Θερμοφορητικές Επιδράσεις στην Τριχοειδή Μεταφορά Νανορευστών
Το νανορευστό είναι ένα αραιό εναιώρημα σωματιδίων, που ποικίλλουν σε μέγεθος από 1 nm έως 100 nm, αιωρούμενα σε ένα βασικό ρευστό (π.χ. νερό). Σε σύγκριση με τα βασικά ρευστά, τα νανορευστά διαθέτουν ξεκάθαρα ανώτερα θερμοφυσικά χαρακτηριστικά όπως θερμική αγωγιμότητα, ειδική θερμική ικανότητα.
Ως εκ τούτου, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τις βελτιωμένες θερμοφυσικές ιδιότητές τους σε στενούς περιορισμούς, όπως σωλήνες θερμότητας και εξαρτήματα ψύξης ηλεκτρονικών συσκευών όπου επικρατούν αισθητές διαφορές θερμοκρασίας.
Η κύρια κλίμακα μήκους τέτοιων περιορισμών βρίσκεται στο εύρος των μικρών. Κατά συνέπεια, η μελέτη των θερμοφορητικών επιδράσεων στην τριχοειδή μεταφορά νανορευστών σε μικρορευστικούς περιορισμούς γίνεται εξαιρετικά σημαντική.
Όταν η διαφορά θερμοκρασίας επικρατεί σε ένα εναιώρημα, τα αιωρούμενα σωματίδια υφίστανται μια δύναμη λόγω της θερμοφόρησης, η οποία οδηγεί σε ποικίλους ρυθμούς μετανάστευσης των σωματιδίων (π.χ. μαύρισμα ενός φαναριού). Τέτοιες θερμικές διαβαθμίσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν κατάλληλα για τη ρύθμιση του ρυθμού ροής της ανάρτησης. Επιπλέον, οι υπάρχουσες διαβαθμίσεις θερμοκρασίας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να διαχωριστούν διαφορετικά σωματίδια σε ένα εναιώρημα. Στο πλαίσιο τέτοιων συστημάτων, η μετανάστευση των νανοσωματιδίων τελικά οδηγεί στην προτιμώμενη απόθεσή τους που καθορίζεται από τα υπάρχοντα θερμικά πεδία. Ο διαχωρισμός των νανοσωματιδίων αποκτά ύψιστη σημασία όχι μόνο στο πλαίσιο της επίτευξης ομοιογενών αιωρημάτων αλλά και στο σχεδιασμό συστημάτων ανάκτησης σωματιδίων που είναι απαραίτητα για την ελαχιστοποίηση του λειτουργικού κόστους.
Εδώ, έχουμε διαφωτίσει νέους μηχανισμούς με τους οποίους ένα ρευστό φορτωμένο με νανοσωματίδια μπορεί να μεταφερθεί με θερμική βαθμίδα (βλ. Εικόνα 1). Οι κύριες δυνάμεις που ευθύνονται για αυτήν την κίνηση είναι η επιφανειακή τάση, η ιξώδης οπισθέλκουσα και η θερμοφόρηση.
Αρχικά, μελετήθηκε η επίδραση των θερμικών κλίσεων στη μετανάστευση των σωματιδίων. Βρήκαμε ότι υπάρχουν δύο διαφορετικά καθεστώτα, δηλαδή η διάχυση και η θερμοφόρηση. Η εναπόθεση μικρότερων νανοσωματιδίων διέπεται από δυνάμεις διάχυσης, ενώ η εναπόθεση μεγαλύτερων νανοσωματιδίων υπαγορεύεται από τη θερμοφόρηση. Κατά συνέπεια, μεγαλύτερα σωματίδια μεταναστεύουν προς τον τοίχο, με αποτέλεσμα υψηλότερες συγκεντρώσεις κοντά στον τοίχο, σε σύγκριση με τα μικρότερα. Η μετάβαση από την εναπόθεση διάχυτων σωματιδίων στη θερμοφορητικά κυριαρχούμενη μετανάστευση, με τη σειρά της, καθορίζει την ικανότητα μεταφοράς σωματιδίων του εναιωρήματος.
