مهندسان شیمی دانشگاه فردوسی مشهد، با بررسی عملکرد رادیاتور اتومبیل دریافتند که در صورت استفاده از نانوسیال‌ها، میزان انتقال حرارت این سیستم‌ها افزایش چشمگیری خواهد داشت. نتایج این طرح نشان می‌دهد که نانوسیال‌ها جایگزین‌های مناسبی برای سیال خنک کننده در رادیاتورها و مبدل‌های حرارتی هستند.
مشهد: بهبود عملکرد رادیاتور اتومبیل به کمک نانوسیال‌ها
بهینه‌سازی مصرف انرژی در صنایع و تجهیزات، همواره مورد توجه محققین و مهندسین علوم حرارتی بوده است. تا کنون روش‌های مختلفی جهت بهبود انتقال حرارت مبدل‌های حرارتی و رادیاتورها پیشنهاد شده است. از طرفی، با افزایش نیاز جوامع بشری به اتومبیل، بهبود کارایی موتورها و کاهش ابعاد و وزن سیستم انتقال حرارت در وسایل نقلیه از اهمیتی ویژه برخوردار است. سیال خنک‌کننده‌ی رادیاتور اتومبیل مخلوط آب و اتیلن‌گلیکول است که از نظر انتقال حرارت نسبتاً ضعیف است. در نتیجه، برای افزایش کارایی این سیستم‌ها به موادی با خواص حرارتی بالاتر نیاز است. از جمله روش‌های افزایش انتقال حرارت در رادیاتورها، کاربرد نانوسیال‌هاست. در این پروژه، خنک سازی رادیاتور اتومبیل بوسیله نانوسیال مورد بررسی قرار گرفته است.
نتایج نشان داده است که نانوسیال می‌تواند تا%۵۰ سبب بهبود انتقال حرارت گردد. استفاده از نتایج این طرح، کاهش اندازه و وزن رادیاتورها را به دنبال دارد. با کوچک شدن حجم رادیاتور، علاوه بر کاهش هزینه‌های تولید، امکان طراحی بهتر اتومبیل فراهم می‌شود. از طرفی خنک سازی بهتر، بر مصرف سوخت نیز اثر مثبت گذاشته و سبب کاهش مصرف سوخت می‌شود. لازم به ذکر است، در صورتی که موتور سریع‌تر گرم شود ممکن است سبب انتشار کمتر ذرات به محیط شود، زیرا بیشتر آلاینده ها در طول گرم شدن موتور پراکنده می‌شوند. بنابراین با کاهش زمان مورد نیاز برای ایجاد حرارت لازم این مشکل نیز برطرف خواهد شد.
نتایج نشان داده است که نانوسیال می‌تواند تا%۵۰ سبب بهبود انتقال حرارت گردد. استفاده از نتایج این طرح، کاهش اندازه و وزن رادیاتورها را به دنبال دارد. با کوچک شدن حجم رادیاتور، علاوه بر کاهش هزینه‌های تولید، امکان طراحی بهتر اتومبیل فراهم می‌شود. از طرفی خنک سازی بهتر، بر مصرف سوخت نیز اثر مثبت گذاشته و سبب کاهش مصرف سوخت می‌شود. لازم به ذکر است، در صورتی که موتور سریع‌تر گرم شود ممکن است سبب انتشار کمتر ذرات به محیط شود، زیرا بیشتر آلاینده ها در طول گرم شدن موتور پراکنده می‌شوند. بنابراین با کاهش زمان مورد نیاز برای ایجاد حرارت لازم این مشکل نیز برطرف خواهد شد.
