استفاده از نانوسیال در لوله های حرارتی و کاربردهای آن در انتقال انرژی حرارتی

0

لوله های  حرارتی تجهیزات انتقال حرارت با توان انتقال حرارت بالایی هستند که با استفاده از انتقال حرارت دو فازه تبخیر و میعان گرما را از چشمه حرارتی گرفته و به چاه حرارتی منتقل می کنند. استفاده از نانوسیال در لوله های حرارتی می تواند سبب افزایش عملکرد لوله حرارتی خواهد شود.
لوله های حرارتی جهت انتقال حرارت در فضای محدود و اختلاف دمای اندک بسیار مناسب هستند. لوله های  حرارتی برای انتقال سیال عامل از چگالنده به تبخیر کننده از مکانیزم های مختلفی استفاده می کنند. لوله های حرارتی نوع ترموسیفونی با استفاده از نیروی جاذبه زمین، لوله های  حرارتی فتیله دار با استفاده از نیروی مویینگی، لوله های حرارتی دورانی با استفاده از نیروی گریز از مرکز و لوله های  حرارتی نوسانی با استفاده از نوسانات فشار داخل لوله حرارتی، سیال عامل داخل لوله را حرکت می دهند.

انواع لوله  های حرارتی در مسائل مرتبط با انرژی نیز بسیار پر کاربرد هستند. لوله های حرارتی در کلکتورهای خورشیدی مواد تغییر فاز دهنده، آب شیرین کن ها، زمین گرمایی، سلول های خورشیدی و …کاربردهای فراوانی برای انتقال حرارت دارند. همچنین می توان از لوله های  حرارتی برای بازیابی حرارتی و کاهش اتلاف حرارت خروجی از موتورها و پیل های سوختی استفاده کرد.
با کوچک تر شدن حجم تجهیزات الکترونیکی و افزایش تعداد تراشه های الکترونیکی در واحد سطح، نیاز به تجهیزات خنک کاری با حجم محدودتر بیش از پیش احساس می شود. از آنجایی که لوله های حرارتی نوسانی، حجم بسیار اندکی را اشغال می کنند، برای خنک کاری تجهیزاث الکتریکی با حجم اندک مانند قطعات رایانه بسیار مناسب و پر کاربرد هستند. انواع دیگر لوله های  حرارتی نیز کاربردهای متنوعی دارند. از لوله حرارتی دورانی برای خنک کاری تجهیزات دوار مانند پره های توربین، از لوله های حرارتی فتیله دار برای خنک کاری ماهواره ها و از لوله های  حرارتی نوع ترموسیفونی برای خنک کاری تجهیزاتی مانند ژنراتور های برقی استفاده می شود.

 لوله های حرارتی و کاربردهای آن در انتقال انرژی حرارتی

لوله حرارتی فتیله دار

اولین جرقه فناوری نانو در سال ۱۹۵۹ زده شد؛ اما در آن زمان این فناوری هنوز با عنوان فعلی شناخته نشده بود. در این سال “ریچارد فاینمن” در طی یک سخنرانی با عنوان فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد» ایده فناوری نانو را مطرح ساخت. وی این نظریه را ارائه داد که در آینده های نزدیک می توانیم مولکول ها و اتم ها را به صورت مستقیم دستکاری کنیم. به طور خلاصه فناوری نانو به معنی مهندسی نمودن مواد در ابعاد اتمی مولکولی و ساخت موادی با خواص کاملا متفاوت در ابعاد نانو است.
با توجه به این که یکی از عوامل بسیار تاثیر گذار بر عملکرد لوله حرارتی، سیال عامل است، بنابراین می توان با استفاده از فناوری نانو و از طریق تغییر در خواص سیال عامل لوله حرارتی، باعث بهبود عملکرد لوله حرارتی شده و نرخ انتقال حرارت را در حجم کمتر افزایش داد. علاوه بر این می توان حجم لوله های حرارتی را نیز کاهش داد.

 

دلیل افت عملکرد لوله های حرارتی چیست؟

با توجه به این که ساز و کار اصلی انتقال حرارت در لوله های حرارتی انتقال حرارت دو فاز و در واقع تبخیر و میعان سیال داخل لوله حرارتی است، خواص ترموفیزیکی سیال عامل بر عملکرد لوله حرارتی تاثیر چشمگیری دارند. با افزایش شار حرارتی، امکان تبخیر شدن کل مایع موجود در داخل لوله حرارتی وجود دارد که باعث افزایش مقاومت حرارتی و در نتیجه افت عملکرد لوله حرارتی خواهد شد. در اثر این پدیده که به آن خشک شدگی می گویند، افزایش ناگهانی مقاومت حرارتی را شاهد خواهیم بود. هر چه لزجت سیال به کار برده شده در لوله حرارتی کمتر و همچنین اختلاف فشار اشباع سیالی عامل بیشتر باشد، عملکرد لوله حرارتی نوسانی بهتر خواهد شد.

