چکیده

استفاده از سیالات نانو با پیشرفت علم رنگی تازه به خود گرفته است و یکی از مهمترین کاربردهای این دسته از سیالات بهبود انتقال حرارت می باشد. با توجه به شباهت های ما بین سیالات فرو و نانو، سیالات فرو نیز ظرفیت افزایش انتقال حرارت به عنوان سیال عامل را دارند. در این پروژه از سیال فرو به عنوان سیال عامل برای بررسی تجربی تاثیر آن بر انتقال حرارت جابجایی اجباری در لوله دایروی مسی تحت شار گرمایی ثابت در رژیم جریان آرام استفاده شده است. بدین منظور مجموعه دستگاه آزمایشی برای این بررسی طراحی و ساخته شد. علاوه بر این پروژه به تاثیر میدان مغناطیسی متغییر خارجی بر میزان بهبود انتقال حرارت جابجایی اجباری در اعداد رینولدز مختلف پرداخته شده است. سه درصد حجمی مختلف در این بررسی تجربی مورد مطالعه قرار گرفته است و تاثیر درصد حجمی بر میزان بهبود انتقال حرارت مشخص شده است. فرکانس قطع و وصل میدان مغناطیسی مورد استفاده در این پروژه به وسیله یک مدار دیجیتال طرای شده قابل کنترل می باشد و با استفاده از این مدار دیجیتال تاثیر فرکانس قطع و وصل میدان مغناطیسی نیز مورد بررسی قرار گرفته است. پس از انجام مطالعات تجربی، بهبود انتقال حرارت قابل ملاحظه ای در اثر استفاده از سیال فرودر غیاب میدان مغناطیسی مشاهده شد. همنین استفاده از میدان مغناطیسی متغیر نیز منجر به افزایش نرخ انتقال حرارت جابجایی در طول لوله دایروی گشت. بر اساس نتایج بدست آمده افزایش درصد حجمی و فرکانس قطع و وصل باعث بهبود بیشتر در ضریب انتقال حرارت جایجایی می گردد. در پایان تمامی نتایج بر حسب طول بی بعد، ضریب انتقال حرارت جابجایی، عدد ناسلت و رینوادز در نمودارهای مجزا ذکر و مورد مقایسه قرار گرفته است.

کلمات کلیدی: سیال فرو، انتقال حرارت جابجایی اجباری، میدان مغناطیسی متغییر، بهبود انتقال حرارت

فهرست مطالب

فصل اول: مقدمه 

مقدمه

خنک کاری بهینه در حال حاضر یکی از نیازهای اساسی صنعت و بخش لاینفک در کارکرد مطلوب بسیاری از تجهیزات از قییل کامپیوترها، تجهیزات برق و الکترونیک، موتور خودروها، لیزرهای توان بالا و… می باشد. سیر صعودی در پیشرفت صنایع مختلف از جمله هوافضا، اتومبیل، الکترونیک و… با افزایش حرارت تولیدی در حجم های کوچکتر نسبت به گذشته همراه بوده است که حاکی از نیاز روزافزون به خنک کاری در حجم کمتر و به صورت بهینه می باشد. در نتیجه توان مصرفی بالا در این تجهیزات، بار حرارتی بیشتر (در برخی مواقع حتی بیش از ۲۵kW) و شارهای حرارتی بسیار زیادتر در حجم های کوچکتر نسبت به گذشته تولید می گردد، که خنک کاری را به یکی از چالش های اصلی در صنایع تبدیل کرده است. با این وجود، خواصی حرارتی پایین سیالات متعارف، یکی از موانع اصلی در برطرف سازی این نیاز اساسی به صورت موثر می باشد. در حال حاضر راه های مختلفی برای بهیود خنک سازی موجود است که می توان به چاه های حرارتی متشکل از میکرو کانال” و تکنولوژی سیالات خنک کن جریان های دوفاز مانند لوله های حرارتی . ترموسیفون ، غوطه وری مستقیم و خنک سازی به وسیله پاشش اشاره نمود. در این میان، تکنولوژی نانوسیالات قابلیت بالایی برای بهبود خواص انتقال حرارت یا یازدهی و کارایی بیشتر و تیز هزینه کمتر از خود نشان داده است. هم اکنون با استفاده از پیشرفت های حاصله در تکنولوژی مدرن می توان ذرات فلزی یا غیر فلزی با ابعاد نانو و در نتیجه سیالات حاوی این ذرات تولید نمود. مواد نانو دارای خواص مکانیکی، اپتیکی، الکتریکی، حرارتی و مغناطیسی منحصر به فردی می باشند. سیالات نانو با تعلیق ذرات نانو به ابعاد کوچکتر از IlIIl ۱۰۰ در سیالات حامل معمولی مانند آب ، روغن یا اتیلن گلیکولی سنتز می شوند. اضافه شدن مقدار بسیار کمی از ذرات نانو در سیال حامل به صورت یکنواخت و پایدار، افزایش چشمگیری در خواصی حرارتی سیالی به وجود می آورد. با گسترش و اهمیت یافتن نانو تکنولوژی در دو دهه گذشته، استفاده از نانو سیالات نیز اولین بار توسط چویی در سال ۱۹۹۵ مطرح شد. هدف اصلی استفاده از نانو ذرات رسیدن به حداکثر خواص حرارتی به وسیله حداقل میزان ذرات (کمتر از ۱٪) که به صورت یکنواخت و پایدار در سیال پخش گردند می باشد. پس از مطرح شدن استفاده از ذرات نانو برای افزایش خواص حرارتی سیالات، مطالعات زیادی صورت گرفت و در این میان تعداد زیادی ایده های جدید نیز مطرح شده است که کاربردهای فراوانی در بخش های مختلف مانند نسل های جدید خنک کن های هوشمند کامپیوترها و نیز خنک کن های ایمن نیروگاه هایی هسته ای دارد. از سیالات نانو می توان در مبدل های گرمایی استفاده نمود که منجر به کاهش چشمگیری در دبی سیال عامل می گردد و منتج به طراحی مبدل های حرارتی با ابعاد کوچکتر خواهد شد. رشد سریع مقالات و مطالعات مرتبط با این زمینه نشانگر اهمیت و کارایی بالای سیالات نانو در بهبود خواص انتقال حرارت سیالات می باشد. همانطور که گفته شد، به طور کلی وجود ذرات نانو در جریان های مختلف به دلایل گوناگون، که در این مطالعه مورد بحث قرار خواهد گرفت، باعث افزایش انتقال حرارت هدایتی و جابجایی خواهد شد. در این میان، در حال حاضر مطالعه در مورد خواص حرارتی سیالات حاوی ذرات نانو مغناطیسی، سیالات فرو، تحت تاثیر میدان های مغناطیسی خارجی نیز از جمله موضوعات بحث برانگیز بوده است که ذهن نگارنده این مطالعه را به بررسی این خواص منحصر به فرد در بهبود انتقال حرارت جابجایی معطوف ساخت. در ادامه به بحث و بررسی این خواص و کاربردهای نوین سیالات فرو پرداخته خواهد شد.

