انتقال حرارت در سیستم های خنک کننده توسط نانو سیالها

در این مقاله سعی شده است از ابتدا , نقش نانو سیالها در صنعت و نقش آن در انتقال حرارت مورد بررسی قرار گیرد و در ادامه نگاهی خواهیم داشت بر کاربرد این تکنولوژی در صنعت خودروسازی . همچنین در بخش پایانی این مقاله به برج های خنک کننده , شناخت و نحوه طراحی آنها خواهیم پرداخت . لازم به ذکر است از آنجا که اغلب cooling tower ها در کشور ما به صورت آبی هستند و کاربرد نانو سیالات در cooling tower هنوز در دست مطالعه است و تمامی منابع در این زمینه فاقد سندیت قطعی و در حد و حدود فرضیه هستند , در این مقاله صرفا برج های خنک کننده آبی و نحوه طراحی آنها بررسی شده است . زیرا تنها صنعتی که در حال حاضر در آن از مبدل های حرارتی نانو استفاده شده است و تمامی تحقیقات و نظریات آن به اثبات رسیده , صنعت خودروسازی میباشد .

 

اخیرا استفاده از نانو سیالات که در حقیقت سوسپانسیون پایداری از نانوفیبرها و نانو ذرات جامد هستند،به عنوان راهبردی جدید در عملیات انتقال گرما مطرح شده است.تحقیقات اخیر روی نانو سیالات ، افزایش قابل توجهی را در هدایت گرمای آن ها نسبت به سیالات بدون نانو ذرات و یا همراه با ذرات بزرگتر (ماکرو ذرات)نشان می دهد.از دیگر تفاوتهای این نوع سیالات ، تابعیت شدید هدایت گرمای از دما،همچنین افزایش فوق العاده شار گرمای بحرانی در انتقال گرما جوشش آنهاست.نتایج آزمایشگاهی

به دست آمده از نانو سیالات نتایج قابل بحثی است که به عنوان مثال می توان به انطباق نداشتن افزایش هدایت گرما با تئوریهای موجود اشاره کرد.این امر نشان دهنده ناتوانی این مدلها در پیش بینی صحیح خواص نانوسیال است.بنابراین برای کاربردی کردن این نوع از سیالات در آینده و در سیستمهای جدید ، باید اقدام به طراحی و ایجاد مدلها و تئوریهایی شامل اثر نسبت سطح به حجم و فاکتورهای سیالیت نانوذرات و تصحیحات مربوط به آن کرد.

 

مقدمه / سیستمهای خنک کننده

یکی از مهمترین دغدغه های کارخانه ها و صنایعی مانند میکرو الکترونیک و هر جایی است که به نوعی با انتقال گرما روبه رو باشد. با پیشرفت فناوری در صنایعی مانند میکرو الکترونیک که در مقیاسهای زیر صد نانومتر عملیاتهای سریع و حجیم با سرعت های بسیار بالا (چند گیگا هرتز) اتفاق می افتد و استفاده از موتورهایی با توان و بار گرمایی بالا اهمیت به سزایی پیدا می کند،استفاده از سیستمهای خنک کننده پیشرفته و بهینه ، کاری اجتناب نا پذیر است. بهینه سازی سیستمهای انتقال گرما موجود،در اثر مواقع به وسیله افزایش سطح آنها صورت می گیرد که همواره باعث افزایش حجم و اندازه این دستگاهها می شود لذا برای غلبه بر این مشکل،به خنک کننده های جدید و موثر نیاز است و نانوسیالات به عنوان راهکاری جدید در این زمینه مطرح شده اند.

 

نانو سیالات به علت افزایش قابل توجه خواص گرمایی،توجه بسیاری از دانشمندان را در سالهای اخیر به خود جلب کرده است.به عنوان مثال مقدار کمی (حدود یک درصد حجمی ) از نانوذرات مس یا نانو لوله های کربنی در اتیلن گلیکول یا روغن به ترتیب افزایش ۴۰ و ۱۵۰ درصدی در هدایت گرمایی این سیالات ایجاد می کند در حالی که برای رسیدن به چنین افزایشی در سوسپانسیون های معمولی ، به غلظتهای بالاتر از ده درصد از ذرات احتیاج است این در حالیست که مشکلات رئولوژیکی و پایداری این سوسپانسیون ها در غلظتهای بالا مانع از استفاده گسترده آنها در انتقال گرما می شود.

 

در برخی از تحقیقات ، هدایت گرمای نانوسیالات ، چندین برابر بیشتر از پیش بینی تئوریها است. از دیگر نتایج بسیار جالب،تابعیت شدید هدایت گرمای نانوسیالات و افزایش تقریبا سه برابری فلاکس گرمای بحرانی آنها در مقایسه باسیالات معمولی است.

 

این تغییرات در خواص گرمای نانوسیالات فقط مورد توجه دانشگاهیان نبوده است،در صورت تهیه موفقیت امیز و تایید پایداری آنها می تواند آینده ای امیدوار کننده در مدیریت گرمای صنعت را رقم بزند.البته از سوسپانسیون نانو ذرات فلزی،در دیگر زمینه ها از جمله صنایع دارویی و درمان سرطان نیز استفاده شده است.به هر حال تحقیق در زمینه نانوذرات،دارای آینده ای بسیار گسترده است.

