افزایش ضریب انتقال حرارت مبدلهای حرارتی با استفاده از نانوذرات فلزی
مهندس جواد رستمی کارشناس ارشد مهندسی مکانیک دانشگاه تهران در تحقیقاتش با راهنمایی دکتر شکوهمند و دکتر رئیسی به بررسی اثر نانوذرات فلزی در سیال بر ضریب انتقال حرارت پرداخته است.
شناخت خواص و کاربرد نانو سیالات از شاخههای مورد توجه در تحقیقات علوم و فنآوری نانو است.
در این پژوهش تاثیر وجود نانو ذرات فلزی از جنس اكسید آلومینیوم در دو سیال آب و اتیلن گلیكول بر میزان انتقال حرارت جابه جایی از نوع اجباری مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور سیال حاوی ۱ تا ۱۰ در صد ذرات نانوفلزی از داخل كانالی با دیواره موجدار (كه در مبدلهای حرارتی فشرده استفاده میشود) عبور داده شده است.
نتایج نشان میدهند كه وجود این ذرات نانو فلزی به هم فشرده در سیال باعث افزایش میزان انتقال حرارت در این نوع كانالها میشود.
رستمی با اشاره به اینکه کانالهای موج دار به دلایل متفاوتی چون؛ سطح زیاد انتقال، حجم مورد نیاز کمتر به علت فشرده کردن موجها، ایجاد گردابه به دلیل جریان گردشی، راندمان بالاتری نسبت به لولهها دارند، کاربرد این طرح را در زمینه خنک کردن قطعات الکتریکی در دستگاههای ریز عنوان كرد.
وی در خصوص مشکلات و موانع کار گفت: پژوهش در زمینهی علوم و فنآوری نانو پرهزینه است، به طور مثال برای تولید نانو ذرات احتیاج به وسایل و تجهیزات آزمایشگاهی خاصی میباشد و تامین این شرایط باید مورد توجه مسوولان مربوطه قرار گیرد.
بنابر اعلام ستاد ویژه توسعه فنآوری نانو، جزئیات این پژوهش که از حمایتهای تشویقی ستاد بهرهمند شده در مجله Enhanced Heat Transfer (جلد ۴، شماره ۱۴) ارائه شده است.
رئیس فناوری های نوین شرکت پژوهش و فناوری پتروشیمی اعلام کرد: برای نخستین بار در دنیا شرکت پژوهش و فناوری پتروشیمی به دانش فنی افزایش راندمان مبدل های حرارتی به وسیله نانو سیالات دست یافت.
دکتر یوسف محمدی در گفت و گو با خبرنگار شانا افزود: توجه به محدودیت سوختهای فسیلی در دنیا موجب شده است که امروزه موضوع بهینهسازی مصرف انرژی در واحدهای فرآیندی، بیش از پیش مورد توجه قرار گیرد. وی با اشاره به این که در فرآیندهای شیمیایی، مهمترین بخشی که به طور مستقیم با مصرف انرژی ارتباط دارد، مبدلهای حرارتی است، تصریح کرد: امروزه تلاش بسیاری به منظور افزایش شدت انتقال حرارت و یا کوتاه کردن زمان انتقال حرارت در مبدل ها صورت میگیرد. وی ادامه داد: استفاده از پرهها (برای افزایش سطح انتقال حرارت) و سایر فناوری های موجود از روش هایی هستند که در افزایش انتقال حرارت به کار میروند؛ اما این روش ها پاسخگوی نیاز به انتقال حرارت بالا در صنایع مختلف نیستند و افزون بر آن سبب افزایش افت فشار هم میشوند، در نتیجه باید به روش های دیگری برای افزایش عملکرد حرارتی در این صنایع متوسل شد. وی با بیان این که سیالات متداول در انتقال حرارت مانند آب، اتیلن گلیکول، روغن موتور و غیره نقشی حیاتی در فرآیندهای انتقال حرارت در صنعت ایفا میکنندف توضیح داد: این سیالات به طورکلی دارای ویژگی های انتقال حرارت ضعیفی در مقایسه با بیشتر جامدات هستند و همین امر سبب ایجاد مشکلات فراوانی در طراحی مبدل های حرارتی و فشرده ساختن آنها شده است. وی با اشاره به این که پیشرفت های اخیر در معلق ساختن ذرات فوق العاده ریز جامد در سیالات، به عنوان راهبردی جدید در عملیات انتقال حرارت مطرح شده است، اظهار داشت: انواع مختلفی از ذرات جامد شامل ذرات فلزی و اکسید فلزات برای تشکیل سوسپانسیون