۱-۱ مقدمه ای بر سیالات قرو

 استفاده ار سیالات مغناطیسی و کنترل خواص مختلف آن ها به وسیله میدان های مغناطیسی خارجی برای دهه های متمادی از موضوعات مورد علاقه محققین بوده است. لاکن ساخت یک سیالی مغناطیسی قوی به معنای ذوب نمودن یک جامد مغناطیسی نمی باشد. در حقیقت جامدات مغناطیسی قسمت اعظم خواص مغناطیسی خود را بالاتر از دمایی به نام دمای کوری و تحت اثر انرژی گرمایی از دست می دهند و این به معنی از بین رفتن تمایل الکترون ها برای قرار گیری در راستای خطوط میدان مغناطیسی می باشد. دمای کوری پایین تر از نقطه ذوب جامد مغناطیسی می باشد. بنابراین نیاز به سیالی که بتوان آن را تحت تاثیر میدان مغناطیسی کنترل نمود ذهن را به سیالات فرو که مخلوط کلوییدی ذرات مغناطیسی در یک محیط سیال می باشند و تحت تاثیر میدان های مغناطیسی خارجی قرار می گیرند معطوف می سازد. سیالات فرو برای اولین بار در سال ۱۹۶۰ توسط پاپل در ناسا” به عنوان متدی برای کنترل سیالات در فضا ساخته و طبقه بندی شد. ناسا این نوع سیالات را اولین بار به عنوان درزگیر محورهای دوار مورد استفاده قرار داد. امروزه سیالات فرو کاربرد وسیعی در ماشین آلات، سانتریفیوژها و حتی هارد دیسکهای کامپیوتر دارندزیادی ایده های جدید نیز مطرح شده است که کاربردهای فراوانی در بخش های مختلف مانند نسل های جدید خنک کن های هوشمند کامپیوترها و نیز خنک کن های ایمن نیروگاه هایی هسته ای دارد. از سیالات نانو می توان در مبدل های گرمایی استفاده نمود که منجر به کاهش چشمگیری در دبی سیال عامل می گردد و منتج به طراحی مبدل های حرارتی با ابعاد کوچکتر خواهد شد. رشد سریع مقالات و مطالعات مرتبط با این زمینه نشانگر اهمیت و کارایی بالای سیالات نانو در بهبود خواص انتقال حرارت سیالات می باشد.همانطور که گفته شد، به طور کلی وجود ذرات نانو در جریان های مختلف به دلایل گوناگون، که در این مطالعه مورد بحث قرار خواهد گرفت، باعث افزایش انتقال حرارت هدایتی و جابجایی خواهد شد. در این میان، در حال حاضر مطالعه در مورد خواص حرارتی سیالات حاوی ذرات نانو مغناطیسی، سیالات فرو، تحت تاثیر میدان های مغناطیسی خارجی نیز از جمله موضوعات بحث برانگیز بوده است که ذهن نگارنده این مطالعه را به بررسی این خواص منحصر به فرد در بهبود انتقال حرارت جابجایی معطوف ساخت. در ادامه به بحث و بررسی این خواص و کاربردهای نوین سیالات فرو پرداخته خواهد شد.

