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.
دانلود پایان نامه - مقاله - پروژه

 

    • 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: ۱m ≤ dh ≤ ۱۰۰ m
مبدل حرارتی مقیاس مزو: ۱۰۰m ≤ 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،

موضوعات: بدون موضوع  لینک ثابت


فرم در حال بارگذاری ...