در سال های اخیر، مطالعات بر روی رفتار رئولوژیکی و انتقال حرارتی نانو سیالات به شدت رشد کرده و نتایج حاصل، پیشرفت های چشمگیری در این زمینه را حکایت می کند. در این پژوهش به بررسی آزمایشگاهی تأثیر پارامترهای کسر حجمی و دما بر ضریب هدایت گرمایی، لزجت دینامیکی نانو سیال جدید و پرکاربرد اکسید آهن – آب دیونیزه پرداخته می شود.

بیشتر سیال ها ضریب هدایت گرمایی پایینی نسبت به جامدات دارند؛ لذا افزودن ذرات جامد، ضریب هدایت گرمایی را بالا می برد. از طرفی با افزودن این ذرات لزجت دینامیکی نانو سیال نیز افزایش می یابد که به دنبال آن توان بالای پمپ و مصرف انرژی را به دنبال داریم. نانو ذرات به دلیل داشتن نسبت سطح به حجم بالا (SSA) دارای خصوصیات متفاوتی نسبت به حالت معمولی خود هستند و ضریب هدایت گرمایی متفاوتی دارند. در این پژوهش نانو ذرات کروی اکسید آهن در شکل کروی و با قطر ۳۰-۲۰ نانومتر که به روش دو مرحله ای و با بهره گرفتن از ماده فعال کننده سطحی PVP در آب دیونیزه به حالت تعلیق درآمده اند. همچنین از لرزاننده ای مافوق صوت جهت شکستن خوشه ها و جلوگیری از تجمع ذرات برای تعلیق بهتر استفاده شده است. نانوسیال با غلظت های حجمی ۱/۰، ۲/۰، ۴/۰، ۱، ۲، ۳ درصد حجمی برای بررسی تأثیر کسر حجمی بر ضریب هدایت گرمایی و لزجت دینامیکی آماده شد. همچنین برای بررسی اثر دما، دما را به محدوده های ۲۰، ۲۵، ۳۵، ۴۵، ۵۵ درجه سانتی گراد محدودکردیم. برای اندازه گیری ضریب هدایت گرمایی که از روش سیم داغ گذرا با بهره گرفتن از دستگاه KD2-Pro و پراب KS1 عمل کردیم. برای اندازه گیری لزجت دینامیکی از لزجت سنج دورانی مدل بروکفیلد استفاده گردید.

با افزایش دما و کاهش کسر حجمی، لزجت دینامیکی نانو سیال کاهش پیدا می کند و همچنین با افزایش دما و افزایش کسر حجمی ضریب هدایت گرمایی نانو سیال در مقایسه با سیال پایه افزایش چشمگیری دارد. در کسرهای حجمی پایین افزایش هدایت گرمایی چشمگیرتر است. افزایش دما پیوندهای بین مولکولی را سست تر کرده و سیال قابلیت حرارتی بیشتری پیدا می کند؛ضمن آنکه لزجت نیز کاهش دارد. در پایان نتایج به دست آمده را با مدل های تحلیلی ارائه شده مقایسه و مشخص می کنیم که این مدل ها در توصیف رفتار این نانو سیال ناتوان بوده و تقریب کافی را دارا نیستند.

واژه های کلیدی: نانو سیال- کسر حجمی- دما- ضریب هدایت حرارتی- لزجت دینامیکی.

۵-۱ جمع بندی

در این پژوهش به مطالعه آزمایشگاهی ضریب هدایت گرمایی و لزجت دینامیکی نانو سیال اکسید آهن – آب دیونیزه پرداخته شد و عامل های دما و کسر حجمی را لحاظ کردیم.