1-1-مقدمه ای بر سیالات فرو  1

1-1-1-سنتز سیالات فرو  3

1-1-2-مشخصات سیالات فرو  6

1-1-3-روکنشگرهای معمول فروسیال  6

1-1-4-کاربردهای سیالات فرو  9

1-1-5-کاربرد در وسایل الکترونیکی  10

1-1-6-کاربرد در هیدرودینامیک  11

1-1-7-استفاده از میدان های مغناطیسی در پزشکی  12

1-1-8-کاربرد در انتقال دما  14

1-2-سیالات نانو و کاربردهای آن ها 19

ازبین بردن تومور به وسیله هدایت سیال فرو به نقطه مورد نظر

ازبین بردن تومور به وسیله هدایت سیال فرو به نقطه مورد نظر

فصل دوم: مروری بر مطالعات مرتبط انجام شده در گذشته 

در مطالعه تجربی پیش رو، سیال فرو مورد استفاده که از ذرات نانو مغناطیسی فریت تشکیل شده است، رفتاری بسیار مشابه با دیگر نانو سیالات دارد. بنابراین ایده استفاده از این سیال برای بهبود انتقال حرارت جابجایی به ذهن محققان این پژوهش خطور کرد. همانطور که گفته شد مطالعات تجربی و عددی بسیار زیادی چه در زمینه نانو سیالات و چه در زمینه سیالات فرو انجام شده است. چویی و ایستمن  با ترکیب ذرات نانو با آب ضریب انتقال حرارت هدایتی سیالات استفاده نمودند. آن ها ادعا نمودند که این دسته از سیالات هم از نظر تهیه و هم از نظر خواص پایداری و انتقال ونگ” و همکاران   با استفاده از ذرات A ،O و Cu O در آب بهبود ضریب انتقال حرارتی آب را مشاهده و در مورد مکانیزم بهبود این خواصی بحث نمودند. علاوه بر این، لیو و همکاران  مطالعاتی در مورد تاثیر نانو تیوب کربن” در سیالات حامل مختلف انجام دادند که منجر به افزایش قابل ملاحظه ای در ضریب انتقال حرارت هدایتی سیال گشت. همچنین او بهبود ۲۲٫۶٪ در ترکیب ذرات Culo با اتیلن گلیکول را گزارش داد و ثابت نمود که در در صدهای حجمی پایین، ضریب انتقال حرارت هدایتی به صورت خطی با درصد حجمی تغییر می کند که در شکل ۲-۱ مشخص است

استفاده از سیال فرو به منظور درزگیری

استفاده از سیال فرو به منظور درزگیری

فصل سوم: تئوری انتقال حرارت مسئله 

۱-۳ مکانیزم و معادلات انتقال حرارت

حرارت جابجایی از انتقال انرژی به دو صورت حرکت کپه ای سیال و نیز حرکت کاتوره ای مولکول های  سیال می باشد. همانطور که می دانیم در مبحث انتقال حرارت جابجایی دو ترم لایه مرزی سرعت و حرارتی تشکیل می گردد که پایه بحث ما بر این اساس بنا نهاده شده است.هنگامی که ذرات سیال در حرکت با سطح تماس پیدا می کنند (با شرط مرزی ۰ = V) از حرکت سیال جلوگیری می شود و این لایه به نوبه حود حرکت لایه بعدی را کند می کند که مربوط به تاثیر تنش برشی با لایه ها می باشد. این رویه تا زمانی که این تاثیر در ۵ = ۷ قابل صرف نظر گردد ادامه می یابد که در آن y فاصله از سطح و آن لایه مرزی سرعت می باشد. با افزایش فاصله y از سطح، سرعت سیال در جهت X، و لا افزایش می یابد تا به سرعت جریان آزاد ملا نزدیک گردد. بنا براین، جریان سیال را می توان به دو ناحیه لایه مرزی که در آن تغییرات سرعت و تنش برشی زیاد است و ناحیه خارجی لایه مرزی که در آن تغییرات سرعت و تنش برشی کم می باشد، تقسیم بندی نمود. با افزایش فاصله در راستای X ضخامت لایه مرزی و اثرات ویسکوزیته افزایش می یابد. در شکلی ۳-۱ لایه مرزی سرعت قابل مشاهده می باشد.

