کنترل انتقال حرارت و رطوبت در صنعت با استفاده از فناوری نانو

کنترل انتقال حرارت و رطوبت در صنعت با استفاده از فناوری نانو

فرمت: PDF   تعداد صفحات: 24

فهرست:

• مقدمه
• گچ, تبادل حرارتی، تولید انرژی
• استفاده از مواد نانویی در سیمان در جهت کاهش تبادل حرارتی در سازه
• نانوذرات و شیشه‌های ضدگرما
• شیشه های نانویی برای یخچال مغازه ها
• بسترهای گرم آئروژل (عایق گرما)
• افزایش مقاومت مکانیکی گرماسخت ها با افزودن پرکننده نانویی به آنها
• انواع عایق های حرارتی
• عایق سازی در دماهای پایین
• ساخت یک ترمومتر نانوسکپی
• خنک ‌کردن افزاره‌هاي الکترونیکی با نانوسیال‌هاي مغناطیسی
• نانو سیالات
• انتقال حرارت در سیالات ساکن
• جریان جابجایی و جوشش
• هدایت حرارتی نانوسیال
• کاهش مصرف انرژی و حفاظت از محیط زیست با بهبود خواص بتن با استفاده از فناوری نانو
• و …

مقدمه:

حفاظت کارکنانی که حین کار در معرض حرارت زیادی قرار می گیرند و جلوگیری از اتلاف انرژی حرارتی با حفظ راندمان کار، به منظور کاهش مصرف انرژی اولیه به کار می رود از اهداف مهمی است که در بهداشت حرفه ای مطرح می باشد. به منظور کنترل گرما محققان به روشی ساده برای ساخت شیشه ای دست یافته اند که اجازه عبور نور را داده اما بخش عمده حرارت آن را می گیرد. محققان با کنترل ساختار مواد در مقیاس نانو، موفق به ساخت عایق‌های حرارتی بهتری شده‌اند، ماده حاصل از این فرآیند به گونه‌ای است که طیف محدودی از طول موجها را جذب می‌کند. این امر بدون اینکه شفافیت ماده را تحت تأثیر قرار دهد، اغلب انرژی مادون قرمز نور را جذب می‌نماید.

همچنین با استفاده از روشی ساده شیشه‌ هایی ساخته شده ‌اند که اجازه عبور نور را داده اما بخش عمده حرارت آن را می‌گیرد. این تکنیک برای مناطق گرمی که قصد خنک نگه داشتن داخل ساختمانها را دارند, بسیار مفید خواهد بود. در این راستا توجه به کاربردهای گوناگون فناوری نانو جهت داشتن محیط های کاری بدون استرس گرمایی؛ امری اجتناب ناپذیر می نماید.

عایق‌های حرارتی بهتر با کنترل ساختار مواد در مقیاس نانو

دیوید کاهیل استاد علوم و مهندسی مواد دانشگاه ایلینوی می گوید: “ما راه‌هایی را به منظور کنترل خواص حرارتی مواد با استفاده از نانوساختارها پیدا کردیم و دریافتیم که با ساخت نانو ورقه‌ هایی از مواد غیر مشابه می‌توان رسانش گرمایی را به میزان قابل توجهی کاهش دهیم، زیرا گرما نمی تواند در فصل مشترک مواد به‌ خوبی منتقل شود”.

کاهیل به همراه همکارانش در دانشگاه کلورادو، ابتدا به کمک لایه‌نشانی اتمی و رسوب‌دهی اسپاتر مگنترون، نانولایه‌های نازکی از لایه‌های متناوب تنگستن و اکسید آلومینیوم را سنتز نمودند. آنها هدایت حرارتی این نانوورقه‌ها را با استفاده از روشی به نام بازتاب حرارتی در بازه زمانی “اندازه گرفتند”.

کاهیل گفت: “بازتاب حرارتی یک فلز تابع دقیقی از دمای آن است. با اندازه‌گیری سرعت تغییرات بازتاب و درنتیجه تغییرات دما می‌توانیم رسانش حرارتی آن را تعیین کنیم. محققان برای اندازه‌گیری دمای چنین نمونه‌های کوچکی، از یک لیزر  یک‌ وضعیتی فوق‌العاده سریع استفاده نموده‌اند.

که یک سری پالس‌های کمتر از پیکوثانیه‌ای تولید می‌کند. خروجی این لیزر به دو قسمت پرتو شاهد و پرتو پروب تقسیم می‌شود. پرتو شاهد، نمونه را گرم کرده و پرتو پروب، بازتاب و درنتیجه تغییرات دما را اندازه می‌گیرد

کاهیل گفت: “با ساخت لایه‌های منفرد به ضخامت تنها چندنانومتر، موادی نانوورقه‌ای تولید کردیم که هدایت حرارتی آنها سه برابر کمتر از عایق‌های متداول است. چگالی بالا در فصل مشترک،‌ مانع بزرگی بر سر راه هدایت حرارتی است.”

شار گرمایی از یک ماده به ماده دیگر به فصل مشترک محدود می‌شود. گرما از طریق ارتعاش اتم‌های شبکه منتقل می‌شود. برخی از این ارتعاشات شبکه‌ای در فصل مشترک پخش‌شده، از آن عبور نمی‌کنند.

کاهیل گفت: “در نانوورقه‌های ما، ارتعاشات در یک ماده به خوبی با ارتعاشات ماده دیگر ارتباط برقرار نمی‌کند. اتم‌های سنگین تنگستن تقریباً به‌کندی مرتعش می‌شوند. اما اتم‌های سبک اکسید آلومینیوم به‌ سرعت مرتعش می‌شوند. این اختلاف در خواص کشسان و چگالی حالت‌های ارتعاشی مانع از انتقال انرژی ارتعاش در طول فصل مشترک می‌شود.

