در این پایان نامه، افزایش انتقال حرارت سیال در اثر افزودن نانوذرات اکسید آلومینیم به آب مقطر خالص به عنوان سیال پایه درون کویل پیچشی به صورت تجربی مورد تحلیل و بررسی قرار گرفت. کویل پیچشی مسی توسط المنت حرارتی تحت شار حرارتی یکنواخت خارجی قرار داشت. آب مقطر به همراه سه نانوسیال آب مقطر – اکسید آلومینیم با غلظت های جرمی 2/0، 6/0 و 1 درصد به عنوان سیال کاری در نظر گرفته شدند. نانوسیالات مورد استفاده در این مطالعه به روش دو مرحله ای تهیه و با استفاده از دستگاه آلتراسونیک پایدار شدند. نتایج حاصل از آزمون پتانسیل زتا نشان دهنده پایداری نمونه ها پس از حدود دو روز بود. ضریب هدایت حرارتی نانوسیالات تهیه شده با استفاده از دستگاه kd2-pro اندازه گیری شده است. همانطور که انتظار می رفت ضریب هدایت حرارتی نانوسیالات با افزایش درصد حجمی نانوذرات افزایش می یابد. همچنین نتایج نشان داد با افزایش دما، میزان افزایش ضریب هدایت حرارتی نسبت به درصد حجمی افزایش می یابد. گرانروی نانوسیالات تهیه شده به وسیله دستگاه ویسکومتر آنتوان پار در دماهای مختلف اندازه گیری شد. نتایج حاکی از افزایش گرانروی سیالات با افزودن نانوذرات به سیال پایه بود. برای مثال گرانروی نانوسیالات 6/0 و 1 درصد جرمی در دمای 3/25 درجه به ترتیب 9/1 و 1/3 درصد افزایش می یابد. در بخش انتقال حرارت جابجایی مشاهده شد که برای کویل پیچشی با افزایش شار حرارتی ضریب انتقال حرارت افزایش می یابد. همچنین مشاهده شد که استفاده از جریان نانوسیال به جای سیال پایه به طور قابل توجهی ضریب انتقال حرارت را افزایش می دهد. به طور مثال برای نانوسیال 1 درصد جرمی بیشترین درصد افزایش ضریب انتقال حرارت جابجایی در شار حرارتی 4510 وات بر متر مربع و عدد رینولدز 5268 اتفاق می افتد و برابر 1/27 درصد می باشد.

نانوسیالات به دسته ای از سیالات انتقال حرارت ا طلاق می شود که به واسطه پراکنده شدن ذرات نانو دارای خواص حرارتی بهتری نسبت به سیالات متداول انتقال حرارت هستند. در این پژوهش انتقال حرارت جابجایی نانوسیال در لوله های مارپیچ تحت شار حرارتی ثابت در جریان آرام مورد بررسی قرار گرفته است. نانو سیال ?al?_2 o_3 بر پایه اتیلن گلایکول در سه در صد جرمی 2/0 و 6/0 و1 درصد به روش دو مرحله ای ساخته شده و پس از بررسی خواص حرارتی و ویسکوزیته، در لوله مارپیچ مورد آزمایش قرار گرفته است. نتایج این قسمت با مدل های ارائه شده مقایسه شده و با تعیین ضرایب رابطه ای برای تعیین تغییر ویسکوزیته با دما ارائه شده است. نتایج نشان می دهد ضریب هدایت حرارتی و ویسکوزیته با افزودن نانوذرات افزایش پیدا می کند. برای ضریب انتقال حرارت نیز آزمایش ها با سه شار حرارتی یکنواخت ثابت انجام شده و تاثیر هر یک از پارامترهای رینولدز، درصد جرمی و شار حرارتی بررسی شده است. نتایج حاکی از آن است که ضریب انتقال حرارت بیشترین وابستگی را به ترتیب به رینولدز، شار حرارتی و درصد جرمی نانوذره دارد بیشترین درصد افزایش ضریب انتقال حرارت مربوط به شار حرارتی یکنواخت 4521 وات بر متر مربع در درصد وزنی 1 درصد و رینولدز 96/511 برابر با 3/44% مشاهده شده است. در ارتباط با عدد ناسلت نیز تاثیر افزایش ضریب هدایت حرارتی در رینولدز های پایین مشهود است به طوری که در مقاطعی شاهد نوسان عدد ناسلت هستیم. در انتها نیز رابطه ای برای بدست آوردن ضریب انتقال حرارت و عدد ناسلت برای نانوسیال در لوله مارپیچ ارائه شده است.

