نانو سیالات و مبدل های حرارتی

چكيده
بررسی ضرایب انتقال حرارتی هدایتی ذرات در مقیاس نانومتری و پراکنده در مایع با رژیم جریان آرام در تبادل گرهای حرارتی به ویژه لوله های افقی دارای اهمیت است.
نانو ذرات مطالعه شده در منابع، اشاره به تنوع بی شماری از مواد در مقیاس نانو دارد، لیکن در اینجا پارتیکلهایی در مقیاس نانو و با طبیعت گرافیت و خواص وابسته به آن با نسبت های ظاهری عمدتاً متفاوت از یک انتخاب شدند، نانو ذرات گرافیتی، اغلب منجر به افزایش ضریب هدایت گرمایی سیال ساکن عمدتاً در ظرفیت کسر حجمی کم شده و نتایج مزبور در ادبیات فن نیز بارها گزارش شده است.
به هر حال، ضرایب انتقال حرارت تجربی کمتر از شرایط پیش بینی شده برای هر یک از دو رابطه انتقال حرارت متداول برای سیالات همگی نشان داده شده است. رابطه برای سوسپانسیون های ذرات با نسبت های ظاهری نزدیک به همان نتایج نیز حاصل شده و نهایتاً روابط جدیدی برای انتقال حرارت سیستم های نانوسیال گسترش داده شده است.
افزایش ضریب انتقال حرارت نانوسیال خیلی فراتر از تصوری است که از یک رابطه مرسوم قابل پیش بینی باشد. این به نظر می رسد که تعدادی فاکتور مخصوص در مخلوط نانوسیال در حال تغییر دادن مکانیزم های فاکتور مخصوص در مخلوط نانوسیال در حال تغییر دادن مکانیزم های انتقال حرارت، مخصوصاً برای سیالات خاصی در دمای بالاتر دیواره هستند. نتایج اظهار می کند که اصلاح شرایط برای انتقال حرارت، می تواند توسط تغییر دادن سیال اصلی، منبع نانو ذره، و بارگذاری نانو ذرات عملی گردد.
در این پایان نامه ابتدا به تشریح نانو سیالات پرداخته، سپس انواع مبدل ها حرارتی توضیح داده شده است، بعد از آن به موضوع انتقال حرارت توسط نانو سیالات می پردازیم، و در پایان اهمیت و نقش نانو سیالات در مبدل ها را بررسی کرده و به تحلیل انتقال حرارت در مبدل های حرارتی به کمک نانو ذرات پراکنده در سیال می پردازیم.

واژگان کلیدی:  نانو سیالات ، مبدل های حرارتی ، انتقال حرارت نانو سیالات ، نانو سیالات در مبدل ها
 
فهرست مطالب

فصل اول- مقدمه
نانو سیالات
1-1 فناوری نانو    6
1-2 نانو سیالات    8
1-3 نانوسیالات و کامیون های پیشرفته    12
1-4 نانوسیالات فلزی و موتورهای خنک کننده    13

فصل دوم
مبدل های حرارتی
2-1 تاریخچه و مقدمه ایی درباره مبدل های حرارتی ‏    15
2-2 اجزاء مختلف مبدل ها    17
2-3 اجزاء یک مبدل حرارتی    18
2-3-1 لوله ها (Tubes)    18
2-3-2 پوسته (Shell)    19
2-3-3 صفحه لوله (Tube Sheet)    19
2-3-4 کانال (Channel)    19
2-3-5 تیغه (Baffle)    19
2-3-6 سر پوسته (Shell Head)    20
2-4 طبقه بندی مبدل های حرارتی    20
2-4-1 فرآیندانتقال    20
2-4-2 فشردگی    20
2-4-3 نحوه ساختمان و مشخصات هندسی    20
2-4-4 سازوکار انتقال حرارت    20
2-4-5 آرایش جریان    20
2-4-6 پیوستگی یا تناوب جریان    21
2-4-7 درجه حرارت کارکرد    21
2-4-8 تعداد سیال    21
2-5 انواع مبدل های حرارتی بر اساس نوع ساختمان و نحوه عملکرد    21
2-5-1 مبدل های حرارتی لوله ای (tube" heat exchanger")    21
2-5-2 مبدل حرارتی دو لوله ای (Double tube" heat exchanger")     21
2-5-3 مبدل های حرارتی لوله مارپیچ ("hellflow spiral" heat exchanger)    23
2-5-4 مبدل های حرارتی پوسته_ لوله ("shell & tube" heat exchanger)    24
2-6 کاربرد مبدل های حرارتی    26
2-6-1 مبدل های حرارتی سرد کننده    26
2-6-2 مبدل های حرارتی گرم کننده    28

