وبلاگ
نانوسیالات
نانوسیالات با پراکنده کردن نانومواد (نانوذرات، نانوفیبرها و نانولولهها) در سیال پایه مانند آب، روغن یا اتیلن گلیکول تهیه میشوند. آزمایشگاه ملی آرگون، سازمانی پیشگام بود که در سال 1995 برای اولین بار اصطلاح نانوسیالات را معرفی کرد و نشان داد که استفاده از نانوذرات، عملکرد انتقال حرارت مایعات را افزایش میدهد.
نانوذرات میتوانند فلزات (مانند مس، نیکل، آلومینیوم و غیره)، اکسیدها (مانند آلومینا، تیتانیا، اکسید مس، سیلیس، اکسید آهن و غیره) و سایر عناصر (مانند نانولولههای کربنی، گرافن، کاربید سیلیکون، کربنات کلسیم، نانولولههای تیتانیوم و غیره) باشند. به دلیل اندازه کوچک و مساحت سطح ویژه بزرگ نانوذرات، نانوسیالات دارای خواص انتقال حرارت خوبی هستند. نانوذرات هنگام افزودن به روغنهای پایه، حرکت براونی ایجاد میکنند که باعث افزایش پایداری و رفتار ترموفیزیکی سیال پایه میشود. در نتیجه، نانوسیالات در مقایسه با سیالات پایه، دارای ویژگیهای ترموفیزیکی عالی مانند ضریب انتقال حرارت همرفتی، ویسکوزیته و رسانایی حرارتی هستند. بنابراین، نانوسیالات اهمیت بیشتری در افزایش انتقال حرارت در کاربردهای مختلف در صنایع، الکترونیک، مواد غذایی، زیستپزشکی، حمل و نقل و راکتورهای هستهای دارند.
انوع نانوسیالات
تک نانوسیال یا مونو-نانوسیال
در مونو-نانوسیال، تنها یک نوع نانوذره در سیال پایه مخلوط میشود. مخلوط در دو فاز (سیال پایه و نانوذرات) است.
نانوسیال هیبریدی
نانوسیالات هیبریدی مخلوطی از دو یا چند نوع نانوذرات مختلف برای دستیابی به خواص بهتر هستند. یک نانوسیال هیبریدی مخلوطی از سه فاز (سیال پایه و دو نوع نانوذرات) است.
روشهای تهیه نانوسیال
روش تک مرحلهای
در روش تک مرحلهای، سنتز نانوذرات و سوسپانسیون نانوذرات در سیال پایه یا تهیه نانوسیال به طور همزمان در یک مرحله انجام میشود. روشهایی مانند تبخیر مستقیم، رسوب فیزیکی بخار، تبخیر مستقیم شیمیایی مایع و غیره برای تهیه نانوسیال در روش تک مرحلهای استفاده میشوند.
مزایای: اندازه و شکل کنترلشده نانوذرات، عدم نیاز به استفاده از تثبیتکنندهها، پایداری بسیار خوب، همگنی نانوسیال و عدم تجمع نانوذرات.
معایب: نرخ تولید کمتر نانوسیال به دلیل فرآیند آهسته تولید نانوذرات، گران بودن و سازگاری با سیالات پایه با فشار بخار پایین.
روش دو مرحلهای
در روش دو مرحلهای، تولید نانوذرات و تهیه نانوسیالها در دو مرحله جداگانه انجام میشود. در مرحله اول، نانوذرات با استفاده از روش سنتز نانوذرات به شکل پودر خشک تولید میشوند. مرحله دوم، نانوذرات در سیال پایه پراکنده میشوند.
مزایا: هزینه کمتر تهیه، زمان تولید کمتر، توانایی تولید در حجم زیاد، تولید نانوسیال با کسر حجمی مختلف و مناسب بودن برای نانوذرات اکسیدی.