در تمام دماها با افزایش کسر حجمی افزایش در ضریب هدایت گرمایی را مشاهده کردیم. همچنین با افزایش دما در کسرهای حجمی مختلف از نانو ذرات، افزایش در ضریب هدایت گرمایی را داریم که می توان دلیل آن را سست شدن پیوندهای بین ملکولی و افزایش حرکت براونی و همچنین تداخل بیشتر نانو لایه های ایجاد شده در اطراف ذرات دانست.با افزایش دما سیال قابلیت حرارتی بیشتری پیدا می کند البته این افزایش دما تا زمانی باعث افزایش ضریب هدایت گرمایی می شود که ذرات از حالت تعلیق خارج نشده و پیوند های ایجاد شده بین ذرات و سیال از بین نروند.افزایش کسر حجمی به دلیل تراکم بیشتر ذرات معلق جامد در حجم معین باعث افزایش ضریب هدایت گرمایی می شود زیرا این ذرات نسبت به سیال پایه ضریب هدایت گرمایی بالاتری دارند. بیشترین افزایش در ضریب هدایت گرمایی مربوط به بیشترین دما و بیشترین کسر حجمی گزارش می شود.از مقایسه روابط موجود جهت تخمین ضریب هدایت حرارتی نانوسیالات و نتایج حاصل شده از آزمایش مشخص گردید که این روابط به دلیل نداشتن عواملی مانند دما،اندازه،نوع سیال پایه،جنس ذرات، شکل و…از اعتبار لازم برای پیش بینی برخوردار نیستند و اختلاف بین نتایج آزمایشگاهی و تحلیلی با افزایش دما و افزایش کسرحجمی بیشتر می شود. همچنین روابط موجود رفتار ضریب هدایت حرارتی با افزایش دما و کسر حجمی را بصورت خطی نشان می دهند در صورتی که نتایج حاصل شده از آزمایش رفتاری غیر خطی را نشان می دهند.از طرفی افزایش کسر حجمی باعث افزایش لزجت دینامیکی نانو سیال گردید. اثر دما روی لزجت نانو سیال همانند سیال های عادی گزارش گردید که با افزایش دما، کاهش در لزجت نانو سیال را داریم.تقریبا همه ی محققان و بیشتر بررسی های در دسترس زمینه لزجت نانوسیالات، نشان از افزایش آن با افزایش کسر حجمی دارد.هرنوع تجمع ذرات و ته نشینی باعث افزایش لزجت می شود. با مقایسه نتایج حاصل از این آزمایشات و نتایج تحلیلی مشخص گردید که این مدل ها از تقریب کافی جهت تخمین لزجت نانوسیال برخوردار نیستند.روابط موجود رفتار خطی را نشان می دهند درصورتی که نتایج آزمایش غیرخطی بودن رابطه لزجت –دما،لزجت –کسرحجمی را نشان می دهند.البته این روابط در کسرهای حجمی خیلی کم و اندک قابل استفاده می باشند.

به دلیل این اختلافات بسیار زیاد بین نتایج تجربی و تحلیلی نیاز به کار بیشتر و در نظر گرفتن عامل های مهم دیگر بر خواص نانو سیال می باشد و مشخص می سازد که در کنار کارهای تحلیلی صورت گرفته، کارهای تجربی از صحت و دقت بسیار بالاتری برخوردار می باشند.

۵-۲ پیشنهادات

بررسی اثر اندازه، قطر نانو ذرات بر روی ضریب هدایت حرارتی و لزجت دینامیکی

بررسی تاثیر مدت زمان آلتراسونیک بر ضریب هدایت حرارتی

بررسی تاثیر نوع پایدارکننده بر خواص ترموفیزیکی

بررسی اثر میدان مغناطیسی بر روی ضریب هدایت حرارتی و لزجت نانوسیال فرومغناطیسی

ایجاد رابطه ی جدید براساس نتایج بدست آمده از آزمایش جهت تخمین ضریب هدایت حرارتی و لزجت نانوسیال

منابع

«شبیه سازی سادع در مقیاس نانو»، مهدی نیک عمل، انتشارات باشگاه دانش آموزی نانو (۱۳۸۸)

2. A. E. Bergles, “Techniques to Enhance Heat Transfer, in Handbook of Heat Transfer”,

۳rd ed., (Rohsenow W. M., Hartnett, J. P., and Cho, Y. I., eds.), McGraw-Hill, New York,

Chap. 11, 1998.

3. W.Q. Tao, Y.L. He, Q.W. Wang, Z.G. Qu and F.Q. Song, “A unified analysis on enhancing

single phase convective heat transfer with field synergy principle”, International Journal of

Heat and Mass Transfer, Vol. 45, pp. 4871–۴۸۷۹, ۲۰۰۲٫

4. D. Singh, J. Toutbort, G. Chen, “Heavy vehicle systems optimization merit review and

peer evaluation”, Annual Report, Argonne National Laboratory, 2006.

5. H. Masuda, A. Ebata, K. Teramae, and N. Hishinuma, “Alteration of Thermal Conductivity and Viscosity of Liquid by Dispersing Ultra-Fine Particles (Dispersion of γ-Al2O3, SiO2,and

TiO2 ultra-fine particles)”, Netsu Bussei (Japan), Vol. 4, No.4, pp. 227-33, 1993.