در این رساله اثر استفاده از دو روش افزایش انتقال حرارت غیرفعال در مبدل¬های حرارتی فشرده صفحه¬پره¬دار به صورت مطالعه آزمایشگاهی و مدل¬سازی عددی مورد بررسی قرار گرفته است. در بخش مطالعه آزمایشگاهی، یک مجموعه آزمایشگاهی با قابلیت ایجاد شرط مرزی دما ثابت طراحی و ساخته شده است. به عنوان اولین روش افزایش انتقال حرارت غیرفعال، اثر جایگزینی شش کانال صفحه¬ای پیچیده به جای کانال صاف بررسی شده است. در میان کانال¬های مطالعه شده، کانال تولیدکننده گردابه با مقادیر بالائی از ضریب انتقال حرارت جابجائی، دارای بهترین عملکرد بوده و باعث کاهش سطح به میزان 50% در مبدل¬های حرارتی صفحه¬¬پره¬دار می¬شود. به عنوان دومین روش افزایش انتقال حرارت غیرفعال، جریان نانوسیال مس- آب دیونیزه در کانال صاف مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می¬دهد، در حالی که افزایش در غلظت نانوذرات مس باعث افزایش در ضریب انتقال حرارت جابجائی درون این کانال می¬شود، عملکرد هیدرولیکی- حرارتی کانال با افزایش در غلظت نانوذرات کاهش می¬یابد. جریان نانوسیال مس- آب دیونیزه درون کانال¬های صفحه¬ای پیچیده به عنوان یک روش افزایش انتقال حرارت ترکیبی در مبدل¬های حرارتی صفحه¬پره¬دار نیز مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج حاصل از این بررسی بیانگر آن است که، کانال¬های تولیدکننده گردابه و موجدار به ترتیب در دبی¬ها و غلظت¬های بالا و پائین از نانوسیالات بهترین عملکرد را به عنوان هسته مبدل¬های حرارتی صفحه¬پره¬دار دارند. علاوه بر این در بخش آزمایشگاهی این پژوهش، اثر نوع نانوذرات و سیال پایه نیز بر عملکرد یک مبدل حرارتی صفحه¬پره¬دار با کانال¬های موجدار مورد بررسی قرار گرفته است. به این منظور، از شش نوع نانوذرات اکسیدفلزی شامل sio2، tio2، zno، fe2o3، al2o3 و cuo و مخلوط آب دیونیزه- اتیلن¬گلایکول در سه کسر وزنی متفاوت استفاده شده است. براساس نتایج این بخش¬¬، از نانوذرات sio2 می¬توان به عنوان بهترین افزدونی و از مخلوط 50- 50 آب دیونیزه- اتیلن¬گلایکول به عنوان بهترین سیال پایه یاد نمود. در بخش عددی، از روش دینامیک سیالات محاسباتی به منظور مدل¬سازی جریان نانوسیالات مس- آب دیونیزه درون کانال تولیدکننده گردابه به عنوان بهترین کانال صفحه¬ای و به منظور بررسی اثر پارامترهای هندسی موثر در این کانال استفاده شده است. نتایج حاصل از این بخش نشان می¬دهد که، که مدل مخلوط پیش¬بینی بهتری از جریان نانوسیالات در مقایسه با مدل¬های دیگر در نظر گرفته شده دارد. علاوه بر جریان نانوسیالات، جریان چهار سیالات متداول انتقال حرارت شامل هوا، آب، روغن و اتیلن¬گلایکول، درون کانال¬های صفحه¬ای مختلف با پارامترهای هندسی متفاوت بررسی شده است. در این بخش میزان تاثیر این پارامترها بر روی عملکرد مبدل¬¬های حرارتی صفحه¬پره¬دار در زمان استفاده از سیالات کاری مختلف ارائه شده است. همچنین طرح¬های جدیدی به منظور افزایش عملکرد دو کانال آفست¬استریپ و موجدار پیشنهاد شده است.

