مقدمه و کلیات تحقیق
در چند دهه اخیر بهمنظور صرفهجویی در مصرف انرژی و مواد اولیه و با در نظر گرفتن مسائل اقتصادی و زیستمحیطی تلاش های زیادی برای ساخت دستگاههای تبادل حرارت پربازده صورت پذیرفته است. هدف اصلی کاهش اندازه مبدل حرارتی موردنیاز برای یک بار حرارتی معین و افزایش ظرفیت مبدلهای حرارتی موجود میباشد. تقاضای جهانی برای دستگاههای تبادل حرارتی کارآمد، قابلاطمینان و اقتصادی مخصوصا در صنایع فرآیندی، تولید الکتریسیته، سیستمهای سرمایش و تهویه مطبوع، مبدلهای حرارتی، وسایل نقلیه و… به سرعت رو به افزایش است. اگر اصول مربوط به روشهای افزایش انتقال حرارت و طراحی دستگاههای انتقال حرارت با سطح زیاد بهخوبی شناخته شوند، امکان صرفهجویی در مصرف انرژی و کاهش آلودگی محیطزیست میسر خواهد بود. روشهای متعددی برای افزایش انتقال حرارت وجود دارند که به دو دسته کلی تقسیم میشوند.
-
- روشهای غیرفعال[۱] که نیازی به اعمال نیروی خارجی ندارند.
-
- روشهای فعال[۲] که نیازمند نیرو با توان خارجی میباشند.
روشهای غیرفعال شامل استفاده از سطوح گسترده، مبدلهای حرارتی فشرده، مجاری با مقطع غیر مدور، افزایش انتقال حرارت گردابهای[۳]، تغییر خاصیت رئولوژیکی سیال، میکروکانالها، پوشش دهی و پرداخت سطح، استفاده از وسایل جابهجاشونده داخل مجرای سیال، استفاده از وسایل چرخاننده جریان، ایجاد انقطاع و شکستگی در جریان، لولههای مارپیچی، مواد افزودنی به مایعات و گازها هستند. روشهای فعال شامل هم زدن مکانیکی، تراشیدن سطح، سطوح چرخنده، نوسان سطح، نوسان سیال، استفاده از میدان الکتریکی، تزریق و مکش میباشند. در این مطالعه از روشهای غیرفعال شامل میکروکانالها، تغییر خاصیت رئولوژیکی سیال و مواد افزودنی به مایعات برای افزایش انتقال حرارت استفاده خواهد شد.
۱-۱ میکروکانالها[۴]
میکروکانالها در صنایع و دستگاههای متفاوتی نظیر سرمایش قطعات الکترونی، مبدلهای حرارتی میکروکانال، سرمایش و روانکاری سیستمهای روباتیک، سیستمهای میکروالکترومکانیکی و میکروراکتورها کاربرد دارند. با کوچک شدن اندازه مجرا، فرض پیوستگی جریان دقت خود را از دست میدهد ولی برای مقدار معینی از اندازه مجرا این امکان وجود دارد که با اصلاح شرایط مرزی، معادلات ناویر استوکس را به کاربرد. [۱].
۱-۲ تغییر خاصیت رئولوژیکی سیال
یکی از روشهای بسیار مؤثر در افزایش انتقال حرارت تغییر دادن خاصیت رئولوژیکی سیال است. با افزودن موادی خاص به سیالات مختلف میتوان خاصیت رئولوژیکی آنها را از حالت نیوتنی به حالت شبه الاستیک یا ویسکوالاستیک تغییر داد. تغییر خاصیت رئولوژیکی سیال یکی از مهمترین روشهای افزایش انتقال حرارت میباشد چراکه همزمان با افزایش انتقال حرارت ضریب اصطکاک و درنتیجه افت فشار کاهش مییابد.
۱-۳ مواد افزودنی به مایعات
افزودن ذرات جامد بهصورت معلق در سیال پایه یکی از روشهای انتقال حرارت میباشد. افزایش ضریب هدایت حرارت ایده اصلی در بهبود مشخصههای انتقال حرارت سیالات است. ازآنجاکه ضریب هدایت حرارتی ذرات جامد معمولا خیلی بالاتر از سیالات میباشد، انتظار میرود افزودن این ذرات جامد موجب افزایش ضریب هدایت حرارت سیال پایه شود.
