معرفی پتنت:استفاده از نانومواد کربنی برای افزایش انتقال حرارت در سیالات

بهبود توانایی انتقال حرارت سیال‌های متحرک در سیستم‌های انرژی بر پایه حرارت، منجر به افزایش بازده تبدیل انرژی، آلودگی کمتر، کاهش هزینه‌ها(هزینه‌های عملیات و نگهداری)، بهبود قابلیت اطمینان(reliability) و تسهیل کوچک‌سازی سیستم‌های انرژی می‌شود.

عنوان انگلیسی: Nano carbon materials for enhancing thermal transfer in fluids
شماره پتنت: 6,695,974
نام پدیدآورندگان: Withers; Raouf O. Loutfy James C.
تاریخ ثبت: February 24, 2004
 

مقدمه
بهبود توانایی انتقال حرارت سیال‌های متحرک در سیستم‌های انرژی بر پایه حرارت، منجر
به افزایش بازده تبدیل انرژی، آلودگی کمتر، کاهش هزینه‌ها(هزینه‌های عملیات و
نگهداری)، بهبود قابلیت اطمینان(reliability) و تسهیل کوچک‌سازی سیستم‌های انرژی می‌شود.

همینک توسعه سیال‌های انتقال حرارت پیشرفته که دارای هدایت حرارتی بالایی باشند و
خصوصیات انتقال حرارت در آنها بهبود یافته باشد، یک نیاز اساسی محسوب می‌شود. سیال‌های
انتقال حرارت سنتی مثل آب، روغن، اتیلن گلیکول و مخلوط آنها ذاتاً سیال‌های انتقال
حرارت ضعیفی هستند و با وجود چنین محدودیتی که این مواد در هدایت حرارتی دارند،
توسعه سیال‌های انتقال حرارت پیشرفته بر پایه آنها مشکل است.
با توجه به تحقیقات مختلف، ثابت شده‌است که اضافه کردن نانوذرات اکسیدی و فلزی به
یک سیال، هدایت حرارتی سیال زیاد شده و انتقال حرارت افزایش پیدا می‌کند، همچنین
استفاده از نانوذرات با اندازه کوچک‌تر و یا هدایت حرارتی بالاتر(برای مثال
نانوذرات مس درمقایسه با نانوذرات اکسید آلومینیم) در نانوسیال، باعث افزایش بیشتر
هدایت حرارتی نانوسیال می‌گردد.
در این اختراع از نانومواد کربنی مثل نانولوله ها، فولرین ها، گرافیت و الماس برای
افزایش انتقال حرارت در سیستم‌های تبادل حرارتی استفاده شده‌است.
هدف از اختراع
تهیه یک عامل جدید انتقال حرارت که در آن از نانوذرات کربن ـ که به‌صورت
معلق(suspension) در سیال درآمده‌اند ـ برای بالا بردن هدایت حرارتی سیال استفاده
شده‌است.
خلاصه اختراع
همان طور که اشاره شد، اضافه کردن نانوذرات به سیالات باعث بهبود انتقال حرارت در
سیالات می‌شود. از جمله نانوذرات ایده‌ال با هدایت حرارتی بالا، کربن با ساختار یا
نوع نانولوله‌ای یا الماس است.
عامل انتقال حرارتی جدید در این اختراع شامل یک سیال انتقال حرارت پایه(آب، اتیلن
گلیکول، روغن و…) و نانوذرات کربنی است که برای افزایش هدایت حرارتی سیال، به‌صورت
معلق در سیال درآمده‌اند.
عامل انتقال حرارتی جدید با سیلان در یک سیستم بسته ؛مثلاً تبخیرکننده و کندانسور
سیستم تبادل حرارتی و انتقال انرژی گرمایی از سیستم گرم‌تر به سردتر، باعث بهبود
انتقال حرارت می‌شود.

بررسی جنبه‌های ابتکاری و مزایای اختراع
در این اختراع نانوذرات کربنی، کربن‌هایی با نوع اتصال پیوند SP2 یا SP3 که شامل
گرافیت، فولرین و الماس می‌شود، انتخاب گردیده‌اند. لازم به ذکر است که شکل مرجح
کربن که دارای خصوصیات فوق باشد، نانولوله‌های کربنی(تک‌دیواره یا چند‌دیواره) است.

نانولوله‌های کربنی منجر به کاهش قابل توجه هزینه و انرژی در بخش‌های مدیریت انرژی
شده و گرایشی را که هم‌اکنون در دنیا برای کوچک‌‌سازی وسایل و دستگاه‌ها وجود دارد،
به‌وسیله ‌امکان طراحی سیستم‌های تبادل حرارتی سبک‌ترو کوچک‌تر، فراهم می‌کنند،
همچنین به‌دلیل استفاده از این نوع نانوسیال‌ها، توان پمپ تبادل حرارتی کاهش
چشمگیری یافته، منجر به کاهش مقاومت حرارتی و افزایش چگالی توان می‌شود.
در این اختراع هنگامی که نانوذرات به شکل‌های کشیده مثل نانولوله‌ها یا فولرین‌های
کشیده‌شده‌ هستند، نسبت طول به قطر(l/d) آنها باید بزرگ‌تر از یک و ترجیحاً بزرگ‌تر
از دو باشد، همچنین برای افزایش کارایی بیشتر نانوذرات کربنی در سیالات تبادل
حرارتی، از یک یا چند عامل اتصال نیز استفاده می‌شود.
در هنگام استفاده از فولرین از شکل فولرین اپوکسید در سیال پایه آب(به‌دلیل قابل حل
بودن اپوکسید در آب) و در هنگام استفاده از نانولوله‌ها نیز از یک عامل اتصال آلی
که به آنها وصل شده‌است و سیال پایه اتیلن گلیکول، استفاده می‌شود.
مهم‌ترین جنبه ابتکاری این اختراع، استفاده از نانوذرات کربنی برای بهبود خصوصیات
انتقال حرارتی سیال است. از جمله دلایل افزایش انتقال حرارت در نانوسیالات بر پایه
نانوذرات کربنی، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
1) افزایش مساحت سطح و ظرفیت حرارتی سیال به‌دلیل معلق بودن نانوذرات کربنی؛
2) افزایش هدایت حرارتی مؤثر(ظاهری) سیال، به‌دلیل معلق بودن نانوذرات کربنی؛
3) افزایش برهم‌کنش و برخورد میان ذرات کربنی، سیال و سطح مسیر عبور جریان؛
4) افزایش نوسانات ترکیبی و تلاطم سیال؛
5) یکنواخت ‌‌شدن گرادیان دمایی عرضی سیال، به‌دلیل پراکندگی نانوذرات.