نتایج تجربی نشان می‌دهند که مواد طراحی‌شده با تراکم بالای فصل مشترک امکان تولید عایق‌های حرارتی با رسانش حرارتی بسیار کم را فراهم می‌سازند. همچنین یافته‌های محققین را می‌توان در نانوموادی بکار برد که قرار است به عنوان رساناهای حرارتی در کاربردهایی مثل خارج ساختن گرما از مدارهای الکترونیک یا حسگرها به کار روند

گچ, تبادل حرارتی, تولید انرژی

در این روش با استفاده از نانو ذرات در گچ از تبادل حرارتی در سازه با بیرون از آن جلوگیری شده و انرژی صوتی را گرفته و با تاثیر بر نانو ذرات موجود در گچ ,این انرژی را به سرما و یا گرما بر حسب نیاز و با توجه به مواد استفاده شده تبدیل می کند و یا حداقل دما را به حالت تعادل نگه می دارد. از طرف دیگر شاید بتوان نانو ذراتی ساخت که با جذب یک کدام از دو انرژی بالا (به ویژه انرژی صوتی) در گچ موجب ایجاد بوی مطبوع در فضا شود.

استفاده از مواد نانویی در سیمان در جهت کاهش تبادل حرارتی در سازه

استفاده از مواد نانو در ملات سیمان در جهت کاهش تبادل حرارتی در ساختمان استفاده شود تا نیاز به استفاده از مواد دیگری همچون فایبرگلاس یا عایق های رطوبتی و حرارتی نباشد

نانوذرات و شیشه‌های ضدگرما

دو محقق استرالیایی به روشی ساده برای ساخت شیشه‌ای دست‌ یافته‌اند که اجازه عبور نور را داده اما بخش عمده حرارت آن را می‌گیرد.

این محققین با افزودن نانو ذرات به صفحه‌ای متورق و محبوس کردن آن بین دو شیشه صاف، شیشه‌ای ساخته‌اند که در عین حالیکه نور خورشید را از خود عبور می‌دهد، بخش عمده تشعشع حرارتی آنرا گرفته و مانع عبور حرارت می‌شود.

این تکنیک برای مناطق گرمی که قصد خنک نگه داشتن داخل ساختمانها را دارند, بسیار مفید خواهد بود. قبلاً برای این منظور، فیلم‌های نقره بین لایه‌های عایق قرار داده می‌شد.

استفان‌شلم و جیوف اسمیت از دانشگاه سیدنی در ادامه روش استفاده از فیلم‌های نقره، نانوذرات هگزابورید لانتانیوم را به یک صفحه متورق پلی‌وینیل بوتیرال متصل نمودند.

ماده حاصل از این فرآیند به گونه‌ای است که طیف محدودی از طول موج ها را جذب می‌کند. این امر بدون اینکه شفافیت ماده را تحت تأثیر قرار دهد، اغلب انرژی مادون قرمز نور را جذب می‌نماید.

طبق اظهارات مخترعین، هگزا بوراید لانتانیوم ماده مناسبی است که حداکثر طول موج جذبی آن در حدود ۱۰۰۰ نانومتر بوده و طول موج های حرارتی بین ۷۵۰ تا ۱۳۰۰ نانومتر را بدون جذب نور مرئی جذب می‌کند.

محدوده ابعاد نانوذرات مورد استفاده در این تحقیق، بین ۲۰ تا ۲۰۰ نانومتر بود و اندازه بهینه ۸۰ نانومتر تعیین شد.

غلظت نانوذرات در این تحقیقات در حد ۰۱٫۰ % وزنی بود. در غلظت ۰۳٫۰%وزنی میزان کاهش عبور نور مرئی از این ماده ۴۱% بود, در حالیکه کاهش عبور حرارت از آن ۷۱% اعلام شد.

نکته کلیدی این تحقیق، برقراری تعادل بین غلظت نانوذرات و شفافیت شیشه است. طبق اظهارات این محققین، افزایش غلظت نانوذرات منجر به افزایش جذب نور مادون قرمز شده، در عوض شفافیت شیشه را کاهش می‌دهد. فعلاً با استفاده از غلظت‌های پایین، شیشه‌ها شفاف به نظر می‌رسند اما دارای رنگ سبز جزئی بوده و در زاویه دید مورب، اندکی آبی به نظر می‌رسند.

این محققین هم‌اکنون در جستجوی نانوذراتی هستند که هم قابلیت تولید انبوه ساده‌تری داشته باشند و هم بتوانند امواج ماوراء بنفش را جذب کنند.

شیشه های نانویی برای یخچال مغازه ها

با استفاده از اکسیدهای معدنی و ترکیبات فلزی مانند جیوه، اکسید جیوه و … در شیشه ها می توان شیشه هایی ساخت که میزان انرژی مصرفی در یخچال های شیشه دار را کاهش می دهد. این شیشه ها به این ترتیب عمل می کنند که جلوی عبور طول موج های مادون قرمز موجود در محیط را که از اجسام گرم محیط تابش می شوند، می گیرند و درنتیجه مانع انتقال انرژی گرمایی این تابش ها به درون یخچال می شوند و به این ترتیب برای خنک نگه داشتن فضای داخل یخچال به انرژی کمتری نیاز خواهد بود.

ادامه مطلب را با دانلود فایل پیوستی مشاهده کنید.

حتما بخوانید:

⇐ فناوری نانو و بیماری ها

⇐ شناسایی و استراتژی های اندازه گیری نانوذرات

⇐ کاربرد نانو حسگرها در بهداشت حرفه ای

⇐ نانوذرات و کاربرد آن در رفع آلودگی بیولوژیکی