افزایش ضریب هدایتی حرارتی مایعات درنتیجه افزودن ذرات با اندازه میلیمتر و میکرومتر بیش از ۱۰۰ سال است که شناختهشده میباشد. [۲]. اما استفاده از این ذرات به دلیل مشکلات عملی نظیر تهنشین شدن سریع ذرات، ایجاد سایش شدید، افزایش افت فشار و عدم امکان استفاده از آنها در مجاری بسیار ریز، میسر نیست. پیشرفتهای اخیر در فناوری مواد تولید ذرات با اندازه نانومتر (نانومواد) را که توان فائق آمدن بر این مشکلات را دارند فراهم آورده است. با پخش کردن این نانومواد در سیال نوع جدیدی از سیال به وجود می آید که نانوسیال[۵] نامیده میشوند.
۱-۴ میکروکانالها
۱-۴-۱ چکیده
تقاضای رو به رشد برای کوچکسازی محصولات در تمام بخشهای صنعتی، با رقابت جهانی برای اطمینان بیشتر، سرعت بیشتر و محصولات مقرونبهصرفه همراه شده است و منجر به چالشهای جدیدی برای طراحی و بهره برداری سیستمهای مدیریت حرارتی شده است. افزایش سریع در تعداد ترانزیستورها بر روی تراشه، با افزایش قابلیت یا قدرت و درنتیجه شار حرارتی بالاتر، یکی از این چالش بزرگ در صنعت الکترونیک است. تکنولوژیهای مبدل حرارت و مبدل جرم میکروکانال در حال پیدا کردن کاربردهای جدید در صنایع گوناگون بهعنوان یک راهحل امیدوارکننده برای تغییر تکنولوژیها است. در این راه ما نسل بعدی سیستمهای مدیریت حرارتی با کارایی بالا را طراحی و راهاندازی میکنیم. در این فصل با اصول میکروکانالها برخورد خواهیم کرد. با معرفی تاریخچه، زمینههای فنی، طبقهبندی، مزایا و معایب میکروکانالها شروع میکنیم. روش ساخت (تکنولوژی متداول و تکنولوژی مدرن) برای میکروکانالها در کنار هم در نظر گرفته می شود. در نهایت، ارتباط افت فشار و ضریب انتقال حرارت برای جریان تک فاز برای انواع شرایط جریان داخلی ارائه خواهد شد.
۱-۴-۲ تاریخچه میکروکانالها
کارهای زیادی برای انتقال حرارت تک فاز در میکروکانالها توسط تاکرمن[۶] و پیز[۷] [۳] برای خنکسازی مدارات یکپارچه در مقیاس بسیار بزرگ (VLSI)[8] انجام شد. در سالهای اول تاکرمن و پیز [۳] اولین توضیح را برای بیان مفهوم چاه حرارتی میکروکانال دادند و پیشبینی کردند که خنککاری جابهجایی اجباری تک فاز در میکروکانالها میتواند ۱۰۰۰ وات بر مترمربع حرارت را حذف کند. جابهجایی اجباری در کانال و تزریق مایع برای خنک کاری سریعتر و در مقیاس بزرگتر در صنعت برای چند دهه استفاده شد. انتقال حرارت میکروکانال، در مقایسه با هوای معمولی و مایع سیستمهای سرد دارای ضریب انتقال حرارت بالا، همراه با پتانسیل بالا برای ضریب انتقال حرارت و افت فشار متوسط میباشد. انتقال حرارت میکروکانال، به پدیدهای محبوب و جالب برای پژوهشگران تبدیل شده است. بهعنوان مثال، برای خنک کاری چاه حرارتی میکروکانال باقدرت بالا با آرایش دیود لیزری حذف شار حرارت ۵۰۰ وات بر مترمربع اثبات شده است. در چند دهه گذشته، مطالعات انجامشده روی جریان دو فازی و ویژگیهای انتقال حرارت در جریان میکروکانال، به توسعه سریع میکرودستگاههای مورد استفاده برای کاربردهای مهندسی مختلف مانند دستگاههای پزشکی، مبدلهای حرارتی فشرده با شار حرارت بالا، خنک کاری میکروالکترونیک با چگالی قدرت، ابررایانهها، پلاسما و لیزرهای قوی و … منجر شده است.
