل ۱-۵-الف). کبلینسکی و همکاران  نیز روی اثر لایه سیال پیرامون نانوذرات بر ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال تحقیقاتی انجام دادند.

آن­ها نیز نشان دادند که با افزایش لایه سیال پیرامون نانوذرات ضریب رسانش حرارتی موثر افزایش می­یابد (شکل ۱-۵-ب). در این اشکال، d بیان کننده ضخامت لایه سیال و r_p بیان کننده شعاع نانوذرات است. شکل نشان می­دهند که با افزایش لایه سیال اطراف نانوذرات و یا کاهش شعاع ذرات نانو ضریب رسانش حرارتی افزایش می­یابد.

الف)

 

ب)

۸- دما

ضریب رسانش حرارتی موثر و حرکت براونی نانوسیال با دما افزایش می­یابد. چون و همکاران با انجام آزمایش تجربی روی مخلوط آلومینیوم–آب چگونگی تغییرات ضریب رسانش حرارتی با دما را نشان دادند. شکل (۱-۶) نشان می­دهد که با افزایش دمای نانوسیال ضریب رسانش حرارتی نانوسیال نسبت به سیال پایه افزایش می­یابد.

۹- کاهش در ضخامت لایه مرزی گرمایی

تعداد کمی از محققان نشان دادند که کاهش در ضخامت لایه مرزی گرمایی یکی از مکانیزم­های افزایش ضریب رسانش حرارتی در نانوسیال می­باشد.

موضوع افزایش انتقال حرارت در نانوسیال بسیار جدید بوده و تعیین مکانیزم­های افزایش انتقال حرارت در آن هنوز نیازمند مطالعه بیشتر می­باشد. همچنین اکثر تحقیقات انجام شده تاکنون روی ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال است و هنوز تحقیقات زیادی روی مکانیزم­های موثر افزایش ضریب انتقال حرارت جابجایی انجام نشده است و تحقیقات بیشتری برای یافتن مکانیزم­های افزایش انتقال حرارت مورد نیاز است.