 

تهیه نانوسیالات

بهبود خواص گرمای نانوسیال احتیاج به انتخاب روش تهیه مناسب این سوسپانسیونها دارد تا از ته نشینی و ناپایداری آنها جلوگیری شود.متناسب با انواع کاربرد،انواع بسیاری از نانوسیالات از جمله نانوسیال اکسید فلزات،نیتریت ها،کاربید فلزات و غیر فلزات 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 پراکنده سازی آنها در سیال پایه انجامشده است که در اینجا به طور مختصر چند روش متداول را که برای تهیه نانو سیال وجود دارد ذکر می کنیم.

 

یکی از روشهای متداول تهیه نانوسیال،روش دو مرحله ای است.در این روش ابتدا نانوذره یا نانو لوله معمولا به وسیله روش رسوب بخار شیمیایی (CVD ) در فضای گاز بی اثر به صورت پودر های خشک تهیه می شود،در مرحله بعد نانو ذره یا نانو لوله در داخل سیال پراکنده می شود.برای این کار از روشهایی مانند لرزاننده های مافوق صوت و یا از سورفکتانت ها استفاده می شود تا توده های نانو ذره ای به حداقل رسیده و باعث بهبود رفتار پراکندگی شود.روش دو مرحله ای برای بعضی موارد مانند اکسید فلزات در آب،دیونیزه شده بسیار مناسب است و برای نانو سیالات شامل نانو ذرات فلزی سنگین،کمتر موفق بوده است.

 

روش دو مرحله ای دارای مزایای اقتصادی بالقوه ای است;زیرا شرکتهای زیادی توانایی تهیه نانو پودر ها در مقیاس صنعتی را دارند.

 

روش یک مرحله ای نیز به موازات روش دو مرحله ای پیشرفت کرده است;به طور مثال نانو سیالاتی شامل نانوذرات فلزی با استفاده از روش تبخیر مستقیم تهیه شده اند.در این روش ،منبع فلزی تحت شرایط خلا تبخیر می شود.

 

در این روش،تراکم توده نانوذرات به حداقل خود میرسد،اما فشار بخار پایین سیال یکی از معایب این فرایند محسوب می شود;ولی با این حال روشهای شیمیایی تک مرحله ای مختلفی برای تهیه نانو سیال به وجود آمده است که از آن جمله می توان به روش احیای نمک فلزات و تهیه سوسپانسیون آن در حلالهای مختلف برای تهیه نانوسیال فلزات اشاره کرد.مزیت اصلی روش یک مرحله ای ،کنترل بسیار مناسب روی اندازه و توزیع اندازه ذرات است.

 

انتقال گرما در سیالات ساکن

خواص استثنایی نانو سیالات شامل هدایت گرمای بیشتر نسبت به سوسپانسیون های معمولی،رابطه غیر خطی بین هدایت به دما و افزایش شدید فلاکس گرمای در منطقه جوشش است.این خواص استثنایی، به همراه پایداری،روش تهیه نسبتا آسان و ویسکوزیته قابل قبول باعث شده تا این سیالات به عنوان یکی از مناسب ترین و قوی ترین انتخاب ها در زمینه سیالات خنک کننده مطرح شوند.

 

بیشترین تحقیقات روی هدایت گرمای نانوسیالات ، در زمینه سیالات حاوی نانوذرات اکسید فلزی انجام شده است.

 

ماسودا افزایش ۳۰ درصدی هدایت گرما را با اضافه کردن ۴.۳ درصد حجمی آلومینا به آب گزارش کرده است.لی افزایش ۱۵% درصدی را برای همین نوع نانوسیال با همین درصد حجمی گزارش کرده است که تفاوت این نتایج را ناشی از تفاوت در اندازه نانوذرات به کار رفته در این دو تحقیق می داند.قطر متوسط ذرات آلومینای به کار رفته در آزمایش اول ۱۳ نانومتر و در آزمایش دوم۳۳ نانو متر بوده است.زای و همکاران افزایش ۲۰ درصدی را برای ۵۰ درصد حجمی از همین نانو ذرات گزارش کرده اند.گروه مشابهی برای نانوذرات کاربید سیلیکون نیز به نتایج مشابهی رسیده اند.لی بهبود نسبتا کمتری را در هدایت گرمای نانو سیالات حاوی نانوذرات اکسید مس،نسبت به نانوذرات آلومینا مشاهده کرد;در حالیکه ونگ ۱۷ درصد افزایش هدایت گرما را برای فقط ۴% درصد حجمی از نانوذرات اکسید مس در آب گزارش کرده است.برای نانو سیال با پایه اتیلن گلیکول، افزایش بالای ۴۰ درصد برای ۳%درصدحجمی مس با متوسط قطر ده نانومتر گزارش شده است.پتل افزایش بالای ۲۱% برای سوسپانسیون ۱۱% حجمی از نانو ذرات طلا و نقره که به ترتیب در آب تولوئن پراکنده شده بودند را مشاهده کرد.در مواردی هم هیچ افزایش قابل توجهی در هدایت مشاهده نشده است.