3-1-مکانیزم و معادلات انتقال حرارت  32

3-2-بررسی تئوری بهبود انتقال حرارت در مسئله  39

استفاده از میدان مغناطیسی وسیال فرو در MRI

استفاده از میدان مغناطیسی وسیال فرو در MRI

فصل چهارم: بررسی تئوری مغناطیس مسئله 

4-1-میدان های مغناطیسی، الکتریکی

پدیده آهنربایی ۲۵۰۰ سال پیش در شهر ماگنزیا مشاهده شد. آهنربا دارای دو قطب شمال N و جنوب S است. دو قطب مخالف یا غیرهمنام یکدیگر را جذب و دو قطب مشابه یا همنام یکدیگر را دفع می کنند. عقربه قطب نما به این دلیل رو به شمال می ایستد که زمین شبیه یک آهنربا عمل می کند بطوریکه قطب شمالی جغرافیایی زمین به قطب جنوب مغناطیسی آن بسیار نزدیک است. محور مغناطیسی زمین کاملا موازی محور جغرافیایی (محور چرخش) آن نیست لذا عقربه قطب نما از امتداد (شمالی-جنوب) جغرافیایی انحرافی دارد که از نقطه ای به نقطه ای دیگر تغییر می کند و زاویه انحراف مغناطیسی نامیده می شود. همچنین امتداد شمال – جنوب مغناطیسی افقی نیست و با سطح افقی زاویه ای می سازد که آن را زاویه میلی مغناطیسی می نامند. قطب های مغناطیسی همواره به صورت جفت ظاهر می شوند.در سال ۱۸۱۹ هانس کریستین اورستد دانشمند دانمارکی کشف کرد که وقتی عقربه قطب نما در مجاور سیم حامل جریان قرار می گیرد منحرف می شود. تحقیقات مشابه توسط آندره آمپر در فرانسه صورت گرفت و چند سال بعد مایکل فاراد در انگلستان و جوزف هانری در امریکا کشف کرد که حرکت دادن آهنربا در مجاور یک حلقه رسانا باعث پیدایش جریان الکتریکی در حلقه می شود و نیز عبور جریان الکتریکی متغیر از یک حلقه باعث پیدایش جریان الکتریکی در حلقه دیگر می شود که در مجاورت حلقه اول قرار دارد. این پدیده ها نخستین بار ارتباط میان جریان الکتریکی و میدان مغناطیسی را نشان داد که منجر به معادلات ماکسول شد که همچون معادلات نیوتن در مکانیک اصولی قوانین الکترومغناطیسی بشمار می آیند.

۳-۴ معادله ی کلی مومنتوم برای سیالات مغناطیسی

معادلات فروهیدرودینامیک، که توسط نورینگر و روز نویگ توسعه یاقت در حال حاضر با کاربردهای عملی تطبیق داده شده است. در ابتدا معادلات استنتاج شده برای یک فروسیالی شبیه همگن در تقریب شبه استاتیکی ارائه گردید، که مربوط به یک فروسیال رقیق شده، با دوقطبی های مغناطیسی شبه نقطهای و رفتار لانژوینی مغناطش در یک میدان کند – تغییر، می باشد. سپس، مدل فروسیالیها با چرخش های داخلی با احتساب استراحت مغناطش توسط مکانیسم نوع اNec یا BTOWn، طرحریزی گردید.استخراج یک معادله ی مومنتوم برای یک سیال مغناطیسی وابسته به مطالعه ی فروهیدرودینامیک است. اولین بار توسط نورینگر و روزنویگ در سال ۱۹۶۴ یک معادله حرکت ارائه شد که هنوز هم برای خیلی از مسائل کاربرد دارد. تعادل دینامیکی به ازای واحد حجم یک المان کوچک از سیال مغناطیسی را در نظر بگیرید. فرض می شود این المان آن قدر بزرگ است که تعداد کافی از ذرات مغناطیسی را شامل شود و البته نسبت به کل میدان جریان سیال خیلی کوچکتر است. نرخ زمانی تغییر مومنتوم برای جرم ثابت موجود در المان با حجم برابراست

4-1-میدان های مغناطیسی، الکتریکی  46

4-2-دوقطبی ها  48

4-3-معادله کلی مومنتوم برای سیالات مغناطیسی  49

4-4-معادلات حاکم  52

4-5-نیروی حجمی کلوین برای جریان Magnetoconvective  54

4-6-معادلات بی بعد 56

ذرات فروتحت تاثیر میدان خارجی

ذرات فروتحت تاثیر میدان خارجی

فصل پنجم: شرح دستگاه آزمایش 

۲-۵ منبع سیال فرو و پمپ

کل سیال فرو در یک مخزن مدرج پلاستیکی به حجم CC ۲۰۰ قرار می گیرد. این مخزن دارای یک روکش می باشد تا تاثیر تغییرات دمای آزمایشگاه و جریان هوای خارجی بر روی سیال داخل مخزن کاهش یابد. همچنین از آنجایی که سیال فرو در حضور اکسیژن و در طول زمان ممکن است اکسید گردد و ذرات ۴:FeO به بFeO تبدیل گردد با وجود این درپوش این احتمال کاهش می یابد. هرچند که رو کنشگر سیال نیز نقش به سزایی در جلوگیری از اکسید شدن سیالی دارد. از آنجایی که در سیکل بسته امکان پیدایش حباب وجود دارد می بایست از یک حباب گیر در بالاترین نقطه سیکل استفاده نمود ولی با کمی باز گذاشتن روکش مخزن به راحتی میتوان s 3 ایجاد حباب در سیکل جلوگیری نمود. مخزن پلاستيکی پیشے وسیله ماته سوراخ شده است تا انشعابات ورودی. خروجی به آن راه یابد. راه ورودی و خروجی به صورت کامل آب بندی شده است تا از نشتی احتمالی جلوگیری گردد. خروجی مخزن به وسیله شلنگ و اتصالات مربوطه به یک پمپ DC متصل می باشد. این پمپ DC دارای هد ۳۰۰۰ می باشد و توانایی ایجاد حد اکثر دبی  در سیکل را دارد که به وسیله آن می توان تا عدد ۱۶۰۰=Re در جریان آرام سیالی فرو دسترسی پیدا نمود. برای کنترل دبی دو راه مورد استفاده قرار گرفت. راه اول استفاده از شیر های سوزنی، دستی و توپی و راه دوم تنظیم دبی از طریق کنترل ولتاژ DCتغذیه پمپ می باشد. در شکل ۵-۵ طرز قرار گیری پمپ و مخزن قابل مشاهده می باشد.

