محمد میرزائی- رئیس امور بهینه سازی در تاسیسات و تجهیزات /بابک سبحانی - کارشناس ارشد بهینه سازی انرژی در تاسیسات
استفاده از سیال برای انتقال حرارت سال‌هاست که به کار می‌رود. ضریب انتقال حرارت و هدایت حرارتی سیال حامل انرژی نقش مهم و اساسی در بالا بردن بازده و راندمان انتقال حرارت در تجهیزاتی مانند مبدل‌های حرارتی دارند. سیال‌های رایج حامل انرژی در صنایع بیش‌تر سیال‌هایی مانند آب، روغن، اتیلن‌گلایکول و ... هستند. ضریب هدایت حرارتی فلزات از مایعات بسیار بالاتر است.
برای نمونه هدایت حرارتی مس در دمای محیط نزدیک به 700 برابر آب و 3000 برابر روغن موتور است. پس انتظار می‌رود که افزودن ذرات جامد به صورت معلق به سیال پایه، انتقال حرارت را افزایش دهد، چرا که ضریب هدایت حرارتی این ذرات صدها مرتبه بیش‌تر از سیالات پایه است.ذرات جامدی که برای این هدف استفاده می‌شوند گونه‌های مختلف ذرات فلز، اکسیدفلز، غیرفلزی و یا پلیمری هستند.
افزایش ضریب هدایت حرارتی سیال با افزودن ذرات ریز به سیال پایه از نزدیک به صد سال پیش با استفاده از ذرات میلی‌متری و میکرومتری به کار بسته شده اما با وجود افزایش انتقال حرارت با ذرات میکرومتری، استفاده از ذرات جامدی در این ابعاد مشکلاتی هم به دنبال داشته که برخی از آن‌ها عبارتند از:
• رسوب یا ته‌نشینی ذرات (Sedimentation)
• سائیدگی(Erosion)
• مسدود کردن لوله‌ها (Fouling)
• افزایش افت فشار در مجرای سیال (Pressure Drop of the flow channel)
پیشرفت‌های چشم‌گیرفناوری در گستره نانو امکان چیرگی بر این مشکلات را فراهم کرده است.نانوسیالات نسل جدیدی از سیالات با قابلیت‌های بسیار زیاد در کاردبرهای صنعتی هستند که از توزیع ذرات با ابعاد نانو در سیالات معمولی مانند آب یا روغنبه دست می‌آیند. اندازه ذرات مورداستفاده در نانوسیالات از ۱ نانومتر تا ۱۰۰ نانومتر است. این ذراتاز جنس فلز، مانند مس (Cu)، نقره (Silver) و... ویا از جنس اکسیدفلز،مانند اکسیدآلومینیوم (Al2O3)، اکسیدمس (CuO) و... هستند.
ذرات با اندازه نانوسوسپانسیون‌های بسیار پایدارتری تشکیل می‌دهند و پایین بودن سرعت ته‌نشینی آن‌ها سبب می‌شود که مشکل گرفتگی و انسداد مجاری به کم‌ترین اندازه برسد.
تحقیقات و نتایج تجربی نشان می‌دهد که هرچند ویسکوزیته نانوسیالات نسبت به سیال پایه تشکیل‌دهنده آن‌ها بیش‌تر خواهد شد اما افزودن نانوذرات به سیال پایه، افزایش چشم‌گیر ضریب انتقال حرارت رسانش در نانوسیال را به دنبال خواهد داشت و ضریب هدایت حرارتی آن‌از مقدار متناظر آن در سیال پایه بسیار بزرگ‌تر است و درنتیجه نانوسیال‌ها گزینه‌های بسیار مناسبی برای استفاده درکاربردهای انتقال حرارت به شمار می‌روند.
رسانش حرارتی نانوذرات به عوامل گوناگونی مانند درصد حجمی نانو ذرات، مواداولیه، شکل ذرات، نوع سیال پایه و دما بستگی دارد. هم‌چنین مقدار و نوع مواد افزودنی و اسیدیته نانوسیال هم در افزایشرسانش حرارتی موثر است.
فرایند انتقال حرارت و استفاده از مبدل‌های حرارتی در بسیاری از صنایع، سیستم‌های سرمایشی و سیستم‌های گرمایشی مانند مبدل‌های خورشیدی و یا سیستم‌های گرمایشی از کف و ... وجود دارد. افزایش میزان انتقال حرارت و کارایی مبدل‌ها برابر است با صرفه‌جویی در هزینه و میزان انرژی. برخی از مزیت‌های استفاده از نانوسیال این‌ها هستند:
• بهبود انتقال حرارت و پایداری
• کاهش توان لازم برای پمپاژ سیال
• کاهش گرفتگی و انسداد مجاری و کانال‌ها
• کاهش اندازه سیستم‌های انتقال حرارت
• کاهش هزینه‌ها
• کوچک‌تر و سبک‌تر شدن سیستم‌های حرارتی
• کاهش هزینه‌های عملیاتی
• کمک به حفظ بهتر و بیش‌تر محیط‌زیست
نانوسیالات پلیمری (پلی‌نانوسیال) برای افزایش هدایت گرمایی وبهبود عملکرد انتقال حرارت و با پخش و منتشر کردن ذرات پلیمری در اندازه‌های نانومتری در سیالات متداول منتقل‌کننده گرما ساخته می‌شوند. برای نمونه استفاده از نانوذرات ایمید در اتيلن‌گلايکول و نفت ضريب انتقال حرارت سيال پايه را به ترتیب به ميزان 40% و 150% افزایش مي‌دهد. حرکت نانوذرات پلیمری، سطح مولکولي لايه‌اي مايع در سطح مشترک مايع با ذرات، انتقال حرارت پرتابه‌اي در نانوذرات پلیمری و تاثير خوشه‌اي‌شدن نانوذرات برخی از عوامل انتقال حرارت در پلی‌نانوسيال‌ها هستند. از ویژگی‌های بارز و مهم نانوسیالات پلیمری می‌توان این‌ها را نام برد:
ای هدایت گرمایی بسیار بالا (بالاتر از هدایت گرمایی سوسپانسیون‌های رایج)
2) وجود نسبت غیرخطی میان هدایت گرمایی و غلظت نانولوله‌های پلیمری در نانوسیالات
3) وابستگی شدید هدایت گرمایی به دما
4) افزایش چشم‌گیر در شار حرارتی بحرانی
هر یک از این ویژگی‌ها به تنهایی برای سیستم‌های حرارتی بسیار مطلوب‌اند و ترکیب آن‌ها در پلی‌نانوسیالات، این ماده را بهترین انتخاب برای کاربرد در مواد انتقال حرارت و تولید سرد‌کننده‌های مبتنی بر مایع می‌سازد.