در این تحقیق، پایداری نانوسیال اکسید مس با غلظت وزنی 1/0 درصد بر پایه آب یون زدایی شده بطور تجربی مورد بررسی قرار گرفته است. بررسی های انجام شده در فاز مطالعاتی این تحقیق نشان داده اند که با توجه به حجم گسترده تحقیقات انجام گرفته بر روی خواص انتقال حرارتی نانوسیالات، تاکنون مطالعات کمتری بر روی پایداری نانوسیالات صورت گرفته است و این در حالی است که امروزه تولید نانوسیال پایدار بسیار ارزشمندتر از نانوسیالی است که پایداری کمی داشته و غیرقابل استفاده در صنعت باشد. لذا ضرورت انجام آزمایش های بیشتر و متمرکزتر در این زمینه احساس می شود. آزمایش ها با هدف بررسی تأثیر عوامل موثر بر پایداری نانوسیال و دستیابی به یک شرایط بهینه پایداری طراحی شده اند. بدین منظور مهمترین عوامل موثر بر پایداری نانوسیال در حین آماده سازی (سرعت دورانی و مدت زمان پخش نانوذرات در سیال پایه)، در حین پایدارسازی نانوسیال (مدت زمان موج دهی فراصوت، نوع و غلظت مواد فعال سطحی) و پس از آماده سازی و پایدارسازی نانوسیال (مقدار اسیدیته) بررسی شده اند. ذرات اکسید مس با اندازه 40 نانومتر به عنوان نانوذره و آب یون زدایی شده به عنوان سیال پایه به منظور آماده سازی نانوسیالات مورد استفاده قرار گرفته اند. همچنین به منظور بهبود شرایط پایداری نانوسیالات از مواد فعال سطحی سدیم دودسیل سولفات و پلی وینیل پیرولیدن-25 استفاده شده است. آزمایش ها با استفاده از روش طراحی آزمون تاگوچی و اجرای نرم افزار qualitek-4 طراحی شده و نتایج حاصل، با استفاده از روش های آماری تحلیل شده اند. در ادامه، از روش های بررسی تصاویر ته نشینی نانوذرات، پتانسیل زتا و اندازه گیری شدت جذب نور به منظور ارزیابی شرایط پایداری نانوسیال استفاده شده است. دلیل استفاده از روش های فوق به ترتیب بررسی سرعت ته نشینی نانوذرات در نانوسیال، بررسی تأثیر تغییرات خواص سطحی نانوذرات بر پایداری نانوسیال و ارزیابی میزان پایداری نانوسیال در معرض تابش نور بوده است. نتایج نهایی نشان داده اند که استفاده از ماده فعال سطحی سدیم دودسیل سولفات با غلظت وزنی 1/0 درصد، یک ساعت موج دهی فراصوت و تنظیم مقدار اسیدیته نانوسیال برابر 72/10، بهترین شرایط را برای پخش نانوذرات اکسید مس در آب یون زدایی شده فراهم آورده اند. در این شرایط، نانوسیال ساخته شده برای مدت زمان حداقل 40 روز بدون مشاهده هیچ اثری از ته نشینی نانوذرات، پایداری خود را حفظ نموده است.

انرژی مورد نیاز بشر به طور عمده از سوخت های فسیلی تأمین می شود. در حال حاضر حدود 80% کل انرژی مصرفی جهان را سوخت های فسیلی تشکیل می دهند. سوخت های فسیلی از نظر جغرافیایی بسیار محدود بوده، اکتشاف، استخراج، انتقال، فرآوری و مصرف آنها بسیار پر هزینه می باشد و در کلیه این مراحل لطمات جدی به محیط زیست وارد خواهد شد؛ لذا استفاده از انرژی خورشید به عنوان یک منبع تجدید پذیر انرژی مورد توجه قرار گرفته است. از طرفی با توجه به طبیعت متناوب انرژی خورشید و کاهش میزان تابش در دوره های زمانی کوتاه و بلند مدت، وجود یک سیستم ذخیره انرژی حرارتی ضروری به نظر می رسد. ذخیره انرژی حراتی به شکل نهان و محسوس انجام می پذیرد. در این پایان نامه عملکرد یک آبگرمکن خورشیدی حاوی مواد تغییر فاز دهنده pcm(phase change material) برای ذخیره انرژی حرارتی به صورت نهان مورد بررسی قرار گرفته است. یک مخزن فقط حاوی آب و دیگری حاوی مخلوطی از آب و پارافین به عنوان pcm است و هر دو سیستم در شرایط کاملاً مشابه مورد آزمایش قرار می گیرند. پارافین در کپسول های استیل، مس و آلومینیوم با قطر 12 میلیمتر و همچنین کپسول های آلومینیومی با قطر 12، 10 و 6 میلیمتر کپسوله شده تا تأثیر جنس و سایز کپسول ها نیز بر عملکرد سیستم ذخیره بررسی شود. نتایج حاکی از افزایش میزان ذخیره انرژی نسبت به حالت فاقد pcm بود به طوری که برای مخزن حاوی پارافین برای کپسول آلومینیومی با قطر 10 میلیمتر، کپسول مسی با قطر 12 میلیمتر، کپسول آلومینیومی با قطر 12 میلیمتر، کپسول استیل با قطر 12 میلیمتر و کپسول آلومینیومی با قطر 6 میلیمتر میزان ذخیره انرژی نسبت به حالت بدون pcm، به ترتیب برابر 3/15%، 3/13%، 2/11%، 6/10% و 4/4% افزایش داشته است. همچنین برای این موارد، میزان دوام آب گرم تولید شده به ترتیب 312، 341، 431، 928 و 1272 ثانیه افزایش یافت.

