مایعات خنک کننده یکی از مهمترین و اصلی ترین بخش های یک سیستم بوده و وجود آنها برای هر سیستم پیچیده ای ضروری است. صنایعی نظیر خودروسازی و برق از مصرف کنندگان اصلی مایعات خنک کننده می باشند بطوریکه عدم بکارگیری مایعات خنک کننده عملکرد این صنایع را مختل می کند. با توجه به اهمیت زیاد این مایعات در صنعت، بهبود عملکرد آنها در سیستم ها نیز دارای اهمیت بوده و محققین همواره به دنبال تقویت عملکرد مایعات خنک کننده می باشند. با ظهور تکنولوژی نانو در سال های اخیر، بهینه سازی مایعات خنک کننده توسط نانو ذرات و متعاقبا رشد صنایع مصرف کننده این مایعات پیشرفت چشمگیری داشته است. در ادامه این مطلب به بررسی تاثیر نانو ذرات اکسید روی بر بهبود عملکرد مایعات خنک کننده در دو صنعت خودرو سازی و برق می پردازیم.

نانو اکسید روی در مایع خنک کننده موتور خودرو

مکانیزم موتور خودرو ها بر اساس تبدیل انرژی حرارتی ناشی از احتراق سوخت به انرژی مکانیکی می باشد. زمانیکه احتراق سوخت درون موتور اتفاق می افتد دمای محفظه احتراق موتور افزایش چشمگیری می یابد که چنین افزایش دمایی در دراز مدت منجر به استهلاک تجهیزات موتور و در نهایت تخریب آن می گردد. درنتیجه خنک نگهداشتن موتور با استفاده از مایعات خنک کننده یکی از ضروریات سیستم خودرو می باشد.

اصلی ترین فاکتور مایعات خنک کننده قابلیت انتقال حرارت (Heat Transfer) آنها می باشد که آن نیز تحت تاثیر هدایت حرارتی (Thermal Conductivity) مایع خنک کننده است. آب در دسترس ترین و ارزان ترین مایع خنک کننده برای موتور می باشد اما از آنجایی که آب خورنده بوده و دمای انجاد آن تقریبا برابر با صفر درجه سانتی گراد است لذا از آب به تنهایی نمی توان در سیستم موتور استفاده نمود چرا که علاوه بر خوردگی در زمستان دچار انجماد شده و سیستم خنک کنندگی موتور مختل می گردد.

برای رفع این مشکل، اتیلن گلایکول (Ethylene Glycol) با نسبت مشخص با آب ترکیب می گردد تا علاوه بر کاهش میزان خورندگی آب از انجماد آن در زمستان جلوگیری نماید. از طرف دیگر، هدایت حرارتی اتیلن گلایکول از آب کمتر است بنابراین اضافه شدن آن به آب منجر به کاهش ظرفیت انتقال حرارت آب شده و بازدهی خنک کنندگی را کاهش می دهد. بنابراین لازم است تا آب و اتیلن گلایکول با نسبت بهینه با یکدیگر ترکیب شوند.

ایده بکارگیری نانو ذرات با هدایت حرارتی بالا در ترکیب آب – اتیلن گلایکول (مایع خنک کننده) مطرح گردید تا از این طریق ظرفیت انتقال حرارت مایع خنک کننده را افزایش داده و بازدهی سیستم خنک کننده موتور بهبود یابد. لازم به ذکر است که اضافه شدن نانو ذرات بر غلظت مایع خنک کننده تاثیر نامطلوب (اندک) می گذارد اما تاثیر مطلوب آن بر افزایش میزان انتقال حرارت مایع خنک کننده و در نهایت تقویت سیستم خنک کننده موتور به مراتب بیشتر است. از این رو و در سال های اخیر تحقیقات گسترده ای روی استفاده از نانو ذرات با ترکیبات  مختلف در مایع خنک کننده موتور انجام شدند تا میزان تاثیر نانو ذرات بر بهبود عملکرد مایع خنک کننده بررسی شود.

