ایده استفاده از مبدل های حرارتی بسیار کوچک، به دلیل افزایش شار حرارتی، وزن سبک و انتقال حرارت بیشتر و بهتر در مقایسه با مبدل های حرارتی متداول، در حال کسب محبوبیت در بسیاری از صنایع است. در این بررسی، شبیه سازی عددی سه بعدی، انتقال حرارت و ویژگی های جریان در مخلوط اتیلن گلیکول و آب با ترکیب وزنی (60:40) درصد، به عنوان سیال پایه و نانو ذرات اکسید مس که بخوبی در آن پراکنده شده است، بر اساس معادلات ناویر استوکس و معادله انرژی، برای جابجایی اجباری مخلوط از طریق یک مبدل حرارتی مینی کانال مارپیچ، همراه با گذر هوای سرد که در طول محفظه آزمایش از روی مبدل عبور می کند، انجام شده است. نتایج عددی نشان می دهند، وجود خم مارپیچ در اسلب مبدل حرارتی، باعث افزایش نرخ انتقال حرارت ناشی از افزایش مقدار ضریب انتقال حرارت می شود. بررسی نتایج بیانگر آن است که حضور نانو ذرات باعث افزایش افُت فشار در سیال شده و همچنین به وضوح باعث افزایش انتقال حرارت در مقایسه با سیال پایه می شود و از طرفی افزایش کسر حجمی نانو ذرات باعث کاهش دمای سیال در خروجی مبدل حرارتی می شود.

مقدمه

   امروزه پژوهشگران همواره درباره دو موضوع بسیار مهم، یعنی انرژی و محیط زیست، با چالش های اساسی روبرو هستند، بنابراین تولید و استفاده مناسب از انرژی، رمز توسعه ای پایدار و همواره مقرون به صرفه است. منابع انرژی، مانند باد، برق آبی، خورشیدی، بایومس، زمین گرمایی، اورانیوم (انرژی هسته ای)، زغال سنگ و انرژی اقیانوس ها، به وفور در دسترس هستند، اما ذخایر این منابع انرژی، با توجه به کاربردهای مستمر و اجتناب ناپذیری که همیشه ازآن ها در بخش های مختلف زندگی روزمره صورت می گیرد، روز به روز دچار کاهش می شوند.
   در سالیان اخیر محققان همواره به دلیل کمبود انرژی، هزینه های بالا و استانداردهای سختگیرانه زیست محیطی مجبور به بررسی و شناسایی راه حل های کارآمدتری در زمینه انتقال حرارت هستند.
   امروزه افزایش سطح انتقال حرارت در واحد حجم، افزایش ضریب انتقال حرارت و همچنین رویکرد کاهش دما و تغییر شکل لوله ها و همچنین جهت گیری آن ها، سهم بسزایی در تحقیقات دانشمندان در زمینه های مختلف انتقال حرارت به خود اختصاص داده است.
   در حال حاضر در مکانیک سیالات، این پژوهش ها، پیشرفت های بسیاری داشته اند، تا آنجا که ساخت دستگاه های جمع و جور حرارتی، به عنوان یک هدف عمده و همیشه به عنوان یک چالش اساسی، برای بدست آوردن سطح بهره وری بالاتر و بیشتر و همچنین قابلیت اطمینان در صنایع گوناگون مطرح بوده است.
   نانوسیالات، نسل جدیدی از سیالات با پتانسیل بسیار زیاد در کاربردهای صنعتی محسوب می شوند. با توسعه سریع تکنولوژی های مدرن در صنایع مختلف، افزایش انتقال حرارت، کاهش مصرف انرژی، کاهش ابعاد مبدل های حرارتی و نهایتاً افزایش بازده سیستم های انتقال حرارت یک نیاز جدی است.
   تحقیقات اخیر روی نانو سیالات، افزایش قابل توجهی در هدایت گرمایی آن ها نسبت به سیالات بدون نانو ذرات و یا همراه با ذرات بزرگتر (ماکرو ذرات) را نشان می دهد.
   طبقه بندی کانال ها بر اساس قطر هیدرولیکی آنها نیز توسط کاندیلینکار و همکاران، در جدول ( 1) ارائه شده است.