۱-۴-۳ معرفی میکروکانالها
در اغلب موارد خنککاری موردنیاز بیش از ۱۰۰ وات بر مترمربع است که بهراحتی نمیتوان با سیستمهای ساده خنککاری هوا و یا خنککاری آب، خنک کاری را انجام داد. در بسیاری از کاربردها، به دلیل دفع شار حرارت بالا از اجزا، چاه حرارتی موردنیاز باید بزرگتر از اجزای خود باشد. بااینوجود، نقاط داغ معمولا ظاهر میشود و سطوح غیریکنواخت شار حرارت در سطح چاه حرارتی مشاهده می شود. محققان چاه حرارتی جدیدی را توسعه دادند که میتواند بهطور مستقیم در پشت منبع حرارت برای حذف شار گرمایی یکنواخت جاسازی شود. از قانون سرمایش نیوتن میدانیم که برای یک اختلاف دما ثابت، شار گرما به حاصل hA بستگی دارد که در آن h ضریب انتقال حرارت است و A مساحت سطح انتقال حرارت است. بنابراین، در راستای تحقق نیاز به دفع شار حرارت بالا، حاصل hA افزایش مییابد و ازآنجاکه ضریب انتقال حرارت h به قطر هیدرولیک مرتبط است، افزایش سطح نیز یک گزینه است. سطح انتقال حرارت را میتوان با بهره گرفتن از میکروکانالها در بدنه (سطح تراشه)، محصول افزایش داد. رفتار جریان آب در داخل کانال توسط قطر هیدرولیکی کانال و سطح مقطع کانال تعیین میشود. برای دستیابی به انتقال حرارت بالا، قطر هیدرولیکی کوچکتر و سطح انتقال حرارت بزرگتر کانال ترجیح داده میشود، بنابراین کانالهای متعدد تنگ با عمق بالا مناسب میباشد. قطر هیدرولیکی کوچک و سطح مقطع گستردهتر باعث افزایش افت فشار و درنتیجه نیاز قدرت پمپاژ بیشتر است. از سوی دیگر، افزایش سطح مقطع سطح گرم، نرخ انتقال حرارت را افزایش میدهد. این شرایط را میتوان با نسل آینده میکروکانالها که دارای قطر هیدرولیکی بزرگتر، سطح مقطع بزرگتر و همچنین ضریب انتقال حرارت بالاتر است، تنظیم کرد.
۱-۴-۴ طبقهبندی میکروکانالها و مینیکانالها
میکروکانالها را به روشهای مختلف میتوان طبقهبندی کرد. برخی از محققین معیارهای مختلف برای مینیکانالها در مقابل میکروکانالها پیشنهاد کردهاند. ساو[۹] و گریف[۱۰] [۴] یک معیار برای طبقهبندی میکروکانالها پیشنهاد کردند به شرح زیر است:
≥dh باشد که ثابت لاپلاس و dh قطر کانال است.
مهندل[۱۱] و همکاران [۵] از قطر هیدرولیکی برای طبقهبندی میکرو مبدل حرارتی استفاده کردند که به شرح زیر است،
مبدل حرارتی مقیاس میکرو: | ۱m ≤ dh ≤ ۱۰۰ m |
مبدل حرارتی مقیاس مزو: | ۱۰۰m ≤ dh ≤ ۱ mm |
مبدل حرارتی فشرده: | ۱ mm ≤ dh ≤ ۶ mm |
مبدل حرارتی متداول: | dh > 6 mm |
کاندلیکار[۱۲] [۶] یک طبقهبندی میکروکانال برای تک فاز همانند دو فاز پیشنهاد داد که به صورت زیر است،
[جمعه 1400-07-30] [ 08:20:00 ب.ظ ]
|