ولتاژ این پمپ به وسیله یک منبع تغذیه متغیر مستقیم (Micro) با مشخصات V ۴۰ و A ۵ کنترل می شود. دقت تغییرات این منبع تغذیه برابر V ۱. ۰ و A ۰٫۰۰۱ می باشد و ما را قادر می سازد تا ولتاژ را در مقیاسهای کوچکتر نیز تغییر دهیم. با رسیدن ولتاژ پمپ به V ۶، پمپ قادر به ایجاد جریان در مدار می گردد و با افزایش ولتاژ، دبی سیستم نیز افزایش می یابد. کنترل دبی از طریق ولتاژ این مزیت را دارد که می توان دستگاه را برای اعداد رینولدز مختلف به راحتی کالیبره کرد، به این معنی که برای هر سیالی خاص با ویسکوزیته و دمای مشخص در شرایط ثابت، هر ولتاژ بیانگر یک عدد رینولدز خاص خواهد بود. به دلیل اینکه تنظیم دبی برای رسیدن به یک عدد رینولدز خاصی به وسیله شیر مشکل و وقتگیر می باشد و دارای خطای زیادیست، تنظیم دبی و ارتباط دادن هر ولتاژ به یک دبی خاص باعث بالا رفتن دقت و کاهش اتلاف وقت در تلاش برای دسترسی به یک دبی خاص خواهد بود. در شکلی ۵-۶ نمونه ای از ارتباط بین ولتاژ و دبی جرمی سیال فرو با غلظت ۲٪ مشاهده می گردد. همانطور که مشخص است رابطه بین ولتاژ و دبی جرمی تقریبا به صورت خطی می باشد.

5-1-شلنگ ها و بست ها  62

5-2-منبع سیال فرو و پمپ  64

5-3-قسمت بررسی بهبود انتقال حرارت جابجایی  65

5-4-سیستم ایجاد شار حرارتی ثابت 66

5-5-سیستم سنجش دما  69

5-6-سیستم خنک کننده  72

5-7-قسمت مغناطیسی و کلید زنی مدار  73

شماتیک پمپ ساخته شده در دانشگاه جورجیا که درآن سیال فرو بدون هیچ گونه موتور درسیکل می چرخد

شماتیک پمپ ساخته شده در دانشگاه جورجیا که درآن سیال فرو بدون هیچ گونه موتور درسیکل می چرخد

فصل ششم: ساخت سیالات فرو 

ساخت و کاربردهای سیالی که بتوان آن را با میدان مغناطیسی کنترل نمود را در نظر بگیرید. ساخت یک سیال مغناطیسی قوی به معنای ذوب نمودن یک جامد مغناطیسی نمی باشد. در حقیقت جامدات مغناطیسی قسمت اعظم خواص مغناطیسی خود را بالاتر از دمایی به نام دمای کوری و تحت اثر انرژی گرمایی از دست می دهند و این به معنی از بین رفتن تمایل الکترون ها برای قرار گیری در راستای خطوط میدان مغناطیسی می باشد. دمای کوری پایین تر از نقطه ذوب جامد مغناطیسی می باشد. بنابراین نیاز به سیالی که بتوان آن را تحت تاثیر میدان مغناطیسی کنترل نمود ذهن را به سیالات فرو که مخلوط کلوییدی ذرات مغناطیسی در یک محیط سیال می باشند و نحت تاثیر میدان های مغناطیسی خارجی قرار می گیرند معطوف می نماید.ساخت سیال فرو از دو بخش اصلی تشکیل شده است. اولین قدم ایجاد ذرات نانو به منظور پخش شدن در محلول کلوئیدی می باشد. این ذرات می بایست از نظر شیمیایی در محلول حامل پایدار باشند. این ذرات عموما ذرات ۴:FeO می باشند ولی ذرات دیگری نبز مورد استفاده قرار می گیرند. قدم دوم برای سنتز کردن این سیال پراکنده سازی ذرات مغناطیسی در سیال حامل به وسیله رو کنشگر می باشد. روکنشگر عامل پراکننده کننده ای است که با در بر گرفتن ذرات و ایجاد نیروی دافعه بین ذرات (فضایی ” کولمبیا) انرژی لازم برای  ذرات را بالا برده و باعث ایجاد یک سیالی پایدار خواهد شد. سیالات با پایه آب، روغن و فلز سیال )جیوه و آلیاژهای گالیم) با استفاده از رو کنشگر مناسب تا به حالی قابلیت ساخت پیدا نموده اند.