به سیالات افزوده میشوند تا عملکرد حرارتی آنها را بهبود بخشند. وی اضافه کرد: با این وجود این سوسپانسیون های معمولی که حاوی ذرات معلق میلی متری و میکرومتری هستند با مشکلات ته نشینی ذرات، سایش تجهیزات، گرفتگی کانال ها و افت فشار زیاد رو به رو هستند. وی یادآوری کرد: نانوسیال به محلول سوسپانسیونی اطلاق میشود که ذرات فوق العاده ریز (کوچکتر از یکصد نانومتر) در سیالی خالص به حالت تعلیق در آورده شده باشند. وی افزود: این نانو ذرات از جنس فلز و یا اکسید فلزات و اغلب کروی شکل و یا استوانهای هستند؛ این سوسپانسیون ها سری جدیدی از سیالات واسط حرارتی هستند که از معلق ساختن ذرات بسیار ریز در مایعات متداول مانند آب و اتیلنگلیکول به دست آمدهاند و عملکرد حرارتی سیالات پایه را افزایش میدهند. وی با اشاره به بررسی های انجام شده در شرکت پژوهش و فناوری پتروشیمی در زمینه انتقال حرارت نانو سیالات گفت: نتایج این بررسی ها نشان میدهد که استفاده از نانو سیالات سبب افزایش ضریب هدایت حرارتی و ضریب انتقال حرارت جا به جایی نسبت به سیالات پایه میشود. وی ادامه داد: در مبدل های حرارتی پوسته و لوله، به دلیل عملکرد حرارتی بالای نانوسیال نسبت به آب، میتوان از نانوسیال در فرآیندهای گوناگون برای سرمایش و گرمایش استفادهکرد. وی تصریح کرد: به این ترتیب با افزایش انتقال حرارت می توان دبی آب مصرفی را در بیشتر مواقع کاهش داد که این امر می تواند راه گشای مشکل آب مصرفی و پساب تولیدی صنایع بزرگ نظیر صنعت نفت و به ویژه صنعت پتروشیمی باشد؛ همچنین با افزایش انتقال حرارت میتوان ابعاد مبدل های حرارتی مورد استفاده در این صنایع را کاهش داد. وی با اشاره به این که تاکنون رفتار حرارتی نانو سیالات در مبدل های حرارتی پوسته و لوله بررسی نشده است، توضیح داد: بسیاری از نتایج به دست آمده در زمینه انتقال حرارت نانوسیالات، در باره دو شرط مرزی شار حرارتی ثابت و دمای ثابت در دیواره و در هندسه های مختلفی همچون لوله ها و کانال ها به دست آمدهاند. وی اضافه کرد: در مبدل های حرارتی، شرط مرزی حرارتی واقعی، متفاوت است بدین معنی که هیچ یک از شروط مرزی یاد شده وجود ندارد و دمای دیواره و همچنین شار حرارتی در طول مبدل تغییر میکند. وی یکی از موانع موجود برای افزایش ظرفیت صنایع مختلف را عدم پاسخگویی دستگاه های حرارتی در ظرفیت های بالاتر خواند و اظهار داشت: افزون بر این، افزایش ظرفیت، افزایش افت فشار را به دنبال دارد و این مسأله یکی از مهمترین محدودیت ها در صنایع بزرگ به ویژه صنعت پتروشیمی به شمار می رود. وی همچنین با بیان این که روش های متداول افزایش انتقال حرارت به شدت سبب افزایش افت فشار می شوند، گفت: بر اساس نتایج تحقیق حاضر که برای نخستین بار در دنیا انجام شده است، می توان با استفاده از نانو سیالات خاص، راندمان حرارتی مبدل های حرارتی را که از مهمترین دستگاه های حرارتی به کار رفته در صنایع است، به طور چشمگیری افزایش داد و این در حالی است که افت فشار نیز کاهش چشمگیری می یابد. وی افزود: نتایج این تحقیق تحول شگرفی در صنایع مختلف از دیدگاه های محیط زیست، انرژی، افزایش ظرفیت و اقتصادی ایجاد خواهد کرد. رئیس فناوری های نوین شرکت پژوهش و فناوری پتروشیمی یادآوری کرد: دکتر غلامرضا اعتماد عضو هیئت علمی دانشگاه صنعتی اصفهان، مجری پروژه دستیابی به دانش فنی افزایش راندمان مبدل های حرارتی از طریق نانو سیالات است که هم اکنون به منظور فرصت مطالعاتی به کشور کانادا سفر کرده است. منبع: شبکه اطلاع رسانی نفت و انرژی