مطهره شکرگزار، کارشناس ارشد مهندسی شیمی از دانشگاه فردوسی مشهد، در خصوص ویژگی‌های نانوسیال‌ها عنوان کرد: «نانوسیال‌ها، با پراکنده نمودن پایدار ذراتی با ابعاد نانومتر در سیالات انتقال حرارت، که عموماً مایعاتی نظیر آب و اتیلن‌گلیکول هستند، تولید می‌شود. از جمله مزایای مشخص نانوسیال‌ها می‌توان به وابستگی قوی‌تر دما به هدایت حرارتی در مقایسه با سیال پایه خالص، افزایش چشمگیر در هدایت حرارتی با حضور غلظت‌های حجمی کم ذرات و بهبود قابل توجه انتقال حرارت توسط آن‌ها اشاره کرد. بنابرانی انتظار می‌رود سیال‌هایی که شامل ذرات ریز معلق ترکیبات فلزی باشند، در مقایسه با سیال خالص، خواص بهتری را نشان دهند».
به گفته‌ی شکرگزار، برای دستیابی به این نتایج، سیستمی مشابه سیستم خنک سازی رادیاتور اتومبیل طراحی و ساخته شد. بجای سیال خنک کننده‌ی رادیاتور از نانوسیال (مخلوط ۶۰ به ۴۰ آب به اتیلن گلیکول) استفاده شد. نانوذرات مورد استفاده در این تحقیق اکسید تیتانیوم(TiO2) و اکسیدمس (CuO) بودند. دمای سیال در ورودی و خروجی رادیاتور و نیز در دیواره رادیاتور اندازه گیری شد. سپس با استفاده از روابط انتقال حرارت، میزان بهبود انتقال حرارت در حالتی که از نانوسیال استفاده می شود در مقایسه با هنگامی که سیال پایه به تنهایی استفاده می شود محاسبه شد. برای این منظور اثر پارامترهای مختلف نظیر دمای ورودی، غلظت نانوسیال و شدت جریان حجمی بر ضریب انتقال حرارت مطالعه شد.
به گفته‌ی شکرگزار، برای دستیابی به این نتایج، سیستمی مشابه سیستم خنک سازی رادیاتور اتومبیل طراحی و ساخته شد. بجای سیال خنک کننده‌ی رادیاتور از نانوسیال (مخلوط ۶۰ به ۴۰ آب به اتیلن گلیکول) استفاده شد. نانوذرات مورد استفاده در این تحقیق اکسید تیتانیوم(TiO2) و اکسیدمس (CuO) بودند. دمای سیال در ورودی و خروجی رادیاتور و نیز در دیواره رادیاتور اندازه گیری شد. سپس با استفاده از روابط انتقال حرارت، میزان بهبود انتقال حرارت در حالتی که از نانوسیال استفاده می شود در مقایسه با هنگامی که سیال پایه به تنهایی استفاده می شود محاسبه شد. برای این منظور اثر پارامترهای مختلف نظیر دمای ورودی، غلظت نانوسیال و شدت جریان حجمی بر ضریب انتقال حرارت مطالعه شد.
بنابر نتایج موجود با افزایش دمای ورودی، کسر حجمی نانوذرات و شدت جریان حجمی میزان انتقال حرارت بهبود می‌یابد. از طرفی، درصد افزایش انتقال حرارت در صورت استفاده از نانوذرات اکسید مس بیشتر از نانوذرات تیتانیا گزارش شده است. به گونه‌ای که در دمای ورودی ۵۴ درجه سانتی‌گراد و در شرایط یکسان غلظت و جریان حجمی، میزان افزایش در صورت استفاده از نانوذرات اکسیدمس %۵۴ و نانوذرات تیتانیا %۴۵ بوده است.
نتایج این تحقیقات که توسط مطهره شکرگزار، دکتر سعید زینالی هریس- عضو هیئت علمی دانشگاه فردوسی مشهد- و همکارانشان صورت گرفته است، در مجله‌ی Journal of Dispersion Science and Technology (جلد ۳۵، شماره ۵، ماه می، سال ۲۰۱۴، صفحات ۶۷۷ تا ۶۸۲) به چاپ رسیده است.
