تحقیقات مختلف نشان داده اند که ضریب انتقال جرم و حرارت نانوسیالات در مقایسه با سیالات پایه بیشتر هستند و این سبب کاربرد این نوع سیالات در زمینه های گوناگون از جمله صنعتی و پزشکی می شود. اگرچه به صورت دقیق تر مشخص نشده است که مکانیسم افزایش انتقال جرم و انتقال حرارت بوسیله نانوسیالات چگونه است اما با بررسی خواص نانوسیالات از جمله ضریب هدایت حرارتی، چگالی، ویسکوزیته و ضریب نفوذ نظریه هایی بیان شده اند. در این مقاله خواص نانوسیالات و کاربرد های عمده آنها بحث می شود.

انتقال گرما در سیالات ساکن

خواص استثنایی نانو سیالات شامل هدایت گرمای بیشتر نسبت به سوسپانسیون های معمولی،رابطه غیر خطی بین هدایت به دما و افزایش شدید فلاکس گرمای در منطقه جوشش است.این خواص استثنایی، به همراه پایداری،روش تهیه نسبتا آسان و ویسکوزیته قابل قبول باعث شده تا این سیالات به عنوان یکی از مناسب ترین و قوی ترین انتخاب ها در زمینه سیالات خنک کننده مطرح شوند.

بیشترین تحقیقات روی هدایت گرمای نانوسیالات ، در زمینه سیالات حاوی نانوذرات اکسید فلزی انجام شده است.

ماسودا افزایش ۳۰ درصدی هدایت گرما را با اضافه کردن ۴.۳ درصد حجمی آلومینا به آب گزارش کرده است.لی افزایش ۱۵% درصدی را برای همین نوع نانوسیال با همین درصد حجمی گزارش کرده است که تفاوت این نتایج را ناشی از تفاوت در اندازه نانوذرات به کار رفته در این دو تحقیق می داند.قطر متوسط ذرات آلومینای به کار رفته در آزمایش اول ۱۳ نانومتر و در آزمایش دوم۳۳ نانو متر بوده است.زای و همکاران افزایش ۲۰ درصدی را برای ۵۰ درصد حجمی از همین نانو ذرات گزارش کرده اند.گروه مشابهی برای نانوذرات کاربید سیلیکون نیز به نتایج مشابهی رسیده اند.لی بهبود نسبتا کمتری را در هدایت گرمای نانو سیالات حاوی نانوذرات اکسید مس،نسبت به نانوذرات آلومینا مشاهده کرد;در حالیکه ونگ ۱۷ درصد افزایش هدایت گرما را برای فقط ۴% درصد حجمی از نانوذرات اکسید مس در آب گزارش کرده است.برای نانو سیال با پایه اتیلن گلیکول، افزایش بالای ۴۰ درصد برای ۳%درصدحجمی مس با متوسط قطر ده نانومتر گزارش شده است.پتل افزایش بالای ۲۱% برای سوسپانسیون ۱۱% حجمی از نانو ذرات طلا و نقره که به ترتیب در آب تولوئن پراکنده شده بودند را مشاهده کرد.در مواردی هم هیچ افزایش قابل توجهی در هدایت مشاهده نشده است.

اخیرا تحقیقات دیگری روی وابستگی هدایت به دما برای غلظتهای بالای نانوذرات اکسید فلزات و غلظتهای پایین نانوذرات فلزی در حال انجام است که در هر دو مورد در محدوده دمای ۲۰ تا ۵۰ درجه سانتیگراد افزایش ۲ تا ۴ برابری در هدایت مشاهده شده است و در صورت تایید این خواص برای دماهای بالاتر می توان نانوسیال را در سیستمهای گرمایشی نیز استفاده کرد.بیشترین افزایش هدایت در سوسپانسیون نانولوله های کربنی گزارش شده است که علاوه بر هدایت گرمای بالا ، نسبت طول به قطر بالایی دارند.از آنجا که نانو لوله های کربنی ،تشکیل یک شبکه فیبری می دهند،سوسپانسیون آنها بیشتر شبیه کامپوزیتهای پلیمری عمل میکند.بیرکاک افزایش ۱۲۵ درصدی هدایت را در اپوکسی پلیمر-نانولوله حاوی یک درصد نانو لوله حاوی یک درصد نانولوله تک دیواره گزارش کرد،همچنین مشاهده کرد که با افزایش دما ،هدایت گرما افزایش می یابد.

چون برای سوسپانسیون یک درصد نانولوله های چند دیواره در روغن ۱۶ درصد افزایش هدایت گرما گزارش کرده است.گزارشها و تحقیقات مختلفی در زمینه افزایش هدایت گرمای سوسپانسیون نانو لوله کربنی ارائه شده است;زای افزایش ۱۰ تا ۲۰ درصدی هدایت گرما را در سوسپانسیون یک درصد حجمی با سیال آب گزارش کرده است.ون و دینگ نیز ۲۵ درصد افزایش هدایت را در سوسپانسیون ۸ درصد حجمی در آب گزارش کرده است.اسیل بیشترین افزایش را ۳۸ درصد برای سوسپانسیون ۶ درصد حجمی در آب گزارش کرده است.