 

اخیرا تحقیقات دیگری روی وابستگی هدایت به دما برای غلظتهای بالای نانوذرات اکسید فلزات و غلظتهای پایین نانوذرات فلزی در حال انجام است که در هر دو مورد در محدوده دمای ۲۰ تا ۵۰ درجه سانتیگراد افزایش ۲ تا ۴ برابری در هدایت مشاهده شده است و در صورت تایید این خواص برای دماهای بالاتر می توان نانوسیال را در سیستمهای گرمایشی نیز استفاده کرد.بیشترین افزایش هدایت در سوسپانسیون نانولوله های کربنی گزارش شده است که علاوه بر هدایت گرمای بالا ، نسبت طول به قطر بالایی دارند.از آنجا که نانو لوله های کربنی ،تشکیل یک شبکه فیبری می دهند،سوسپانسیون آنها بیشتر شبیه کامپوزیتهای پلیمری عمل میکند.بیرکاک افزایش ۱۲۵ درصدی هدایت را در اپوکسی پلیمر-نانولوله حاوی یک درصد نانو لوله حاوی یک درصد نانولوله تک دیواره گزارش کرد،همچنین مشاهده کرد که با افزایش دما ،هدایت گرما افزایش می یابد.

 

چون برای سوسپانسیون یک درصد نانولوله های چند دیواره در روغن ۱۶ درصد افزایش هدایت گرما گزارش کرده است.گزارشها و تحقیقات مختلفی در زمینه افزایش هدایت گرمای سوسپانسیون نانو لوله کربنی ارائه شده است;زای افزایش ۱۰ تا ۲۰ درصدی هدایت گرما را در سوسپانسیون یک درصد حجمی با سیال آب گزارش کرده است.ون و دینگ نیز ۲۵ درصد افزایش هدایت را در سوسپانسیون ۸ درصد حجمی در آب گزارش کرده است.اسیل بیشترین افزایش را ۳۸ درصد برای سوسپانسیون ۶ درصد حجمی در آب گزارش کرده است.

 

ون و دینگ افزایش سریع هدایت در غلظتهای حدود ۲ درصد حجمی را گزارش کرده و نشان داده است که این افزایش از آن به بعد تقریبا ثابت می ماند. در تمامی گزارشها افزایش هدایت با دما مشاهده شده ;هر چند برای دماهای بالاتر از ۳۰ درجه سانتیگراد این افزایش تقریبا متوقف می شود.

 

جریان، جابجایی و جوشش

اخیرا ضریب انتقال گرما نانو سیال در جابجایی آزاد و اجباری اندازه گیری شده است.داس آزمایشهای تعیین خواص گرمای جوشش را برای نانوسیال شروع کرد.یو فلاکس گرمای بحرانی نانو سیال آلومینا_آب در حال جوشش را اندازه گیری کرد و افزایش سه برابری در فلاکس گرمای بحرانی (CHF) را نسبت به آب خالص گزارش کرد. در همین زمینه واسالو نانو سیال سیلیکا-آب را تهیه کرد و همان افزایش سه برابری در CHF را گزارش کرد.

 

ضریب انتقال گرما جابجایی آزاد علاوه بر اینکه به هدایت گرما بستگی دارد، به خواص دیگری مانند گرمای ویژه،دانسیته و ویسکوزیته دینامیک نیز وابسته است که البته در این درصدهای حجمی پایین همان طور که انتظار می رفت و مشاهده شد،گرمای ویژه و دانسیته بسیار به سیال پایه نزدیک است.ونگ ویسکوزیته آلومینا-آب را اندازه گرفت و نشان داد که هر چه ذرات بهتر و بیشتر پراکنده شوند ویسکوزیته پایین تری را مشاهده می کنیم.وی افزایش ۳۰ درصدی در ویسکوزیته را برای سوسپانسیون ۳ درصد حجمی گزارش کرد که در مقایسه با نتیجه پک رچو ۳ برابر بیشتر به نظر میرسد که نشان دهنده وابستگی ویسکوزیته به روش تهیه نانو سیال است.ژوان ولی ضریب اصطکاک را برای نانو سیال حاوی یک تا دو درصد ذرات مس به دست آورد و نشان داد که این ضریب تقریبا مشابه سیال پایه آب است.ایستمن نشان داد که ضریب انتقال گرما جابجایی اجباری سوسپانسیون ۹ درصد حجمی از نانو ذرات اکسید مس ،۱۵ درصد بیشتر از سیال پایه است.