جدول (1) دسته بندی کانال ها بر مبنای طبقه بندی کاندیلینکار و همکاران

   دهقان دخت و همکاران، به مطالعه عددی جریان سیال و انتقال حرارت در یک مبدل حرارتی مزوکانال مارپیچ چند راهه پرداختند. آن ها به این نتیجه رسیدند که مارپیچ آدیاباتیک در اسلب مبدل حرارتی مزو کانال باعث افزایش انتقال حرارت به دلیل ایجاد منطقه ورودی جدید و پروفیل دمای جدید از طریق برگشت جریان و اختلاط جریان در مارپیچ می شود. همچنین نرخ انتقال حرارت برای هر کانال در داخل اسلب، توسط کانال مجاور آن تحت تأثیر قرار می گیرد و در نتیجه برای تمام کانال ها اُفت دمای آب تقریباً یکنواخت است و به طور کلی، عملکرد انتقال حرارت مزو کانال مارپیچ بهبود می یابد.
   محمد اسماعیل و همکاران، انتقال حرارت و رفتار جریان سیالات لزج در مبدل های حرارتی مینی کانال را به صورت عددی بررسی کردند. آن ها نتیجه گرفتند که شیب و طول ورودی حرارتی در جریان در حال توسعه در مایعات دارای لزجت بالا، در مقایسه با مایعات دارای لزجت پایین، بیشتراست. طول توسعه یافتگی هیدرودینامیکی در اسلب بالایی در مقایسه با اسلب پایینی،کوتاه تر و مسطح تر است.
   همچنین توزیع دما، دبی جرمی و نرخ انتقال حرارت از طریق هر کانال در سیالات دارای لزجت بالا، در مقایسه با سیالات دارای لزجت پایین، بیشتر است.

شکل (1) نمونه متداول از مبدل حرارتی مینی کانال مارپیچ

   داسگوپتا و همکاران، انتقال حرارت و خواص جریان برای خنک کننده های جریان متقاطع در مبدل حرارتی مزو کانال را به صورت تجربی بررسی کردند. نتایج آنان نشان دادند که تفاوت بین نرخ هوای منتشر شده توسط هوای گرم و نرخ حرارت حاصل از آب مقطر سرد کمتر از 4 درصد بود که نشان می دهد، تلفات حرارت با محیط اطراف ناچیز است.
   همچنین سطوح صاف اسلب ها از طریق ایجاد یک سطح تماس خوب با هوای عبوری، منجر به توزیع یکنواخت دما و افزایش انتقال حرارت شده است.
   لئونگ و همکاران ویژگی های انتقال حرارت در رادیاتور ماشین با نانوسیال مس-اتیلن گلیکول را به عنوان خنک کننده مورد مطالعه قرار دادند و نتیجه گرفتند که شدت انتقال حرارت با افزایش کسر حجمی، افزایش می یابد و همچنین افزایش 2درصدی نانو سیال مس در مقایسه با سیال پایه، باعث افزایش 12 درصدی در توان پمپاژ شده است.
   استمن و همکاران به بررسی سیال اتیلن گلیکول هنگامی که 0/3 درصد، نانو ذرات مس درون آن پراکنده می شود پرداختند. آن ها به این نتیجه رسیدند ضریب هدایت گرمایی در حدود 40 درصد افزایش می یابد.
   پورفرهنگ و همکاران به بررسی اُفت فشار و عملکرد حرارتی نانو سیال اتیلن گلیکول - اکسید مس وآب (40:60) درصد در رادیاتور ماشین پرداختند. آن ها به این نتیجه رسیدند که اُفت فشار در حضور نانو ذرات درمقایسه با سیال پایه افزایش می یابد. این روند با افزایش عدد رینولدز و افزایش کسر حجمی نانو ذرات افزایش یافته که دلیل آن افزایش لزجت است.