خاصیت مغناطیسی که این ذرات را عنصری مطلوب می سازد از ساختار کریستالی آن نشات می گیرد. ذرات FeO به صورت ساختار معکوس Spinel در K ۱۹۰ به کریستال تبدیل می شوند .ساختار معکوس Spinel شامل آرایش بسته اکسیدهای یونی می باشد. یون های آهن II، ۱/۴ شبکه های هشت وجهی را اشغال می نماید، و یون آهن III نیز به صورت مساوی ۱۱۸ شبکه چهار وجهی و ۱/۴ شبکه هشت وجهی را اشغال می سازد. اسپین های الکترونی آهن III در شبکه هشت وجهی نسبت به یونهای شبکه چهاروجهی به صورت غیر موازی قرار می گیرند. از این رو، خواص مغناطیسی کلی در این یون ها مشاهده نمی شود. با این وجود، یون های آهن II تمایل دارند تا به صورت موازی با یون های آهن III در همسایگی شبکه هشت وجهی قرار گیرند که باعث خواص مغناطیسی کلی خواهد شد. در حقیقت سیالات فرو دارای خواص فوق مغناطیسی می باشند که بدین معناست که عکس العمل آنها در برابر میدان های مغناطیسی مشابه جامدات مغناطیسی می باشد، ولی به خاطر هم اندازه بودن اندازه دامنه مغناطیسی و ذرات، خواص مغناطیسی خود را همانطور که به سرعت بدست می آورند به سرعت نیز از دست می دهند. شایان ذکر است که فریت های منگنز و کبالت (Mn FeO۴ و در شکلی ۶-۲ ساختار لایه ای واحدهای چهاروجهی و هشت وجهی ذرات ۴:FeO قابل ملاحظه است. واحدهای چهاروجهی Fer Ory نیز هشت وحجتهي ,Fe, O هر دو دارای فرمول تجربی ,FeO یکسانی نشستند ۔مدل سه بعدی این ساختار نیز در شکل ۶-۳ مشاهده می شود.

قرارگیری ذرات مغناطیسی درسیال حامل

قرارگیری ذرات مغناطیسی درسیال حامل

فصل هفتم: محاسبات و تحلیل داده های آزمایش

۴-۷ اعتبار سنجی نتایج آزمایش

همانطور که در تئوری مسئله توضیح داده شد معادلات شاه به پیش بینی رقتار ضریب انتقال حرارت جابجایی جریان سیال داخلی در ناحیه ورودی می پردازند و تاکنون مبنای اعتبارسنجی بسیار از مطالعات تجربی صورت گرفته تا کنون می باشند. قبل از شروع انجام آزمایش اصلی و بررسی تاثیر میدان مغناطیسی متغیر بر سیال فرو، دقت و اعتبار دستگاه آزمایشی با پیش بینی معادلات شاه در مورد ناحیه ورودی جریان آب مقطر در اعداد رینولدز مختلف مطابقت داده شد که حاکی از دقت خوب داده های آزمایشی بدست آمده از دستگاه می باشد. شکلی ۷-۳ مقایسه نتایج تجربی آب مقطر و معادلات شاه در دو عدد رینولدز ۱۳۲۰ و ۹۳۰ در طول لوله میباشد.

7-2-اندازه گیری ویسکوزیته سیال فرو و مقایسه با معادله انیشتین  90

7-3-معادلات انتقال حرارت  92

7-4-اعتبار سنجی نتایج آزمایش  93

7-5-محاسبه خطای محاسبات  94

فصل هشتم: نتایج 

در این بخش نتایج تجربی بدست آمده در طول آزمایش ارائه می گردد و در ادامه مورد تحلیل قرار خواهد گرفت. در این مطالعه تجربی، بررسی به صورت اولیه به وسیله آب مقطر صورت پذیرفت و در ادامه در شرایط مشابه آزمایشی ها در اعداد رینولدز و شارهای گرمایی برابر برای سیالی فرو با سه درصد حجمی مختلف ۰.۶٪، ۱٪ و ۲٪ صورت پذیرفت. پس از انجام آزمایش به وسیله داده های بدست آمده میزان ضریب انتقال حرارت جا جایی به صورت جداگانه توسط معادلات ارائه شده در بخش های پیشین محاسبه گشت.اولین سری آزمایش بر روی سیال فرو با درصد حجمی ۰٫۶٪ صورت پذیرفت که نتایج آن در نمودارهایی بر اساس ضریب انتقال حرارت جابجایی و طول بی بعد لوله، عدد ناسلت و طول بی بعد لوله و همچنین تغییرات دما در طول بی بعد لوله در ادامه ملاحظه می شود. این آزمایشی برای سیال فرو با درصد حجمی ٪۰.۶ در اعداد رینولدز ۲۱۶، ۵۹۴، ۹۲۳ و ۱۴۷۷ انجام پذیرفته است و نتایج آن با تست آب مقطر مقایسه شده است. در مورد تست آب مقطر سعی شد تا حد ممکن عدد رینولدز در بازه دمایی یکسان با سیال فرو صورت گیرد تا مقایسه دقیقتری صورت پذیرد. در تست های صورت گرفته میدان مغتاطیسی gauSS ۳۷۰ به سیستم اعمال شد که مطابق اندازه گیری های صورت گرفته در داخلی لوله مسی این مقدار به حدود GauSS ۲۰۰ میرسد. همچنین بررسی تاثیر فرکانس میدان مغناطیسی نشان داد که تغییرات در حدود ۱۰HZ تاثیر محسوسی بر میزان انتقال حرارت ندارد و بنابراین برای بررسی تاثیر فرکانس، به دو فرکانس Hz ۵۰ و HZ ۵ بسنده شد. همچنین فرکانس های بیشتر از Hz ۵۰ به دلیل زمان صعود مورد نیاز ۱۰mS میدان مغناطیسی برای رسیدن به ماکزیمم میزان میدان مغتاطیسی امکان پذیر نبود. ماکزیمم میزان متوسط بهبود انتقال حرارت در عدد رینولدز ۱۴۷۷ و فرکانس HZ ۵۰ و به میزان ۷.۳٪ صورت پذیرفت. قابل ذکر است در طی اعمال میدان مغناطیسی متغیر، اعداد خوانده شده توسط ترموکوپل ها ثابت نبوده اند و ضرایب انتقال حرارت جابجایی محلی ذکر شده، مقدار متوسط در بازه زمانی انجام آزمایش می باشد.

