چکیده:

نانو ذرات یکی از شاخه های وسیع فن‌آوری نانو است که سبب گسترش و پیشرفت‌های صنعتی شده است. کندانس کردن بخار فلزات یکی از راه‌های معمول برای تولید نانو ذرات است که علاوه بر کاهش هزینه تولید، نسبت به روش‌های دیگر محصول با خلوص بسیار بالایی را تولید می‌کند. نانو ذرات، ذره های کوچک از فلزات هستند که در ابعاد نانومتری و الیافی به سیالات مختلف اضافه می‌شوند و راندمان انتقال حرارت سیالات عامل را بالا می برند. این سیالات حامل نانو ذرات در دستگاه‌های انتقال حرارت استفاده می‌شوند که می‌توان از این دست به لوله‌های گرمایی اشاره کرد. یک لوله گرمایی با سیال عامل انتقال حرارتی برابر با 200 تا 1000 برابر مس ارائه می‌دهد، حال آنکه اگر از نانو ذرات در ساخت سیال پایه استفاده شود این ذرات راندمان حرارتی لوله گرمایی را از چند درصد تا چند صددرصد بسته به نوع نانو ذره و میزان غلظت آن بالا می برد. در این تحقیق اشاره ای به گوشه هایی از تحقیقات تجربی در خصوص نانو سیالات و استفاده آنها در لوله‌های گرمایی و میزان افزایش راندمان آنها شده است. در همین راستا و با انجام مفروضاتی معادلاتی برای انواع لوله‌های گرمایی تخت (دیسکی و مستطیلی و...شکل) حامل نانو سیال بیان گردیده است، که حاصل کار دانشمندان علوم حرارتی می‌باشد. در قسمتی از این تحقیق با ارائه مدل‌هایی، قدرت پیش‌بینی میزان افزایش راندمان حرارتی لوله‌های گرمایی مورد بحث قرار گرفته است، که به صورت تجربی و کار آزمایشگاهی دانشمندان بدست آمده است.

 لغات کلیدی: نانو ذره- نانو سیال- سیال عامل- لوله گرمایی- راندمان حرارتی

مقدمه:

 امروزه بر کسی پوشیده نیست که انرژی به عنوان نیرو محرکه صنعت، در زندگی بشر نقش اساسی دارد و از مهمترین عوامل توسعه اجتماعی، صنعتی و رفاه جامعه می‌باشد. کشورهای پیشرفته صنعتی در دو دهه گذشته اقدامات و تدابیر حساب شده ای برای صرفه جویی در میزان مصرف و بهینه کردن استفاده از انواع انرژی ها اتخاذ نموده اند. مصرف سرانه انرژی در ایران 64% بیشتر از میانگین جهانی است و درحالیکه به اعتقاد کارشناسان نزدیک به یک چهارم این انرژی مصرفی قابل صرفه جویی است. هدر رفتن انرژی علاوه بر وارد آوردن زیان‌های مالی مستقیم باعث آلودگی محیط زیست نیز می‌شود. بر اساس نتایج حاصل از آمارگیری از 26400 کارگاه صنعتی (50 پرسنل و بیشتر) در سال 1378، نزدیک به یک سوم از کل انرژی در فرایندهای صنعتی هدر می‌رود. واحدهای مورد مطالعه 80% از کل انرژی بخش صنعت را می‌پوشاند. بنابراین میزان اتلاف انرژی صنایع با توجه به اینکه 23% از کل انرژی کشور را مصرف می‌کنند، 414% میلیون دلار خواهد شد.  امروزه بحث انرژی، بهینه سازی مصرف و آلودگی ناشی از آن به یکی از بنیادی ترین مشکلات بشر تبدیل شده است. بنابراین دستیابی به یک فناوری نو و ارزان جهت بازیافت انرژی هدر رفته، می‌تواند به این دشواری کمک شایانی نماید.

فهرست اشکال و جداول                                                                                            

فصل اول

شکل1-1) نانو ذره CuO  

شکل1-2) نانو ذره آهن با عکاسی TEM   

شکل 1-3) نانو ذرات نقره   

شکل 1-4 ) عکس نانو ذرات طلا توسط دستگاه electron micrograph   

شکل 1-5 )عکس نانو ذرات ذرات سیلیس   

شکل 1-6) شکل شماتیک ترموسیفون   

شکل 1-7) شکل شماتیک لوله گرمایی استاندارد   

شکل 1-8) شکل شماتیک لوله گرمایی حلقوی   

شکل 1-9) لوله گرمایی تخت استفاده شده در برد اصلی کامپیوتر   

شکل 1-10) شکل شماتیک لوله گرمایی تخت با   Heat sinkدرسرمایش قطعات الکترونیک

شکل 1-11) شکل سیستم گرمایش خورشیدی بوسیله لوله گرمایی   

فصل دوم

شکل 2-1) عکس TEM نانو ذرات AL2O3 با اندازه ذرات 20 تا nm 30 است. 

