دراسة تأثير استخدام موائع نانومترية ذات أكاسيد معدنية في أداء المبادل الحراري وحيد الأنبوب

اسم الباحث :المهندس تمام محمد الحدو

اسم المشرف:أ.د.م بسام الكيروان +الأستاذ المساعد الدكتور إبراهيم الغريبي

العنوان :دراسة تأثير استخدام موائع نانومترية ذات أكاسيد معدنية في أداء المبادل الحراري وحيد الأنبوب

العنوان باللغة الإنكليزية :Studying the Effect of Using Metal Oxides Nanofluids on the Performance Of Single Tubular Heat Exchanger

العام :2021

القسم :القوى الميكانيكية

الملخص:استخدمت في هذه الدراسة التجريبية جسيمات  النانوية في تحضير ثلاثة تراكيز حجميّة من السائل النانوي  كسائل نقل حرارة غير تقليدي، وقبل تحضير العيّنات وُصّفت أبعاد جسيمات  النانويّة بوساطة مجهر القوى الذرية   ، أظهرتْ النتائج أنّ الجسيمات النانّوية كروية الشكل بمُتوسط قطر يتراوح بين ، حُضّرت عينات السائل النانوي بطريقة الخطوتين، إذ تمّت بعثرة الجسيمات النانوية في الماء المقطّر مع إضافة تركيز مُنخفض من البوليمير (بولي أكريل أميد)  كمادة تُساهمْ في تشتيت واستقرار الجسيمات النانوية، تمّ تعريض العينات للأمواج فوق الصوتية  مع خلط القص العالي لإنتاج سوائل نانوية مُستقرّة، ثم تمّ تقييم الاستقرار بطريقة المسح الطيفي  وقياس عكارة المياه  ومراقبة استقرار العينات على مدى عشرة أيام من التحضير، أظهرتْ النتائج استقراراً وتشتتاً جيداً للجسيمات النانوية واتفاقاً في كلتا الطريقتين، كما تم التأكّد من استقرار العينات بعدّة تقنيات حديثة كقياس جهد زيتا وقياس انتشار الضوء الديناميكي  وقياس المجهر الالكتروني النافذ  ، أظهرتّ النتائج استقراراً جيداً في العينات المُحضّرة وقد اتفقتّ بشكل واضح مع النتائج التي حصلنا عليها أثناء تقييم الاستقرار بواسطة العكارة.

تمّت دراسة الخصائص الفيزيائية والحرارية تجريبياً للسائل النانوي، إذ قِيستْ الموصلية الحرارية بوساطة جهاز يعمل بطريقة السلك الساخن كحالة عابرة غير مُستقرة  وهو مُصمّم لهذه الغاية، أظهرتْ النتائج أنّ الموصلية الحرارية للسائل النانوي تزداد بزيادة كل من التركيز ودرجة الحرارة، إذ بلغتْ نسبةُ التحسّن 5.3% عند التركيز  ودرجة الحرارة ، قِيستْ اللزوجة التحريكية بواسطة جهاز Chan35 الدوراني للتحقق من الطبيعة الريولوجية للعينات، أَظهرتْ النتائج أنّ السائل النانوي يسلكُ سلوكاً غير نيوتوني وفق علاقة غير خطية بين معدّل القص وإجهاد القص، إلا أنّه يسعى أنْ يكون نيوتوني مع ارتفاع كلٍّ من درجة الحرارة ومعدّل القص، كما أَظهرتْ النتائج أنّ إضافة الجسيمات النانوية لا تُعزّز كثيراً من لزوجةِ السائل الأساسي، فقدْ بلغتْ أعلى قيمة تعزيز للزوجة 0.63% عند التركيز .

تمّ اختبار عيّنات السائل النانوي في مبادل حراري (أنبوب ضمن أنبوب) من النوع  كسائل ساخن ضمن الأنبوب الداخلي للمبادل وذلك عند تدفقات مختلفة وهي     في جريان متعاكس مع الماء البارد كسائل تبريد ضمن حلقة المبادل الحراري عند تدفقٍ ثابت  ودرجتي حرارة دخول وهي  و  ، وذلك بغاية دراسة مدى تأثير استخدام السائل النانوي في الأداء الحراري والهيدروليكي للمبادل الحراري، إذ تمّت مُقارنة النتائج التجريبية للسائل النانوي مع السائل الأساسي كوسيط نقل حرارة تقليدي، أَظهرتْ النتائج تحسناً في المؤشّرات الحرارية كمعامل انتقال الحرارة الكلّي بالحمل  و رقم  و كمية الحرارة المُتبادلة  و فعالية المُبادل الحراري  ووحدات انتقال الحرارة  مع زيادة كل من رقم  وتركيز السائل النانوي، في حين تناقص فرقُ درجةِ الحرارة اللوغاريتمي الوسطي  مع زيادة التركيز. أدى إضافة الجسيمات النانوية للسائل الأساسي إلى زيادة كلٍّ من مُعامل الاحتكاك وهبوط الضغط وقُدرة المضخة وإجهاد القص على جدار الأنبوب الداخلي للمبادل الحراري، تمّ تحليل مُعامل الأداء الكلي للمبادل الحراري أظهرتْ النتائج تفوقاً في الأداء الكلّي عند استخدام السائل النانوي بتركيز   فقد بلغت أعلى قيمة له 1.187، كما أظهرت النتائج أنّ زيادة تركيز الجسيمات النانوية تُحسّن من الأداء الحراري للمبادل إلا أنّها تُدهور من المردود الهيدروليكي في الوقت نفسه. تمّت مُقارنة نتائج هذه الدراسة التجريبية مع أبحاثٍ سابقة للتأكد من دقّتها حيث لاحظنا انحرافاً بسيطاً عن المعادلات التقليدية، في حين اتفقتْ مع نتائج تجريبية سابقة، تمّ إجراء دراسة لا بعدية وتحليل عددي لنتائجنا التجريبية وتمّ التوصّل إلى معادلة ارتباط لا بعدية يمكن من خلالها التنبّؤْ بقيمة رقم نوسلت بدلالة كلِّ من رقم بيكليت  والتركيز الحجمي  ضمن شروطِ هذه الدراسة وبنسبة انحراف جيّدة بلغتْ  حيث:  .

الكلمات المفتاحية :السائل النانوي- الاستقرار- الجسيمات النانوية- البوليمير- المؤشرات الحرارية-المؤشرات الهيدروليكية- معامل الأداء الكلي- الدراسة اللابعدية.

تحميل البحث