قابل ذکر است در تمامی تست ها توان گرمایی اولیه W ۱۵۰ به سیستم داده شد ولی از آنجا که میزان دقیق این توان در محاسبات اهمیت فراوانی داشت برای هر بخش میزان تلفات در اعداد رینولدز مختلف بدست آمد (در حدود ۸ تا ۱۷٪) و توان واقعی در محاسبات اعمال گشت. در هر بخش میزان توان واقعی، دبی جرمی، دمای بالک میانگین سیال و حداکثر بهبود انتقال حرارت ذکر شده است.

8-2-تحلیل نتایج و جمع بندی  125

مراجع 127

فهرست شکل ها

شکل 1-1: ذرات فرو تحت تاثیر میدان خارجی  5

شکل 1-2: قرارگیری ذرات مغناطیسی در سیال حامل  6

شکل 1-3: استفاده از سیال فرو به منظور درزگیری  11

شکل 1-4: شماتیک پمپ ساخته شده در دانشگاه جورجیا که در آن سیال فرو بدون هیچ گونه موتور در سیکل می چرخد  12

شکل 1-5: از بین بردن تومور به وسیله هدایت سیال فرو به نقطه مورد نظر  12

شکل 1-6: استفاده از میدان مغناطیسی و سیال فرو در MRI  13

شکل 1-7: تصویر میکروسکپی ذرات نانو اکسید مس  16

شکل 1-8: تصویر میکروسکپی ذرات نانو کربن تیوب 16

شکل 1-9: تاثیر درصد حجمی ذرات اکسید مس بر میزان ضریب انتقال حرارت هدایتی  17

شکل 1-10: تاثیر درصد حجمی ذرات کربن نانو تیوب بر میزان ضریب انتقال حرارت هدایتی  17

شکل 2-1: تاثیر درصد حجمی ذرات در سیال بر ضریب انتقال حرارت هدایتی توسط لیو و همکاران  20

شکل 2-2: مقایسه ضریب انتقال حرارت نرمال شده سوسپانسیون های حاوی ذرات مس با سوسپانسیون های حاوی ذرات کربن نانو تیوب-مس توسط جانا و همکاران  21

شکل 2-3: تاثیر میدان مغناطیسی عمودی بر لزجت سیال فرو  22

شکل 2-4: تاثیر درصد حجمی بر ضریب انتقال حرارت هدایتی سیال فرو  23

شکل 2-5: تاثیر میدان مغناطیسی عمود بر گرادیان دما بر ضریب انتقال حرارت هدایتی سیال فرو  23

شکل 2-6: ناثیر میدان مغناطیسی موازی بر گرادیان دما بر ضریب انتقال حرارت هدایتی سیال فرو  24

شکل 2-7: حداکثر میزان ضریب انتقال حرارت هدایتی در میدان های مغناطیسی مختلف  24

شکل 2-8: تغییرات ضریب انتقال حرارت جابجایی در سرعت ها و درصد های حجمی مختلف  25

شکل 2-9: شماتیک دستگاه آزمایش مورد استفاده توسط لی برای بررسی انتقال حرارت جابجایی 26

شکل 2-10: شماتیک دستگاه آزمایش ون و دینگ  26

شکل 2-11: پروفیل ضریب انتقال حرارت جابجایی محلی در عدد رینولدز 1050 برای درصدهای حجمی مختلف در طول لوله  27

شکل 2-12: تغییرات عدد ناسلت و رینولدز در درصدهای حجمی مختل سیال حاوی ذرات مغناطیسی نانو  27

شکل 2-13: مسئله انتقال حرارت طبیعی سیال فرو در یک محفظه  28

شکل 2-14: ضریب انتقال حرارت جابجایی سیال فرو در راستای محوری در میدان های مغناطیسی مختلف  29