روش های بهبود عملکرد شوک حرارتی چیست؟

برای بهبود عملکرد لوله حرارتی می توان از لوله های با ضریب انتقال حرارت هدایتی بالاتر استفاده نمود. از مهم ترین عوامل موثر بر عملکرد لوله حرارتی ، سیال عامل داخل لوله حرارتی است. استفاده از سیال هایی با لزجت پایین تر و ضریب انتقال حرارت هدایتی بالاتر از جمله راهکارهای بهبود انتقال حرارت هستند. با استفاده از نانوسیال ها، سطح تماس سیال و لوله بیشتر شده که این امر منجر به افزایش نرخ جوشش سیال می شود. با افزایشی سطح انتقال حرارت که در نتیجه استفاده از نانوذرات است، نرخ انتقال حرارت به سیال داخل لوله افزایش می باید و سیال با نرخ بالاتری جوشش پیدا می کند.

استفاده از نانوسیال در لوله های حرارتی

نانوسیال ها که از افزودن ذراتی در ابعاد نانومتر به یک سیال پایه مانند آب یا اتانول بدست می آیند. مطالعات اخیر نشان می دهد که نانو ذرات افزوده شده به سیال، بر روی حرکت، جریان و همچنین ویژگی های انتقال حرارت مخلوط تاثیر زیادی دارد، افزودن این نانو ذرات سبب تغییر در خواص ترموفیزیکی سیال پایه می گردد و با استفاده از این مواد می توان به سیال هایی دست یافت که دارای خواص مطلوب در زمینه کاری مورد نظر باشند. برای مثال با افزودن نانو ذرات فلزی به یک سیال پایه مانند آب، به دلیل رسانندگی حرارتی بالاتر فلزات، رسانندگی حرارتی سیال بدست آمده از سیال پایه به مراتب بالاتر خواهد بود. با توجه به اینکه نرخ انتقال حرارت افزایش پیدا می کند، می توان در حجم کوچک تر به همان مقدار انتقال حرارت دست یافت که باعث کوچک تر شدن تجهیزات انتقالی حرارت مورد استفاده می شود.
استفاده از نانوسیال ها می تواند سبب شود که پدیده مخرب خشک شدگی در شارهای حرارتی بالاتری رخ دهد که این موضوع سبب افزایش بازه دمایی عملکرد لوله حرارتی خواهد شد.
نانوسیال ها از طریق افزایش ضریب انتقال حرارت هدایتی سیال عامل نیز می توانند نرخ انتقال حرارت را افزایش دهند. شکل ۶ افزایش نرخ انتقال حرارت لوله های حرارتی با استفاده از نانو پال آهن را نشان می دهد.

 

 لوله های حرارتی و کاربردهای آن در انتقال انرژی حرارتی
افزایش نرخ انتقال حرارت لوله حرارتی نوسانی با استفاده از نانوسیال آهن

 

با توجه به شکل مشخص است که استفاده از نانوذرات در داخل سیال پایه مقدار بهینه ای دارد که با افزایشی غلظت نانوذرات، به دلیل افزایش لزجت سیال و سایر عوامل، نرخ انتقال حرارت کاهش پیدا می کند.

علاوه بر این، استفاده از نانوسیال ها سبب افزایش نقاط جوشش بر روی لوله حرارتی می شود، در نتیجه نرخ جوشش و نرخ انتقال حرارت افزایش چشمگیری خواهد داشت، شکل نقاط جوشش حاصل از نانوسیال آلومینا را نشان می دهد.
با استفاده از نانوسیال ها می توان بازده و نرخ انتقال حرارت را افزایش داد و از این طریق در مدت زمان کمتر و حجم کوچک تر، به انتقال حرارت بیش تری دست یافت. با افزایش نرخ انتقال حرارت، نیاز به تجهیزات کمتر می شود که این عامل سبب کاهش هزینه های کلی می گردد. از طرف دیگر، در مواردی مانند سلول های خورشیدی که خنک کاری برای افزایش بازدهی امری ضروری است، با استفاده از نانوسیال ها در لوله های حرارتی و افزایش نرخ انتقال حرارت، فرایند خنک کاری به خوبی انجام شده و بازدهی سلول خورشیدی بیشتر می شود و در نتیجه استفاده از سلول های خورشیدی صرفه اقتصادی بیشتری خواهد داشت.