معایب: تهیه نانوسیال همگن با پایداری، بدون تجمع و با انرژی سطحی بالای نانوذرات به دلیل چسبندگی نانوذرات در ذخیرهسازی و حمل و نقل. بنابراین، از روشهای مختلفی مانند افزودن سورفکتانتها، کنترل pH نانوسیال و سونیکاسیون اولتراسونیک برای تهیه نانوسیال همگن و پایدار استفاده میشود.
مکانیسم افزایش انتقال حرارت در نانوسیال
حرکت براونی
حرکت براونی به عنوان حرکت تصادفی نانوذرات در سیال پایه به دلیل برخورد با مولکولهای سریع تعریف میشود. به دلیل حرکت نامنظم ذرات مایع و گازها و همچنین برهمکنش مولکولها، جهتگیری ذرات معلق تغییر میکند. و در نتیجه تبادل انرژی بین ذرات رخ میدهد. حرکت براونی باعث حرکت ثابت نانوذرات در سیال پایه می شود و از تهنشین شدن نانوذرات جلوگیری میکند. هرچه اندازه نانوذرات کوچکتر و ویسکوزیته سیال پایه کمتر باشد، حرکت براونی و انتقال حرارت بیشتر است. از سوی دیگر، حرکت براونی بالاتر باعث افزایش مقاومت داخلی در جریان سیال میشود.
تجمع
تجمع به عنوان مجموعهای از نانوذرات با پیوند محکم تعریف میشود که جداسازی آن به ذرات اولیه با استفاده از نیروی مکانیکی دشوار است. در این پدیده، نانوذرات به طور خود به خود در فاز مایع (نانوسیال) با یکدیگر ترکیب میشوند و منجر به تشکیل خوشههای نامنظم نانوذرات میشوند و نانوسیال را ناپایدار میکند. تحت شرایط نیروی تعادل در نانوسیالها، نانوذرات در شرایط پایدار با ذرات سیال باقی میمانند. هنگامی که نیرو بین نانوذرات و ذرات سیال ضعیف میشود، نانوذرات شروع به تشکیل خوشهها میکنند. و یک فرآیند تجمع کنترل نشده منجر به تجمع کامل نانوذرات میشود.
ترشوندگی
ترشوندگی معیاری برای سنجش توانایی سیال پایه در برهمکنش با سطوح جامد یا نانوذرات یا سیال دیگر است. از نظر کمی، ترشوندگی به صورت زاویه تماس قطره مایع با سطح نشان داده میشود.
مهاجرت
مهاجرت نشان دهنده حرکت نانوذرات از ناحیه تنش بالاتر به ناحیه تنش پایینتر است. در جریان همرفت اجباری، نانوذرات از ناحیه تنش برشی بالاتر در سطح دیواره به ناحیه تنش برشی پایینتر در مرکز لوله مهاجرت میکنند و منجر به کاهش ویسکوزیته میشود.
دیفیوژن
انتشار دیفیوژن به عنوان حرکت خودبهخودی نانوذرات در یک سیال پایه به دلیل گرادیان غلظت تعریف میشود. برای حفظ تعادل، نانوذرات از ناحیه غلظت بالاتر به سمت ناحیه غلظت پایینتر حرکت میکنند. اگر حرکت نانوذرات به دلیل گرادیان دما باشد، این اثر به عنوان ترموفورس یا انتشار حرارتی یا اثر سورت شناخته میشود. در ناحیه دمای بالا، ذرات سیال انرژی و تکانه بالایی دارند که نانوذرات را به سمت ناحیه سرد جابجا میکند و در نتیجه انتقال حرارت افزایش مییابد. پدیده دیفیوژنفورسیس از پدیده مهاجرت جلوگیری میکند تا تعادل در نانوسیالات حفظ شود. تعادل بین پدیده مهاجرت و دیفیوژنفورس باعث ایجاد اختلال در لایه مرزی میشود و در نتیجه انتقال حرارت افزایش مییابد.
کاربرد نانوسیالات
خنککننده صنعتی
سیالات هوشمند
راکتورهای هستهای
استخراج انرژی زمین گرمایی و سایر منابع انرژی
سوخت
خنکسازی میکروچیپها
دارورسانی
حسگرها
تصویربرداری