 

ژوان ولی ضریب انتقال گرما جابجایی اجباری در جریان آشفته را نیز اندازه گرفتند و نشان دادند که مقدار کمی از نانو ذرات مس در آب دیونیزه شده ، ضریب انتقال گرما را به صورت قابل توجهی افزایش می دهد ، به طور مثال افزودن ۲ درصد حجمی از نانو ذرات مس در آب ،حدود ۳۹ درصد انتقال گرما آن را افزایش می دهد. در حالی که در تناقض با نتایج بالا ، پک وچو کاهش ۱۲ درصدی ضریب انتقال گرما را در سوسپانسیون حاوی ۳ درصد حجمی از آلومینا و تیتانا در همان شرایط مشاهده کردند.پوترا با کار روی جابجایی آزاد،بر خلاف هدایت و جابجایی اجباری ،کاهش انتقال گرما را مشاهده کرد.داس با انجام آزمایشهای جوشش روی آلومینا- آب نشان داد که با افزایش درصد حجمی نانوذرات،بازدهی جوشش نسبت به سیال پایه کم می شود.وی این کاهش را به تغییر خواص سطحی بویلر به علت ته نشینی نانوذرات روی سطح ناهموار آن نسبت داد نه به تغغیر خواص سیال.یو با اندازه گیری فلاکس گرمای بحرانی برای جوشش روی سطوح تخت و مربعی مس که در نانو سیال آب – آلومینا غوطه ور بودند،نشان داد که فلاکس گرمایی این سیالات سه برابر آب است واندازه متوسط حباب،افزایش و فرکانس تولید آنها کاهش می یابد.

 

این نتایج را واسالو نیز تایید کرد.وی روی نانو سیال آب -سیلیکا کار می کرد و افزایش فلاکس گرمای بحرانی را برای غلظتهای کمتر از یک هزارم درصد حجمی گزارش کرد.هنوز مدلی برای پیش بینی این افزایشها و فاکتورهای موثر بر آن وجود ندارد.

 

هدایت گرمای نانوسیال

هدایت گرمای نانو سیال بیشترین مطالعات را به خود اختصاص داده است.این مقاله نیز به هدایت گرمایی در سیال ساکن پرداخته است.از آنجا که نانوسیال جز مواد مرکب و کامپوزیتی محسوب می شود ، هدایت گرمایی آن به وسیله تئوری متوسط موثر به دست می آید که به وسیله موسوتی،کلازیوس،ماکسول و لورانزا در قرن ۱۹ به دست آمد.

 

اگر از تاثیرات سطح مشترک نانو ذرات کروی صرف نظر شود،در مقادیر بسیار اندک نانو ذرات f=جز حجمی نانو ذرات همه مدلهای منتج از تئوری متوسط موثر ، حل یکسانی دارند.در مواردی که نانوذرات دارای هدایت گرمایی بالایی باشند پیش بینی می شود که افزایش هدایت گرمای نانو سیال f*3 خواهد شد که این پیش بینی ، تخمین خوبی برای مواردی است که هدایت ذرات ، بیشتر از ۲۰ برابر هدایت گرمای سیال باشد.

 

چشم انداز نانو سیال ها

در ده سال گذشته ، خواص جالبی برای نانو سیالات گزارش شده است که در این میان،هدایت گرما بیشترین توجه را به خود جلب کرده است ولی اخیرا خواص گرمای دیگری نیز مورد پژوهش قرار گرفته است. نانو سیالات را می توان در زمینه های مختلفی به کار برد،اما این کار با موانعی روبرو است،از جمله اینکه درباره نانوسیال چند نکته باید بیشتر مورد توجه قرار گیرد:

تطابق نداشتن نتایج تجربی در آزمایشگاههای مختلف

ضعف در تعیین مشخصات سوسپانسیون نانوذرات

نبود مدلها و تئوریهای مناسب برای بررسی تغییر خواص نانوسیال.

 

نکات برگزیده خواص استثنایی نانو سیالات شامل هدایت گرمایی بیشتر نسبت به سوسپانسیونهای معمولی،رابطه غیر خطی بین هدایت و غلظت مواد جامد و بستگی شدید هدایت به دما و افزایش شدید فلاکس گرما در منطقه جوشش است.

 

خواص استثنایی،به همراه پایداری،روش تهیه نسبتا آسان و ویسکوزیته قابل قبول باعث شده تا نانوسیالات به عنوان یکی از مناسب ترین و قوی ترین انتخاب ها در زمینه سیالات خنک کننده مطرح شوند.

 

مقدار کمی (حدود یک درصد حجمی)از نانوذرات مس یا نانولوله های کربنی در اتیلن گلیکول یا روغن به ترتیب افزایش ۴۰ و ۱۵۰ درصدی در هدایت گرمایی این سیالات ایجاد می کند.

 

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.
اخیراً پژوهش‌هایی در مورد نانوسیالات فلزی حاوی نانوذراتِ مسِ با قطرِ کمتر از ۱۰ نانومتر که در اتیلن گلیکول پخش شده بودند انجام شده است. این پژوهش‌ها نشان می‌دهد که در جزء حجمی بسیار اندکی از نانوذرات، رسانایی گرمایی می‌تواند بیشتر از قابلیت رسانایی صرف خود سیال و یا نانوسیالات اکسیدی (مانند اکسید مس و اکسید آلومنیوم با قطر متوسط ذرات ۳۵ نانومتر) باشد. همان‌طور که در نمودار ۱ نشان داده شده است. به علت اینکه تاکنون هیچکدام از نظریه‌های معمول، اثرات ناشی از قطر ذرات و یا هدایت آنها بر روی میزان هدایت نانوسیالات را پیش‌بینی نکرده‌اند، این نتایج غیر منتظره است.

اخیراً نانوسیالاتی حاوی نانو لوله کربنی ساخته شده‌اند و نتایج آزمایش‌های انجام شده بر روی این نانوسیالات نشان داده است که وجود نانولوله‌ها در یک سیال، هدایت گرمایی آن را بطور چشمگیری افزایش می‌دهد.