در این پژوهش، افزایش عملکرد لوله گیرنده کلکتور سهموی خطی خورشیدی با جریان نانوسیال روغن انتقال حرارت-نانولوله کربنی همراه نوار پیچشی در ابعاد آزمایشگاهی به صورت تجربی و عددی در حالت جریان غیر دائم مورد بررسی قرار گرفته است. آزمایشات با استفاده از یک کلکتور پژوهشی که مجهز به کلیه تجهیزات ابزار دقیق اندازه‏گیری است و در دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه شیراز قرار دارد انجام شده است. لوله گیرنده این کلکتور دارای قطر داخلی و خارجی 17 و 21 میلی‏متر و طول 86 سانتی‏متر می‏باشد که با لوله‏ای شیشه‏ای با قطر داخلی و خارجی 66 و 70 میلی‏متر احاطه شده است و فضای بین این دو لوله را خلاء فرا گرفته است. این لوله در کانون آینه سهموی خطی با نسبت تمرکز 6/17 و فاصله کانونی 78 سانتی‏متر قرار گرفته است. روغن انتقال حرارت بهران، به عنوان سیال انتقال حرارت مورد استفاده قرار می‏گیرد و نرخ دبی روغن از 11 تا 18 لیتر بر دقیقه متغیر می‏باشد. برای چنین نرخ جریان، هر دو جریان آرام و آشفته برای مطالعات انتقال حرارتی مشاهده گردید. نانوسیال با غلظت‏‏های 05/0، 1/0 و 2/0 درصد وزنی و نوارهای پیچشی با نسبت پیچش‏های 33/3، 33/5 و 66/6 در لوله گیرنده مورد آزمایش قرار گرفته‏اند. خصوصیات سیال پایه و نانوسیال‏ها از قبیل لزجت و ضریب هدایت حرارتی با دستگاه‏های دقیق اندازه‏گیری شده‏ و این داده‏ها به منظور محاسبات انتقال حرارت مورد محاسبه قرار گرفته‏اند. اندازه‏گیری‏ها نشان می‏دهد که لزجت و ضریب هدایت حرارتی برای نانوسیال‏ها نسبت به سیال پایه بیشتر است، هم‏چنین راندمان لحظه‏ای کلکتور با افزایش غلظت نانوسیال به شکل چشم‏گیری افزایش می‏یابد و بیشترین مقدار افزایش در درصد وزنی 2/0 و برابر با 11/72 % می‏باشد. این نتایج با کاهش نسبت پیچش نوارهای داخل لوله نیز هم‏خوانی داشته و افزایش را نشان می‏دهد و همراه با نسبت پیچش33/3 برابر با 71/133 % می‏رسد. محاسبات عددی با استفاده از کد فرترن برای حل معادلات انرژی برای هنگامی‏که سیال با دمای معلوم وارد لوله می‏شود با شبکه‏بندی مناسب انجام شده است. اندازه‏گیری‏های تجربی و حل عددی مسئله نشان می‏دهد که بهره‏گیری از نوار پیچشی و یا ذرات نانو به طور قابل ملاحظه‏ای عملکرد لوله گیرنده کلکتور سهموی را افزایش می‏دهد.