ون و دینگ افزایش سریع هدایت در غلظتهای حدود ۲ درصد حجمی را گزارش کرده و نشان داده است که این افزایش از آن به بعد تقریبا ثابت می ماند. در تمامی گزارشها افزایش هدایت با دما مشاهده شده ;هر چند برای دماهای بالاتر از ۳۰ درجه سانتیگراد این افزایش تقریبا متوقف می شود.

جریان، جابجایی و جوشش

اخیرا ضریب انتقال گرما نانو سیال در جابجایی آزاد و اجباری اندازه گیری شده است.داس آزمایشهای تعیین خواص گرمای جوشش را برای نانوسیال شروع کرد.یو فلاکس گرمای بحرانی نانو سیال آلومینا_آب در حال جوشش را اندازه گیری کرد و افزایش سه برابری در فلاکس گرمای بحرانی (CHF) را نسبت به آب خالص گزارش کرد. در همین زمینه واسالو نانو سیال سیلیکا-آب را تهیه کرد و همان افزایش سه برابری در CHF را گزارش کرد.

ضریب انتقال گرما جابجایی آزاد علاوه بر اینکه به هدایت گرما بستگی دارد، به خواص دیگری مانند گرمای ویژه،دانسیته و ویسکوزیته دینامیک نیز وابسته است که البته در این درصدهای حجمی پایین همان طور که انتظار می رفت و مشاهده شد،گرمای ویژه و دانسیته بسیار به سیال پایه نزدیک است.ونگ ویسکوزیته آلومینا-آب را اندازه گرفت و نشان داد که هر چه ذرات بهتر و بیشتر پراکنده شوند ویسکوزیته پایین تری را مشاهده می کنیم.وی افزایش ۳۰ درصدی در ویسکوزیته را برای سوسپانسیون ۳ درصد حجمی گزارش کرد که در مقایسه با نتیجه پک رچو ۳ برابر بیشتر به نظر میرسد که نشان دهنده وابستگی ویسکوزیته به روش تهیه نانو سیال است.ژوان ولی ضریب اصطکاک را برای نانو سیال حاوی یک تا دو درصد ذرات مس به دست آورد و نشان داد که این ضریب تقریبا مشابه سیال پایه آب است.ایستمن نشان داد که ضریب انتقال گرما جابجایی اجباری سوسپانسیون ۹ درصد حجمی از نانو ذرات اکسید مس ،۱۵ درصد بیشتر از سیال پایه است.

ژوان ولی ضریب انتقال گرما جابجایی اجباری در جریان آشفته را نیز اندازه گرفتند و نشان دادند که مقدار کمی از نانو ذرات مس در آب دیونیزه شده ، ضریب انتقال گرما را به صورت قابل توجهی افزایش می دهد ، به طور مثال افزودن ۲ درصد حجمی از نانو ذرات مس در آب ،حدود ۳۹ درصد انتقال گرما آن را افزایش می دهد. در حالی که در تناقض با نتایج بالا ، پک وچو کاهش ۱۲ درصدی ضریب انتقال گرما را در سوسپانسیون حاوی ۳ درصد حجمی از آلومینا و تیتانا در همان شرایط مشاهده کردند.پوترا با کار روی جابجایی آزاد،بر خلاف هدایت و جابجایی اجباری ،کاهش انتقال گرما را مشاهده کرد.داس با انجام آزمایشهای جوشش روی آلومینا- آب نشان داد که با افزایش درصد حجمی نانوذرات،بازدهی جوشش نسبت به سیال پایه کم می شود.وی این کاهش را به تغییر خواص سطحی بویلر به علت ته نشینی نانوذرات روی سطح ناهموار آن نسبت داد نه به تغغیر خواص سیال.یو با اندازه گیری فلاکس گرمای بحرانی برای جوشش روی سطوح تخت و مربعی مس که در نانو سیال آب – آلومینا غوطه ور بودند،نشان داد که فلاکس گرمایی این سیالات سه برابر آب است واندازه متوسط حباب،افزایش و فرکانس تولید آنها کاهش می یابد.

این نتایج را واسالو نیز تایید کرد.وی روی نانو سیال آب -سیلیکا کار می کرد و افزایش فلاکس گرمای بحرانی را برای غلظتهای کمتر از یک هزارم درصد حجمی گزارش کرد.هنوز مدلی برای پیش بینی این افزایشها و فاکتورهای موثر بر آن وجود ندارد.

هدایت گرمای نانوسیال

هدایت گرمای نانو سیال بیشترین مطالعات را به خود اختصاص داده است.این مقاله نیز به هدایت گرمایی در سیال ساکن پرداخته است.از آنجا که نانوسیال جز مواد مرکب و کامپوزیتی محسوب می شود ، هدایت گرمایی آن به وسیله تئوری متوسط موثر به دست می آید که به وسیله موسوتی،کلازیوس،ماکسول و لورانزا در قرن ۱۹ به دست آمد.

اگر از تاثیرات سطح مشترک نانو ذرات کروی صرف نظر شود،در مقادیر بسیار اندک نانو ذرات f=جز حجمی نانو ذرات همه مدلهای منتج از تئوری متوسط موثر ، حل یکسانی دارند.در مواردی که نانوذرات دارای هدایت گرمایی بالایی باشند پیش بینی می شود که افزایش هدایت گرمای نانو سیال f*3 خواهد شد که این پیش بینی ، تخمین خوبی برای مواردی است که هدایت ذرات ، بیشتر از ۲۰ برابر هدایت گرمای سیال باشد.