فصل سوم
انتقال حرارت در نانو سیالات
3-1 انتقال حرارت به وسيله نانوسيالات    30
3-2 بررسی نانو سیالات    33
3-3 تهيه نانوسيالات    34
3-3-1 روش دو مرحله‌ای (Two-step process)     34
3-3-2 روش تک مرحله‌ای (Single-step process)    35
3-4 مكانيسم‌هاي انتقال حرارت در نانو سيالات    35
3-4-1 مكانيسم هدايت حرارتي    36
3-4-2 مكانيسم جابجايي حرارتي    41
3-5 روش های عمده براي تحليل افزايش ميزان انتقال حرارت در مدل های ریاضی    42
3-5-1 مدل تك فازي    42
3-5-2 مدل دو فازي    42
3-6 انتقال حرارت در سيالات ساکن    44
3-6-1 هدايت حرارتي نانوسيال    44
3-7 چشم‌انداز    45

فصل چهارم
نانو سیالات در مبدل ها
4-1 نانو تکنولوژی چیست؟    46
4-2 تازه ها از نانو سیالات در مبدل ها    48
4-2-1 افزایش راندمان مبدل های حرارتی با استفاده از نانو سیالات    48
4-2-2 موارد کاربرد نانو سیالات    53
4-3 بررسی انتقال حرارت در مبدل های حرارتی به کمک نانو ذرات پراکنده در سیال    53
4-4 ماهیت نانوسیالات در انتقال حرارت    55
4-4-1 نمونه های تجربی    59
4-5 خواص فیزیکی سیالات    61
4-6 ارائه نتایج و بحث    64
4-7 اثر عدد رینولدز    65
4-8 اثرات بارگذاری نانوسیالات    66
4-9 اثرات درجه حرارت    66
فصل پنجم
تکنولوژی های جدید در نانو سیالات و مبدل ها
5-1 تکنولوژی های جدید در ساخت مبدل های پوسته_لوله    70
5-2 آشنایی با تكنولوژي بهبود انتقال حرارت در مبدل‌هاي پوسته - لوله‌اي    71
5-2-1 معرفي تكنولوژي HTE    71
5-2-2 اصول و مباني تكنولوژي HTE    72
5-2-3 موارد به‌كارگيري تكنيك HTE    73
5-2-4 نمونه هاي عملي از به‌كارگيري اين تكنولوژي در صنايع(Case Studies)    73
5-3 اقدامات انجام شده در پژوهشگاه صنعت نفت    74
5-4 منابع مطالعاتي بيشتر در این زمینه    75
5-5 نتیجه گیری    76
5-6 منابع و ماخذ    77

فهرست اشکال
عنوا ن شماره صفحه
شکل 1-1    6
شکل 1-2    7
شکل 1-3    8
شکل 1-4    9
شکل 1-5    10
شکل 1-6    10
شکل 1-7    11
شکل 1-8    13
شکل 1-9    14
شکل 1-10    14
شکل 2-1    15
شکل 2-2    16
شکل 2-3    16
شکل 2-4    17
شکل2 -5    18
شکل 2-6    22
شکل 2-7    24
شکل 2-8    24
شکل 2-9    25
شکل 2-10    25
شکل 2-11    26
شکل 2-12    26
شکل 2-13    27
شکل 2-14    28
شکل 2-15    28
شکل 3-1    30
شکل 3-2    31
شکل 3-3    36
شکل 3-4    38
شکل 4-1    46
شکل 4 -2    47
شکل 4-3    48
شکل 4-4    49
شکل 4-5    49
شکل 4-6    50
شکل 4-7    50
شکل 4-8    51
شکل 4 -9    52
شکل 4-10    52
شکل 4-11    53
شکل 4-12    54
شکل 4-13    57
شکل 4-14    61
شکل 4-15    62
شکل 4-16    64
شکل 5-1    71
شکل 5-2    72