شکل 2-2) دیاگرام شماتیک از راه اندازی آزمایشی   

شکل 2-3) تنوع راندمان حرارتی لوله‌های گرمایی با زاویه شیب متفاوت لوله گرمایی در تغییرات مقدار شارژ آب مقطر   

شکل 2-4) تنوع راندمان حرارتی لوله‌های گرمایی با زاویه شیب متفاوت لوله گرمایی در تغییرات مقدار شارژ نانو سیال water/AL2O3 در درصد وزنی 0.5 (0.5wt%)  

شکل 2-5) تنوع راندمان حرارتی لوله‌های گرمایی با زاویه شیب متفاوت لوله گرمایی در تغییرات مقدار شارژ نانو سیال water/AL2O3 در درصد وزنی 1.0 (1.0wt%)   

شکل 2-6) تنوع راندمان حرارتی لوله‌های گرمایی با زاویه شیب متفاوت لوله گرمایی در تغییرات مقدار شارژ نانو سیال water/AL2O3 در درصد وزنی 3.0 (3.0wt%)   

فصل سوم

جدول علائم3-1) جدول علائم بکار رفته در فصل حاضر   

شکل 3-1) برش مقطعی لوله گرمایی مستطیلی یا دیسکی شکل به صورت شماتیک   

شکل 3-2) توزیع فشار مایع درون لوله گرمایی برای سطوح مختلف غلظت نانو ذرات CuO: Q=9kw: (a) لوله گرمایی دیسکی شکل b)) لوله گرمایی مستطیلی شکل.   

شکل 3-3) پروفیل سرعت مایع درون لوله گرمایی برای سطوح مختلف غلظت نانو ذرات CuO: (a) لوله گرمایی دیسکی شکل b)) لوله گرمایی مستطیلی شکل   

شکل 3-4) توزیع دما در دیواره لوله گرمایی برای سطوح مختلف غلظت نانو ذرات CuO: Q=9kw: dp=20nm (a)  لوله گرمایی دیسکی شکل b)) لوله گرمایی مستطیلی شکل   

شکل 3-5) اختلاف دما بین اواپراتور و کندانسور در لوله های گرمایی با سطوح مختلف غلظت نانو ذره CuO: (a dp=10 nm        (b dp=20 nm           (c dp=40 nm   

شکل 3-6) اختلاف دمای بین اواپراتور و کندانسور برای لوله گرمایی مستطیلی برای سطوح مختلف غلظت CuO:  (a dp=10 nm        (b dp=20 nm        (c dp=40 nm   

شکل 3-7) اثر نانو سیالات (dp=20 nm) بر مقاومت حرارتی لوله‌های گرمایی دیسکی شکل برای ورودی های حرارتی مختلف   

شکل 3-8) اثر نانو سیال (dp=20nm) بر مقاومت حرارتی لوله های گرمایی مستطیلی شکل برای حرارت های ورودی مختلف d)Φ=4%      c)Φ=3%               b)Φ=2%           a)Φ=1%   53

شکل3- 9) درصد کاهش سطح لوله‌های گرمایی دیسکی شکل به هنگام استفاده از اندازه‌های مختلف نانو ذره و سطح غلظت های مختلف (Q=9kw)،     

شکل3- 10) درصد کاهش سطح لوله‌های گرمایی مستطیلی شکل به هنگام استفاده از اندازه‌های مختلف نانو ذره و سطح غلظت های مختلف (Q=9kw)،     

شکل3- 11)نمایش سه بعدی حداکثر توانایی دفع حرارت لوله های گرمایی دیسکی شکل با سطوح مختلف غلظت نانو ذرات  و ضخامت فتیله بی بعد.            (c) TiO2 (a)CuO        (b) AL2O3   

فصل چهارم

جدول علائم 4-1) جدول علائم بکار رفته در فصل حاضر  

شکل 4-1) دیاگرام شماتیک از لوله گرمایی تخت همراه با ساختار فتیله شیار مستطیلی a) ابعاد کلی b) برش سطح مقطع عمودی لوله گرمایی مسطح   

شکل 4-2) بخش مقطعی از ساختار عنصر مشخصه لوله گرمایی با فتیله شیار مستطیلی (منطقه تبخیر) (a) بخش مقطعی شیار پر شده از سیال مایع (b) منطقه فیلم نازک بخار (c) منطقه حلال   

شکل 4-3) بخش مقطعی از ساختار عنصر مشخصه لوله گرمایی با فتیله شیار مستطیلی (منطقه تراکم (‌میعان)) (a) بخش مقطعی شیار پر از مایع (b) منطقه فیلم نازک در بالاترین پره (c) منطقه حلالی   