Με την αύξηση των θερμικών κλίσεων, η συγκέντρωση των σωματιδίων κοντά στο κέντρο του καναλιού, σε μια δεδομένη απόσταση από την αρχή, μειώνεται. Μια εκτίμηση της ικανότητας μεταφοράς σωματιδίων ενός δεδομένου εναιωρήματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί εύστοχα για την ανάκτηση σωματιδίων σε ποικίλες εφαρμογές μηχανικής που περιλαμβάνουν νανορευστά σε περιορισμούς μικροκλίμακας.
Η θερμοφορητική δύναμη υπολογίζεται στη συνέχεια, με βάση τα υπολογισμένα πεδία θερμοκρασίας και συγκέντρωσης, για διαφορετικά μεγέθη σωματιδίων, παρουσία ποικίλων θερμικών διαβαθμίσεων. Η θερμοφορητική δύναμη έχει παρατηρηθεί να αυξάνεται αισθητά για εναιωρήματα με μεγαλύτερα σωματίδια. Επίσης, με την αύξηση των θερμικών κλίσεων, έχει σημειωθεί έντονη αύξηση της θερμοφορητικής δύναμης, για ένα δεδομένο νανορευστό. Τα αποτελέσματα αποκαλύπτουν ότι οι θερμικές διαβαθμίσεις ενισχύουν σαφώς τον ρυθμό ροής της ανάρτησης, σε σχέση με τη μεταφορά που οφείλεται αποκλειστικά στην επιφανειακή τάση (βλ. Εικόνα 2 [δεξιά]). Ωστόσο, αυτός ο βαθμός ενίσχυσης κορεστεί. πέρα από μια δεδομένη διαφορά θερμοκρασίας, ο ρυθμός τριχοειδούς μεταφοράς δεν αυξάνεται σημαντικά. Ως εκ τούτου, μπορεί κανείς να βελτιστοποιήσει το ενεργειακό κόστος, ανάλογα με τον επιθυμητό ρυθμό ροής.
Μπορεί να σημειωθεί ότι ο ρυθμός ροής του εναιωρήματος είναι σημαντικά μεγαλύτερος για μεγαλύτερα σωματίδια (βλ. Εικόνα 2 [αριστερά]) . Αυτό αποδίδεται κυρίως στη συγκριτικά μεγαλύτερη θερμοφορητική δύναμη για μεγαλύτερο μέγεθος σωματιδίων. Σε αυτό το πλαίσιο, η επίδραση του μεγέθους των σωματιδίων στη δυναμική των τριχοειδών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να επιτευχθεί ο διαχωρισμός των νανοσωματιδίων σε ένα ετερογενές νανορευστό. Η σημαντική συνάφεια της εργασίας είναι εκτεταμένη. Στην πραγματικότητα, προσπάθησε να περιγράψει τη συσχέτιση μεταξύ της εφαρμοζόμενης διαφοράς θερμοκρασίας και των ρυθμών άντλησης του νανορευστού που προκύπτουν στα μικροκανάλια. τα οποία υιοθετούνται σταδιακά στο σχεδιασμό συστημάτων ψύξης για ηλεκτρονικά τελευταίας τεχνολογίας.
Επιπλέον, αυτή η εργασία καταδεικνύει ότι η τοπική διαφορά θερμοκρασίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί κατάλληλα για τον διαχωρισμό των νανοσωματιδίων σε ένα ετερογενές εναιώρημα. Είναι σημαντικό ότι με τον κατάλληλο έλεγχο θερμοκρασίας, μπορεί κανείς να επιτύχει τους επιθυμητούς ρυθμούς μεταφοράς των αναρτήσεων, μειώνοντας σημαντικά το ενεργειακό κόστος και κατά συνέπεια, βελτιστοποιώντας τον μηχανολογικό σχεδιασμό.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο:Thermophoretically driven capillary transport of nanofluid in a microchannel, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Advanced Powder Technology . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον Soumya Bandyopadhyay (Διπλό Μεταπτυχιακό Φοιτητή) και τον Suman Chakraborty (Καθηγητή) από το Indian Institute of Technology Kharagpur.