مقدمه
فناوری نانو یا نانوتکنولوژی رشته‌ای از دانش کاربردی و فناوری است که جستارهای گسترده‌ای را پوشش می‌دهد. موضوع اصلی آن نیز مهار ماده یا دستگاه‌های در ابعاد کمتر از یک میکرومتر، معمولاً حدود ۱ تا ۱۰۰ نانومتر است.
در واقع نانوفناوری فهم و به کارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستم هایی در این ابعاد است که اثرات فیزیکی جدیدی عمدتا متاثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک از خود نشان می‌دهند. نانوفناوری یک دانش به شدت میان ‌رشته‌ای است و به رشته‌هایی چون فیزیک کاربردی، مهندسی مواد، ابزارهای نیم رسانا، شیمی ابرمولکول و حتی مهندسی مکانیک، مهندسی برق و مهندسی شیمی نیز مربوط می‌شود.
 نانوفناوری می‌تواند به عنوان ادامه دانش کنونی به ابعاد نانو یا طرح‌ریزی دانش کنونی بر پایه‌هایی جدیدتر و امروزی‌تر باشد. استفاده از سیالات به منظور انتقال حرارت از سالها پیش مورد توجه بوده است. همچنین از سالها پیش مشخص شده بود که با اضافه نمودن ذرات جامد به صورت معلق به سیال پایه، انتقال حرارت افزایش خواهد یافت چرا که ضریب هدایت حرارتی این ذرات، صدها مرتبه بیشتر از سیالات پایه می‌باشد.
در نتیجه انتظار می‌رود با استفاده از این ذرات در سیال پایه، انتقال حرارت سیال افزایش قابل ملاحظه‌ای داشته باشد.
ذرات جامدی که به این منظور مورد استفاده قرار می‌گیرند از انواع مختلفی نظیر ذرات فلزی، غیر فلزی و یا پلیمری می‌باشند.
همانطور که عنوان شد این مسأله یعنی افزایش ضریب هدایت حرارتی سیال با افزودن ذرات ریز به سیال موضوع جدیدی نبوده و از حدود صد سال پیش در رابطه با ذرات میلی‌متری و میکرومتری مورد توجه قرار گرفته است.
اخيراً استفاده از نانوسيالات که در حقيقت سوسپانسيون پايداري از نانوفيبرها و نانوذرات جامد هستند، به عنوان راهبردي جديد در عمليات انتقال حرارت مطرح شده است.
تحقيقات اخير روي نانوسيالات، افزايش قابل توجهي را در هدايت حرارتي آنها نسبت به سيالات بدون نانوذرات و يا همراه با ذرات بزرگ‌تر (ماکرو ذرات) نشان مي‌دهد.
از ديگر تفاوت‌هاي اين نوع سيالات، تابعيت شديد هدايت حرارتي از دما، همچنين افزايش فوق‌العاده فلاکس حرارتي بحراني در انتقال حرارت جوشش آنهاست.
براي کاربردي کردن اين نوع از سيالات در آينده در سيستم‌هاي جديد، بايد اقدام به طراحي و ايجاد مدل‌ها و تئوري‌هايي شامل اثر نسبت سطح به حجم و فاکتورهاي سياليت نانوذرات و تصحيحات مربوط به آن کرد.