جالبتر آنکه افزایش هدایت گرمایی مربوط به نانو لوله یک گام از پیش‌بینی ‌های انجام شده به وسیله نظریه‌‌های موجود فراتر است. از این گذشته نمودار هدایت گرمایی اندازه ‌گیری شده بر حسب حجم‌های جزئی، به ‌صورت غیرخطی می‌باشد حال آنکه تئوری‌های رایج به وضوح وجود یک نسبت خطی را میان این دو پارامتر نشان داده بودند

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.

یک پروژه جدید با هدف کشف پارامترهای کلیدی، که در تئوری‌های موجود و مفاهیم بنیادی مکانیزم‌های افزایش انتقال حرارت نانوسیالات از قلم افتاده‌اند، و نیز کشف مبنای تئوری برای افزایش غیر عادی هدایت گرمایی نانوسیالات در جولای سال ۲۰۰۰ با حمایت وزارت انرژی آمریکا و مرکز انرژی علوم پایه به تصویب رسید.

ساختار نانوذرات در نانوسیالات در حال بررسی و آزمایش بوسیله منبع فوتونی پیشرفته آزمایشگاه ملی آرگون می‌باشد. بر طبق نتایج گزارش شده از دانشگاه A&M تگزاس، این دانشگاه در حال مطالعه بر روی ارتباط بین جنبش نانوذرات و افزایش انتقال حرارت در آنها می‌باشد. با استفاده از نتایج جمع‌آوری شده، توسعه یک مدل جدید انتقال انرژی در نانوسیالات که وابسته به اندازه نانوذره، ساختار و تأثیر پویایی بر روی خصوصیات حرارتی نانوسیالات می‌باشد، امکان پذیر شده است.

 
این نحوه ارتباط رشته‌های مختلف علمی و پروژه‌های مشترک منجر به کشف مرزهای جدیدی در تحقیقات ترموفیزیک برای طراحی و مهندسی در زمینه تولید خنک‌کننده‌ها خواهد گردید. تحقیق در مورد نانوسیالات می‌تواند به یک پیشرفت غیر منتظره در زمینه سیستم‌های ترکیبی مایع/جامد، برای کاربردهای بی‌شمار مهندسی از جمله خنک‌کننده‌های اتومبیل‌ها و کامیون‌های سنگین بیانجامد.
از عمده‌ترین تأثیرات این تحقیقات می‌توان به بیشتر شدن کارایی انرژی، کوچک‌تر و سبک‌تر شدن سیستم‌های حرارتی، کمتر شدن هزینه‌های عملیاتی و پاک‌سازی محیط زیست اشاره نمود.
 
نانوسیالات و کامیون های پیشرفته :

به علت نیاز به موتورهایی با نیروی بیشتر، تولید کنندگان کامیون دائماً در جستجوی راه‌هایی برای گسترش طرح‌های آیرودینامیک در وسایل نقلیه‌شان هستند. از جمله تلاش‌ها در این زمینه معطوف به کاهش مقدار انرژی مورد نیاز جهت مقابله با مقاومت‌های بالا می‌باشد. در یک کامیون سنگین معمولی، با سرعت ۱۱۰ کیلومتر در ساعت، در حدود ۶۵ درصد کل بازده موتور، صرف غلبه بر کشش‌های آیرودینامیک می‌شود که یکی از دلایل بزرگ این امر مقاومت هوا می‌باشد.

در سیستم‌های خنک کننده، با توجه به نوع سیال مورد استفاده رادیاتورهای متفاوتی مورد نیاز است. جهت انتقال حرارت از موتور به رادیاتور و در نهایت آزاد شدن این حرارت به محیط اطراف، به کارگیری سیالات با ظرفیت‌های گرمایی بالا ضروری می‌باشد.
این سیالات قادرند بدون افزایش دمای خودشان حرارت را جذب و سپس آن را بسیار آهسته و بدون نیاز به مقدار سیال بیشتر به محیط اطراف منتقل نمایند که این انتقال آهستۀ گرما به محیط، موجب بزرگی اندازۀ رادیاتورهای وسایل نقلیه معمولی می‌شود.

اگر سرعت انتقال حرارت توسط سیالات به‌گونه‌ای افزایش یابد، طراحی رادیاتورها آسان و مؤثرتر شده و می‌توان آنها را کوچکتر ساخت. همچنین اندازۀ پمپ‌‌های خنک کنندۀ وسایل نقلیه می‌تواند کاهش یابد. موتورهای کامیون‌ها نیز می‌توانند به علت کارکردن تحت دماهای بالاتر نیروی بیشتری تولید نمایند. افزایش هدایت گرمایی خنک‌کننده‌ها نیز می‌تواند ایده‌ای مناسب برای تولید پیل‌های سوختی پیشرفته و وسایل نقلیۀ دوگانه سوز/الکتریکی باشد.

محققان آزمایشگاه آرگون در حال پیدا کردن روشی برای افزایش زیاد هدایت گرمایی خنک کننده‌ها در موتورهای معمولی بدون بروز تأثیراتی مغایر با ظرفیت‌های گرمایی آنها هستند.