بررسی وضعیت استفاده از لوله های حرارتی در ایران و سایر کشورها

در ایران به منظور خنک کاری بعضی از ماهواره های ارسالی به فضا از لوله های حرارتی فتیله دار استفاده می شود. همچنین از لوله های  حرارتی در کلکتور های خورشیدی نیز استفاده شده است. در سایر کشورها، از لوله های  حرارتی برای تجهیزات پزشکی، سیستم های تهویه مطبوع، بازیابی حرارتی و… استفاده شده است.
استفاده از لوله های  حرارتی در انرژی خورشیدی بسیار متداول است. استفاده از لوله های  حرارتی در مواد تغییر فاز دهند که انرژی خورشید را ذخیره و در موارد مورد نیاز انرژی را تخلیه می کنند، استفاده از لوله های حرارتی در آب شیرین کن های خورشیدی، در کلکتور های خورشیدی و نیز خنک کاری سلول های خورشیدی در دنیا متداول است.

تخمین هزینه ها:

همان گونه که اشاره شد استفاده از لوله های حرارتی به طور کلی باعث افزایش نرخ انتقال حرارت در حجم محدود تر می شود. با استفاده از نانوسیال ها در لوله های حرارتی، علاوه بر افزایش نرخ انتقال حرارت در حجم محدود تر، می توان بازه دمایی عملکرد لوله حرارتی را افزایش داد و در شارهای حرارتی بالاتری بدون احتمال وقوع پدیده خشک شدگی، از لوله حرارتی استفاده نمود. علاوه بر این استفاده از نانوسیال در لوله های گرمایی، منجر به کاهش نیار به تعداد لوله های  حرارتی و سایر تجهیزات انتقال حرارت می شود که از این طریق نیز صرفه اقتصادی طرح ها بیش از پیش می گردد.
استفاده از لوله های  حرارتی در سلول های خورشیدی، مواد تغییر فاز دهنده، کلکتورها و آب شیرین کن های خورشیدی سبب افزایش بازدهی می شود. در نتیجه سبب افزایش بهره وری اقتصادی این گونه تجهیزات می شود. استفاده از لوله های حرارتی به همراه نانوسیال ها، سبب می شود که در بازیابی های حرارتی نیز میزان حرارت بالاتری بازیابی شده و در نتیجه اتلاف های حرارتی کاهش یابد.
در سایر حوزه های صنعتی نیز می توان از لوله های حرارتی و نانوسیال ها به عنوان سیال کاری در آن ها استفاده نمود. با توجه به اینکه استفاده از نانوسیال ها سبب کاهش حجم لوله های  حرارتی و بهبود عملکرد آنها می شود، امکان توسعه استفاده از لوله های  حرارتی در بخش های صنعتی بیش از پیش فراهم می شود. استفاده از لوله های حرارتی نوسانی در خنک کاری تجهیزات رایانه ای هم اکنون در سطح جهان رایج است که با کوچکتر شدن حجم لوله های  حرارتی، در خنک کاری سایر تجهیزات الکترونیکی کوچک نیز می تواند مورد استفاده قرار گیرد.
با توجه به محدودیت های حجمی در کاربردهای صنعتی، یکی از بهترین روش ها، استفاده از نانوسیال ها است که با استفاده از لوله های حرارتی کوچکتر، می توان به نرخ انتقال حرارت مشابه با حالتی که از سیالی پایه بدون نانوذوات استفاده می شود، دست یافت.

خنک کاری تجهیزات دوار در تولید مواد غذایی به کمک لوله های  حرارتی دورانی نیز یکی دیگر از مواردی است که هم اکنون مورد توجه قرار گرفته است که استفاده از نانو سیال ها سبب بهبود انتقال حرارت و صرفه جویی در هزینه های مربوط به خنک کاری خواهد شد.
با توجه به کاربردهای مختلف و استفاده از نانوسیال های مختلف، میزان مصرفه اقتصادی و افزایش بهره وری متفاوت است که در هر یک از موارد نیاز به بررسی بیشتری دارد. ولی به طور کلی می توان قاطعانه اظهار نمود که استفاده از نانو سیال ها در لوله های حرارتی سبب افزایش بهره وری اقتصادی خواهد شد.

پیشنهادها

استفاده از لوله های حرارتی جهت بازیایی حرارت در سیستم های انرژی یکی از راه های افزایش بهره وری انرژی می باشد. با افزایش آگاهی صنعتگران پیرامون کاربردها و مزایای لوله های  حرارتی نسبت به سایر تجهیزات انتقال حرارت می توان مصرف انرژی برای خنک کاری را در سطح ملی و بین المللی کاهش داد. تحقیق و بررسی در مورد سایر تجهیزاتی که نیاز به انتقال حرارت و خنک کاری دارند و تاکنون از لوله های  حرارتی در آن ها استفاده نشده است، می تواند به گسترش استفاده از لوله های حرارتی منجر شود.
استفاده از نانوذرات در لوله های  حرارتی تاثیر چشمگیری می تواند بر عملکرد حرارتی این تجهیزات داشته باشد که منجر به کاهش حجم لوله های حرارتی و قابلیت اطمینان بالاتر آنها خواهد شد.

 

منبع: سایت ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.