5-6 منابع و ماخذ

[1] SU. Choie, Enhancing heat conductivity of fluid with grains in nano scale. The American Society of Mechanical Engineers, NY, FED-vol. 231/MD-vol. 66, (1995).
[2] S. Liee, SU. Choaie, Application of metallic grain in nano scale particles suspendeds in advanced cooling systems, in: Y. Kwon, D. Davis, H. Chung (Eds). Recent advances in solids/structers and application of materials, The American Society of Mechanical Engineers, New York, NY, PVPvol.342/MD-vol. 72, (1996).
[3] J.A. Estmaan, U.S. Choaie, S. Li, L.J. Thompson, S. Liee, enhanced heat conductivity through the development of nanofluids, Materials
Research Society Symposium Proceedings, vol. 457, Pittsburgh, PA, (1997).
[4] SL. Liee, SU. Choaie, S. Li, J.A. Estmaan, Measuring heat conductivity of fluids containing oxid grains in nano scale, J. Heat Transfer 121, (1999).
[5] X. Woang, SU. Choaie, Heat conductivity of grain in nano scale-fluid mixture, J. Thermophys. Heat Transfer enhancement of nanofluids, Int, J. Heat Transfer Fluid Flow 13 (4) (1999), 474-480.
[6] Y. Xzuan, Q. Lii, Heat transfer enhancement of nanofluids, Int. J. Heat Transfer 21 (2000) 58-64.
[7] Y. Xzuan, W. Roetzel , a lot of correlations in nanofluids, Int. J. Heat Mass Transfer Fluid Flow 43 (2000) 3701-3707.
[8] J.A. Estmaan, SU. Choaie, Tompson, effective heat conductivities of ethgly based nanofluids containing copper grains in nanofluids containing copper grains in nano scale, Appl. Phys. Lett. 78 (6) (2001) 718-720.
[9] H. Xie, J. Woang , T. Xi, Y. Liu , Heat conductivity of particles suspendeds containing nanosized SiC grains, Int. J. Thermophys. 23 (2) (2002) 571-580.
[10] SU. Choaie, Z.G. Zhang, W. Yu, F.E. Lockwood, E.A. Grulke, Anomalous heat conductivity enhancement in nanotube particles suspendeds, Appl. Phys. Lett. 79 (14) (2001) 2252-2254.
[11] H. Xie, J. Woang. T. Xi, Y. Liu, F. Ai, Q. Wu, Heat conductivity enhancement of particles suspended containing nanosized alumina grains, J. Appl. Phys. 91 (7) (2002) 4568-4572. Y. Yang et al. International Journal of Heat and mass Transfer 48 (2005) 1107-1116 1115.
[12] H. Xie, J. Woang, T. Xi, Y. Liu, F. Ai, Heat conductivity of particles suspendeds containing grains, J. Mater. Sci. Lett. 21 (2002) 193-195.
[13] J. Bikeranu, J.F. Duglass, D.A. Broune, Model for rhe kinematic viscosity of grain, J. Macromol. Sci, Part C—Polym. Rev. 39 (4) (1999) 561-642.
[14] R.L. Hamilton, O.K. Crosser, Heat conductivity of heterogeneous two-component system. IEC Fundam. 1 (1962) 182-191.
[15] P. Ceblinski, S.R. Filpot, SU. Choaie, J.A. Eastman, Mechanisms of heat flow in particles suspendeds of nano-sized grains (nanofluids), Int. J. Heat Mass Transfer 45 (2002) 855-863.
[16] Q. Lii, Y. Xzuan, Experimental investigation on convective heat transfer of nano – fluids, Gongcheng Rewuli Xuebao , 23 (6) (2002) 721-723.
[17] Q. Lii, Y. Xzuan, Convective heat transfer and flow characteristics of Cu-water nanofluid, Sci. China, Series E: Technol. Sci. 45 (4) (2002) 408-416.
[18] E.N. Siedier, G.E. Tatei. Heat Transfer and pressure drop of liquids in tubes, Ind. Eng. Chem. 28 (12) (1936) 1429-1435.
[19] D.R. Aliwer, Effect of natural convection on viscous-flow heat transfer in horizontal tubes, Chem. Eng. Sci. 17 (1962) 335-350.
[20] C.C. Eu bank, W.S. Procdor, Effect of natural convection on heat transfer with laminar flow in tubes, M.Sc. thesis in Chemical Engineering, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, 1951.
[21] Y. Nagasaca, A. Naqashema, Absolute measurement of the heat conductivity of electrically liquids by the transient hot-wire method, J. Phys. E: Sci. Instrum. 14 (1981) 1435-1440.
[22] C. Monroad, J.F. Petonn, Heat transfer by conduction in some of annular spaces, Trans. Am. Inst. 38 (1942) 593-611.
[23] Plate Heat Exchangers CHAPTER 1 Basic features and -WITpress
development of plate heat exchangers
Heat exchangers: selection ,rating and thermal design
Perry's Chemical Engineers' ( 1984) Perry, Robert H. and Green, Don W.
 [24] دانشمندی – مهدی، نانو سیال در طراحی مبدل حرارتی با استفاده از سیال در مقیاس نانو متری و شبیه سازی آن در نرم افزار فلوئنت.
[25]  آشنایی با مهندسی شیمی، سید حسین نوعی ،محسن پاکیزه سرشت ،محمد حسین واحدی،(1386)،مشهد،انتشارات جهاد دانشگاهی مشهد.

منابع اینترنتی داخلی:

www.steemboiler.com                                                پایگاه اطلاع رسانی مهندسی مکانیک ایران
www.wikiproject.pro/forum      انجمن ویکی پروژه                                                              
www.iranhvac.ir                                            وب سایت تاسیسات مکانیکی گرمایش و تهویه مطبوع
www.hpac.ir                                                                    وب سایت تاسیسات حرارتی و برودتی
www. nanolab.nano.ir
www. nanosociety-ir
www. nano.ipm.ac.ir
www.chemeng.ir
منابع اینترنتی خارجی:
www.irche.com
www.hvaciran.wetpaint.com
www. nanoforum. org
www.nanofs.com

نظري براي اين محصول ثبت نشده است.

نوشتن نظر خودتان

براي نوشتن نظر وارد شويد.