بخش انرژی آزمایشگاه آرگون به طور مشترک با کمپانی Valvo Line، در حال کار در زمینۀ توسعۀ خنک‌کننده‌های نانوسیالی و روغن‌های روان‌ساز برای موتورهای کامیون می‌باشد.

محققان آرگون هم‌اکنون از یک روش یک مرحله‌ای برای تولید نانوسیالات بر مبنای نانوذرات فلزی و یک روش دومرحله‌ای برای تولید نانوسیالات بر مبنای نانوذرات اکسیدی، استفاده می‌کنند که هر دو شیوه، روش‌های نسبتاَ آسان و اقتصادی برای تولید نانوسیالات هستند.
هم‌اکنون محققان آرگون در حال بررسی تأثیر دوده در روغن موتور می‌باشند. میزان دوده در روغن موتور گاهی اوقات بیشتر از حد انتظار است. با وجود اینکه ذرات دوده به کوچکی ذرات نانومتری موجود در نانوسیالات نیستند، محققان دریافتند تجمع آنها در روغن موتور منجر به افزایش ۱۵ درصدی در هدایت گرمایی روغن موتور می‌شود.

بر اساس این یافته‌ها محققان حسگری تولید نمودند که با اندازه‌گیری میزان افزایش هدایت گرمایی ذرات دودۀ جمع شده در روغن موتور قادر به نشان‌دادن نحوۀ عملکرد موتور می‌باشد.

 

نانوسیالات فلزی و موتورهای خنک‌کننده

ویژگی‌های موتورهای دیزلی از نظر محدودیت در واکنش‌ها و راندمان کار به سرعت در حال دگرگون شدن است. سیستم‌های خنک‌کننده باید بتوانند تحت دماهای بالاتر کار کرده و مقادیر بیشتری گرما به محیط اطراف منتقل کنند. اندازۀ رادیاتورها نیز باید کاهش یابد تا تجهیزات اضافی کامیون‌ها حذف شده و رفت‌و‌آمد با آنها ساده‌تر گردد. به‌طور واقع‌بینانه، محصور کردن نیروی خنک‌کنندۀ بیشتر در فضای کمتر، تنها با به کار بردن فناوری‌‌های جدیدی مانند نانوسیالات ممکن خواهد بود.

کاربرد دیگر این مدل‌سازی‌ها، پیش‌بینی میزان هدایت گرمایی یک نانوسیال بر مبنای غلظت، دمای عملیاتی و اندازۀ نانوذرات پخش شده در سیال می‌باشد. از این گذشته این امکان وجود دارد که خواص نانولایه‌هایی که روی سطح نانوذرات معلق تشکیل می‌شوند، عاملی برای افزایش بیشتر هدایت گرمایی نانوسیالات می باشد.

دو مکانیزم کلیدی حرکت براونی و نانولایه‌ها، توأماً از مهم‌ترین عوامل افزایش هدایت گرمایی سیالات انتقال دهندۀ گرما می‌باشند.
محققان آزمایشگاه آرگون در حال بررسی خطرات احتمالی نانوسیالات برای سیستم های رادیاتور می‌باشند. آنها موفق به ساخت وسیله‌ای شدند که قادر به اندازه‌گیری و آزمایش تأثیرجریان‌های خنک کنندۀ متفاوت بر عملکرد یک رادیاتور می‌باشد.

تحقیقات آینده بیشتر بر روی جنس نانوذرات به کار‌‌رونده در ساخت نانوسیالات از جمله ذرات آلومینیوم و نانوذرات اکسید فلزی روکش شده متمرکز خواهد شد در اکثر کارخانجات کوچک و بزرگ یکی از مهمترین و اساسی ترین دستگاهها می توان انواع برجهای خنک کننده را نام برد. برجهای خنک کننده علاوه بر آب به منظور خنک کردن سیالاتی دیگر در صورت لزوم مورد استفاده واقع می شود. با توجه به اینکه برجهای خنک کننده معمولاً حجیم می باشند و بعلت پاشیدن آب در محیط اطراف خود و خرابی تجهیزات آن را معمولاً در انتهای فرایند نصب می کنند.

اگراز وسایل برجهای خنک کننده صرف نظر نشود برای ساخت برج تکنولوژی بالایی نیاز نیست همانطور که در ایران در حال حاضر ساخت این برجها در حد وسیعی صورت می گیرد .برجها با توجه به شرایط فیزیکی و شیمیایی خاص خود دچار مشکلاتی می شوند ولی معمولاٌ زمانی لازم است تا این مشکلات برج را از کار بیاندازد طولانی است.،ولی عملاٌ اجتناب ناپذیر است.

در این مجموعه تا سر حد امکان سعی شده است که دیدی نسبتاً کلی راجع به برج به خواننده منتقل شود و تا حد امکان از جزییات مربوط به برجهای خنک کننده توضیح لازم داده شده باشد.