شکل4-4) بخش مقطعی از ساختار عنصر مشخصه لوله گرمایی با فتیله شیار مستطیلی شامل لایه نازک پوششی متخلخل (منطقه بخار) (a) بخش مقطعی شیار پر شده از مایع (b) لایه نازک پوششی متخلخل در بالاترین نقطه پره (c) توسعه منطقه حلالی شکل   

جدول 4-1) ابعاد فیزیکی میکرو لوله گرمایی مسطح با شیار مستطیلی   

شکل 4-5) مقایسه پیش‌بینی های مدل با داده‌های تجربی برای آب DI  (a) حداکثر نرخ انتقال حرارت (b) دمای دیواره  

شکل 4-6) مقایسه پیش‌بینی‌های مدل برای آب DI و نانو سیال  (a) پروفیل دمای دیواره (b) مقاومت حرارتی   

جدول 4-2) خواص مواد پایه سیال و نانو ذرات استفاده شده در مطالعه حاضر Tv=30k   

شکل 4-7) اثر کسر حجمی نانو ذرات بر روی مقاومت حرارتی لوله گرمایی با نانو سیال (dn=38nm, Lb=0) (a) مدل یک (b) مدل دو   

شکل 4-8) اثرات اندازه نانو ذرات در مقاومت حرارتی لوله گرمایی با نانو سیال  (Φ=0.3vol%, d¬n=38.4nm, Lb=0) (a) مقاومت حرارتی (b) نرخ افزایش انتقال حرارت   

فهرست:

 فصل اول

مقدمه   

 درآمدی بر نانوذرات   

 مقدمه   

 تاریخچه نانوذرات  

  نانوذرات(تولید و کاربرد ها)   

روش‌هاي توليد   

طیف وسیع کاربردها   

تعدادی از انواع نانوذرات   

  نانو سیلور   

 نانو ذرات دی اکسید تیتانیم   

نانوذرات طلا   

نانو ذرات سیلیس 

  مقدمه ای بر لوله‌های گرمایی   

 پیشینه تاریخی   

 تقسیم بندی یک لوله گرمایی از نظر طولی   

  ویژگی های اصلی لوله‌های گرمایی   

 برتری‌های لوله های گرمایی 

  گروه بندی لوله های گرمایی بر حسب شکل هندسی   

  ترموسیفون   

  لوله گرمایی استاندارد   

  لوله گرمایی حلقوی   

 لوله گرمایی صفحه تخت 

 لوله گرمایی گردان 

 لوله گرمایی دماغه مخروطی 

  لوله گرمایی ظرفیت متغیر   

 محدوده کاربرد لوله های گرمایی   

  کاربردهای لوله‌های گرمایی   

  هوا- فضا   

  سرد کردن وسایل برقی و الکترونیکی   

  سرد کردن وسایل الکترونیکی به وسیله لوله‌های گرمایی   

  تولید ابزارها   

  پزشکی و کنترل دمای بدن انسان   

  تثبیت یخبندان   

  سیستم های خورشیدی 

  کوره ها و تنورها   

 فصل دوم

 راندمان حرارتی لوله‌های گرمایی با نانو سیال آلومینا (آلومینیوم)

چکیده   

 شرح   

  روش طراحی و آزمایش   

  تهیه نانو سیال   

 راه‌اندازی آزمایش و روش آزمون   

2- نتایج و بحث   

 نتیجه گیری  

 فصل سوم

 راندمان لوله های گرمایی تخت با استفاده ازنانو سیالات 

  چکیده   

 شرح   

 تجزیه و تحلیل و فرمولاسیون   

  توزیع فشار    

 توزیع فشار بخار در لوله های حرارتی دیسکی شکل   

 توزیع فشار بخار در لوله های گرمایی مستطیلی شکل   

 توزیع فشار مایع در لوله‌های گرمایی دیسکی شکل   

  توزیع فشار مایع در لوله‌های گرمایی مسطح   

  توزیع سرعت   

 توزیع دمایی    

 حداکثر قابلیت انتقال حرارت    

 نتایج و بحث    

  فصل چهارم

 اثرات نانو سیالات در راندمان حرارتی میکرو لوله‌های گرمایی مسطح با فتیله شیار مستطیلی

 چکیده   

  معرفی   

 مدل ریاضی   

  معادلات حاکم   

 تعیین سرعت فصل مشترک متوسط   

  مدل اول: خصوصیات ترموفیزیکی نانو سیالات پایه آب با AL2O3  

 مدل دوم: ویژگی‌های سطح توسط نانو ذرات   

  نتایج و بحث   

مقایسه راندمان حرارتی آب DI و نانو سیال پایه آب با نانو ذره AL2O3   

 اثر کسر حجمی نانو ذرات   

اثر وابستگی اندازه نانو ذرات   

 نتیجه 

منابع و ماخذ