شکل 2-15: تاثیر میدان مغناطیسی بر پروفیل دمای سیال فرو در طول لوله  29

شکل 2-16: تاثیر موقعیت میدان مغناطیسی بر پروفیل دمای سیال فرو  30

شکل 3-1: لایه مرزی سرعت در جریان بر رو یک صفحه  32

شکل 3-2: لایه مرزی حرارت در جریان بر رو یک صفحه  34

شکل 3-3: تغییرات لایه مرزی سرعت در جریان داخلی  35

شکل 3-4: تغییرات لایه مرزی حرارتی در جریان داخلی  36

شکل 3-5: شرایط مرزی برای حل معادله انرژی در جریان داخلی لوله  37

شکل 3-6: تغییرات دما در طول لوله تحت شار حرارتی ثابت  38

شکل 3-7: تغییرات عدد ناسلت محلی تحت شار و دمای ثابت در ناحیه ورودی  39

شکل 3-8: جابجایی ذرات در جریان به سمت نواحی مرکزی کانال 43

شکل 4-1: شکستن آهنربا به تکه های کوچک تر و ساخته شدن دو دوقطبی جدید  48

شکل 4-2: میدان دوقطبی ناشی از یک حلقه جریان  49

شکل 5-1: شماتیک دستگاه آزمایش بررسی انتقال حرارت جابجایی  61

شکل 5-2: نگاهی کلی بر دستگاه آزمایش  62

شکل 5-3: شلنگ های پنوماتیکی مورد استفاده در سیکل  63

شکل 5-4: بست های پنوماتیکی  63

شکل 5-5: قرارگیری پمپ و مخزن سیال در ابتدای سیکل  64

شکل 5-6: تغییرات دبی جرمی بر حسب ولتاژ ورودی پمپ  65

شکل 5-7: رابط پلی اورتان بین لوله مسی و شلنگ و شکل شماتیک آن  66

شکل 5-8: المنت نگیر تخت نیکل کرم  67

شکل 5-9: قرارگیری المنت تخت بر روی لوله مسی  67

شکل 5-10: لایه های عایق حرارت بر سطح لوله مسی  68

شکل 5-11: ترموکوپل فلکسیبل مورد استفاده در آزمایش  69

شکل 5-12: پایه های مسی برای قرارگیری ترموکوپل بر سطح لوله  71

شکل 5-13: پایه های پلی ارتان برای قرارگیری ترموکوپل ها بر سطح لوله  72

شکل 5-14: هسته های آهنی به منظور ساخت آهنربای غیر دائم  73

شکل 5-15: آهنربای غیر دائم ساخته شده به وسیله سیم پیچ و هسته آهنی  74

شکل 5-16: مدار شیفت رجیستری طراحی شده برای کنترل فرکانس میدان مغناطیسی متغیر 75

شکل 5-17: مدار میکرو کنترلی طراحی شده برای کنترل فرکانس میدان مغناطیسی متغییر  76

شکل 5-18: شکل موج میدان مغناطیسی متغییر در دستگاه اسیلوسکوپ  77

شکل 5-19: قرارگیری آهنرباهای غیر دائم در مسیر سیال  77

شکل 5-20:منبع های تغذیه، مدار کنترل میدان مغناطیسی و دیتالاگر  78

شکل 5-21: حمام آب سرد و مبدل حرارتی  78

شکل 5-22: نمایی دیگر از دستگاه آزمایش  79

شکل 5-23: نمایی کلی از دستگاه آزمایش  79

شکل 5-24: شکل موج میدان مغناطیسی متغیر در دستگاه اوسیلوسکوپ 80

شکل 5-25: دستگاه ثبت دما یا دیتالاگر  80

شکل 6-1: قرارگیری روکنشگر بر سطح ذرات مغناطیسی  82

شکل 6-2: ساختار لایه ای واحد های چهار وجهی و هشت وجهی ذرات Fe3O4  83

شکل 6-3: مدل سه بعدی شبکه ذرات Fe3O4  84

شکل 6-4: اضافه کردن آمونیاک به محلول و هوازدایی همزمان محلول به وسیله گاز نیتروژن  86

شکل 6-5: رسوب تشکیل شده ذرات Fe3O4  86

شکل 6-6: عکس Scannong Electron Microscop (SEM) ذرات Fe3O4 87

شکل 7-1: ویسکومتر استوالد  90

شکل 7-2: مقایسه ویسکوزیته سیال فرو در درصد حجمی مختلف با معدله انیشتین در دمای 26 درجه  91

شکل 7-3: مقایسه مقادیر ضریب انتقال حرارت جابجایی آب مقطر با معادلات شاه  94


Abstract

This research study presents an experimental investigation on forced convection heat transfer of an aqueous ferrofluid flow passing through a circular copper tube in the presence of an alternating magnetic field. The flow passes through the tube under a uniform heat Flux and laminar flow conditions. The primary objective was to intensify the particle migration and disturbance of the boundary layer by utilizing the magnetic field effect on the nanoparticles for more heat transfer enhancement. complicated convection regimes caused by interactions between magnetic nanoparticles under various conditions were studied. The process of heat transfer was examined with different volume concentrations and under different frequencies of the applied magnetic field in detail. The convective heat transfer coefficient for distilled water and ferrofluid was measured and compared under various conditions. The results showed that applying an alternating magnetic field can enhance the convective heat transfer rate. The effects of magnetic field, volume concentration and Reynolds Number on the convective heat transfer coefficient were widely investigated, and the Optimum conditions were obtained. Increasing the alternating magnetic field frequency and the volume fraction led to better heat transfer enhancement. The effect of the magnetic field in low Reynolds numbers was higher, and a maximum of 27.6% enhancement in the convection heat transfer was observed.

Keywords; convective heat transfer; enhancement; ferrofluid, alternating magnetic field


تعداد صفحات فایل : 153

مقطع : کارشناسی ارشد

بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

خرید فایل pdf و سفارش فایل word

قبل از خرید فایل می توانید با پشتبانی سایت مشورت کنید