 

برج خنک کننده

پیشگفتاری بر برج های خنک کننده

برج خنک کننده دستگاهی است که با ایجاد سطح وسیع تماس آب با هوا تبخیر را آسان می کند و باعث خنک شدن سریع آب می گردد.عمل خنک شدن در اثر از دست دادن گرمای نهان تبخیر انجام می گیرد، در حالی که مقدار کمی آب تبخیر می شود و باعث خنک شدن آب می گردد.باید توجه داشت آب مقداری از گرمای خود را به طریق تشعشع ،هدایتی وجابجایی و بقیه از راه تبخیر از دست می‌دهد.

بیشتر دستگاههای خنک کن از یک مدار بسته تشکیل شده اند که آب در این دستگاهها نقش جذب ، دفع و انتقال گرما را به عهده دارد، یعنی گرمای بوجود آمده توسط ماشین جذب و از دستگاه دور می سازد. این کار باعث ادامه کار یکنواخت و پایداری دستگاه می شود. در دستگاههایی که به دلایلی مجبوریم آب را بگردش در آوریم و یا به کار ببریم باید بنحوی گرمای آب را دفع کرد. با بکار بردن برجهای خنک کننده این کار انجام می گیرد. در تمام کارخانه ها تعداد زیادی دستگاههای تبدیل حرارتی (heat exchanger) وجود دارد که در بیشترآنها آب عامل سرد کنندگی است.

بدلایل زیر آب معمولترین سرد کننده هاست:

  • بمقدار زیاد وارزان در دسترس می باشد.
  • به آسانی آب را می توان مورد استفاده قرار داد .
  • قدرت سرد کنندگی آب نسبت به اکثر مایعات) در حجم مساوی )بیشتر است.
  • انقباض و انبساط آب با تغییر درجه حرارت جزیی است.

هر چند که آب برای انتقال گرما بسیار مناسب است با بکار بردن آن باعث بوجود آمدن مشکلاتی نیز می شود. آب با سختی زیاد باعث رسوب سازی در دستگاهها شده و همچنین از آنجایی که بیشتر این دستگاهها از آلیاژ آهن ساخته شده اند مشکل خوردگی بوجود می آید. از طرف دیگر بیشتر برجهای خنک کننده در بر خورد مستقیم با هوا و نور خورشید می باشند محیط مناسبی برای رشد باکتریها و میکرو ارگانیسم ها نیز می باشد که آنها نیز مشکلاتی همراه دارند.

وارد شدن گرد و خاک بداخل برج نیز در بعضی مواقع ایجاد اشکال می نماید.در کل این مشکلات باعث می شود که بازدهی دستگاه کم شده و در نتیجه از نظر اقتصادی مخارج زیادتری خواهند داشت. در این مجموعه طبیعت این مشکلات و شرایط بوجود آمدن آنها و راههای جلوگیری از آنها را بطور مختصر شرح خواهیم داد.موارد استفاده از برجهای خنک کننده را نیز در بخش های دیگری از این مجموعه را در بر می گیرد.

عموماً برجهای خنک کننده (cooling tower) را به سه گروه تقسیم می کنند :
۱. برجهای خنک کننده مرطوب
۲. برجهای خنک کننده مرطوب- خشک
۳. برجهای خنک کننده خشک

در برجهای خنک کننده مرطوب، آب نقش اصلی و اساسی را داشته و هدف نیز همان خنک کردن آب است. این نوع دستگاهها که خود به چند گروه و دسته تقسیم می شوند در صنعت دارای کاربرد فراوانی است. از یرجهای خنک کننده خشک بیشتر در مکانهای که آب کافی برای خنک کردن برج وجود ندارد استفاده می شود. عمل خنک کردن آب را نیز میتوان از برجهای سینی دار بصورت مرحله ای انجام داد.ولی عملاً بعلت وجود هزینه های زیاد ساخت ،نگهداری و کنترل سیستم این روش ، معمول نمی باشد.

برای انجام عملیات خنک سازی آب می توان از برجهای آکنده و سینی دار استفاده نمود.با وجود این در مواردی که فازهای مورد نظر آب و هوا با شند بعلت فراوانی و ارزان بودن فازهای فوق بدلایلی که در صفحه قبل ذکر شد از دستگاههای دیگری استفاده می گردد که ساختن و نگهداری آنها مستلزم هزینه های زیادی نمی باشد. از این جهت بیشتر دستگاههایی که در مقیاس صنعتی بکار می رود ساختمان و خصوصیات بسیار عمده ای را دارا است که اینک به انواع مختلف این دستگاهها اشاره می شود.

 

بررسی برجهای خنک کننده و اجزاء آن برج خنک کننده : COOLING TOWER

برج خنک کن دستگاهی است که با ایجاد سطح وسیعی در تماس آب با هوا ، عمل تبخیر را آسان نموده و در نتیجه باعث خنک شدن سریع آب می گردد. عمل خنک شدن در اثر از دست دادن گرمای نهان تبخیر انجام می گیرد در حالی که مقدار کمی آب بخار می شود و سبب خنک شدن آب می گردد.باید توجه داشت که آب مقدار اندکی از گرمای خود را از طریق تشعشع (Radiation) ودر حدود ۴/۱آن را از راه هدایت (Conduction) و جابجائی (Convection) و بقیه را از راه تبخیر از دست می‌دهد. اختلاف فشار بخار آب بین سطح آب و هوا باعث تبخیر می شود.این اختلاف بستگی به دمای آب و میزان اشباع هوا از آب دارد.

 

مقدار گرمای که بوسیله مایعی جذب یا دفع می شود از رابطه زیر بدست می آید :

TDE=W×S×

در رابطه بالا:
E :گرمای دفع یا جذب شده بر حسب BTU/hr یا CAL/hr
W :دبی مایع خنک شونده بر حسب lb/hr
S : گرمای ویژه مایع خنک کننده بر حسب lb.f/ Btu
T :کاهش دمای مایعD خنک شونده بر حسب f

 

در حالیکه عمل خنک شدن از طریق تبخیر انجام می گیرد گر مای نهان تبخیر از دست داده شده باید به آن اضافه گردد و آن برابر است با حاصل ضرب گرمای نهان تبخیر در دبی . مقدار تبخیر بستگی دارد به سطح بر خورد آب با هوا و همچنین شدت جریان هوا دارد. برای اینکه حداکثر بهره برداری که در طرح آن بکار رفته است رعایت شود در برجهای خنک کننده که آکنده های آن از نوع splash packing می باشد آب به صورت قطره های در سطوح برج پخش می شود تا سطح وسیعی بوجود آید البته برای این منظور می توان از آکنه های نوع film packing نیز استفاده کرد. جریان هوا در برج به صورت کشش طبیعی با استفاده از دودکش های هذلولی شکل یا کشش مکانیکی بوسیله بادبزنهای مناسب در جهت مخالف آب ( counter-flow) و یا به طور متقاطع (cross-flow) با آن به جریان می افتد .

 

سیستم برج خنک کننده 

در سیستم برج خنک کننده آب گرم کندانسور از برج خنک کننده عبور می کند و با هوا تماس می یابد. در برجهای خنک کننده با کشش طبیعی ،پوسته خارجی برج از بتن مسلح ساخته شده ودر روی پایه ها تکیه دارد . هوا از قسمت پائین وارد برج خنک کننده می شود و به طرف بالا جریان می یابد و از دهانه بالای برج خارج می گردد.

 

انواع دیگری از برجهای خنک کننده که از چوب و سایر مصالح ساخته می شود نیز وجود دارد.در برجهای خنک کننده با کشش طبیعی هوا شکل برج طوری طراحی می شود که جریان سریع هوا در داخل برج بوجود آید.

 

آب گرم از کندانسور در ارتفاع ۱۰ تا ۱۵ متر بالاتر از سطح استخر به سیستم پخش کننده آب وارد می شود . در برجهای قدیمی تر صفحه ای که آب خروجی از کندانسور به آن ریخته می شود دارای سوراخهای منظمی در قسمت پائین است که آب از داخل این سوراخها به فنجانهای زیرین می ریزد. این فنجانها باعث پاشش آب و تبدیل آنها به قطرات کوچک می شوند. یک سیستم خیلی جدید برای پخش آب در برج خنک کننده بکار بردن لوله هایی است که در سطح بالای آن شیپوره هایی برای پاشش آب تعبیه شده است.

 

تبادل حرارت بین هوای بالارونده از برج و آبی که از برج سرازیر است با تغییر حرارت محسوس در اثر اختلاف درجه حرارت بین آب و هوا انجام می شود. سهم این قسمت از تبادل حرارتی خیلی کم است و قسمت عمده تبادل در اثر تبخیر مقدار کمی آب که پیوسته همراه هوا می باشد،انجام می شود. در اثر این عمل مقدار زیادی گرما از آب سرازیر شده در برج خنک کننده ( بستگی به مقدار آبی که تبخیر شده است) به هوا منتقل می گردد(Evaporating loss). ضمناً مقداری از قطرات آب بوسیله هوا بخارج از برج پراکنده می شود(Windage loss). برای جلوگیری از خروج قطرات آب یک شبکه چوب در اطراف برج و حدود ۳ متر بالاتر از توده تخته ها قرار دارد . کمبود آب تبخیر شده در سیستم برج خنک کننده باید از منبع خارجی جبران شود که به آن ،آب تکمیلی یا آب جبرانی (Makeup) گویند . برای این منظور در صورت امکان از آب رودخانه استفاده کرد یا فاضلابها را تا حد امکان صاف و تصفیه کرده و استفاده نمود . هنگامیکه از نظر فضای ساختمان برج خنک کننده محدودیتی وجود داشته باشد ظرفیت برج خنک کننده راتا حد امکان با استفاده از بادبزنهای مخصوص و بزرگی اضافه می نمایند. این بادبزنها مقدار عبورهوای خنک کننده در داخل برج را زیاد می نماید

 

عوامل مؤثر در طراحی برجهای خنک کننده

عوامل مؤثر در طراحی برجهای خنک کننده را بطور خلاصه می توان بصورت زیر بیان کرد :

۱. میزان افت درجه حرارت (اختلاف دمای ورودی وخروجی برج)

۲. اختلاف بین درجه حرارت آب سرد و درجه حرارت مرطوب هوا

۳. دمای مرطوب محیط : اصولاً خنک کردن آب زیر این دما غیر ممکن است

۴. شدت جریان آب

۵. شدت جریان هوا

۶. نوع آکنه های برج

۷. روش پخش آب

/ 0 نظر / 166 بازدید