نانو اکسید روی یکی از نانو ترکیباتی است که طی تحقیقات اخیر در مایع خنک کننده موتور بکار گرفته شده و تاثیرات آن بر بهبود خنک کنندگی سیستم خودرو بررسی شده است. نتایج بدست آمده از پژوهشی که در سال 2020 انجام شد نشان می دهند که استفاده از نانو ذرات اکسید روی در مایع خنک کننده موتور منجر به افزایش 23 درصدی هدایت حرارتی آن شده و در نهایت بازدهی سیستم خنک کننده موتور را تقویت می نماید. در این پژوهش که از نانو اکسید روی با درصد های حجمی 0/1 تا 2/5 استفاده شده بود مشخص گردید که بالاترین عملکرد خنک کنندگی در حضور 2/5 درصدی نانو اکسید روی بوده است.

نانو اکسید روی در مایع خنک کننده ترانسفورماتور

صنعت برق دیگر صنعت مصرف کننده مایعات خنک کننده می باشد. ترانسفورماتور های ولتاژ بالا (High Voltage Transformers) یکی از تجهیزات مهم و اساسی صنعت برق هستند که نیازمند استفاده از سیستم خنک کننده می باشند. مایع خنک کننده ای که در سیستم این ترانسفورماتور ها استفاده می شود علاوه بر برخورداری از قابلیت انتقال حرارت بالا باید عایق باشد.

در میان انواع ترانسفورماتور ها، عمر مفید ترانسفورماتور های ولتاژ بالا بعلت مشکلات عایق کاری به نصف کاهش می یابد. بنابراین می توان به اهمیت زیاد عایق بودن مایع خنک کننده بکار رفته در سیستم این ترانسفورماتور اشاره کرد. در حال حاضر از روغن هایی تحت عنوان روغن ترانسفورماتور برای خنک کنندگی و عایق کاری ترامسفورماتور های ولتاژ بالا استفاده می شود. اما روغن های ترانسفورماتور دارای معایبی نظیر اشتعال زا بودن، عدم مقاومت در برابر رطوبت و زیست تخریب پذیری پایین می باشند.

مساله اشتعال زا بودن این روغن ها باعث شده است تا نگرانی هایی پیرامون حفاظت ترانسفورماتور در برابر اتش سوزی ایجاد شود. با توجه به معایب روغن های ترانسفورماتور، محققین به این نتیجه رسیدند که می توانند با استفاده از فناوری نانو علاوه بر بهبود مزایای روغن های ترانسفورماتور معایب آن را کنترل و بهینه سازی کنند.

پژوهشگران صنعت برق ایده استفاده از نانو ذرات اکسید فلزات در روغن های ترانسفورماتور را مطرح کردند با این هدف که علاوه بر افزایش ایمنی روغن در برابر آتش سوزی، بهبود عملکرد آن در عایق کردن سیستم و همچنین تقویت انتقال حرارت و خنک کنندگی آن را فراهم کنند. محققین بر این عقیده بودند که ترکیب روغن های ترانسفورماتور با نانو ذرات می تواند خواص حرارتی و الکتریکی آنها را افزایش دهد.

از این رو، تحقیقات گسترده ای روی تاثیر نانو ذرات اکسید فلزات با ترکیبات مختلف نظیر اکسید روی (ZnO) در بهبود عملکرد روغن ترانسفورماتور انجام شدند. در سال 2024، تحقیق جدیدی روی تاثیر نانو اکسید روی بر رفتار خنک کنندگی روغن ترانسفورماتور توسط محققین هندی انجام گردید. در این مطالعه از نانو ذرات اکسید روی با مقادیر مختلف 0/1، 0/2 و 0/3 گرم در 1 لیتر روغن ترانسفورماتور استفاده شد. نتایج به دست آمده از آزمایشات نشان دادند که استفاده از نانو ذرات اکسید روی در روغن باعث افزایش 21 درصدی استحکام دیاالکتریک آن شده است که تاثیر خیلی زیادی بر عملکرد آن در عایق کردن سیستم می گذارد. نتیجه دیگری که از آزمایشات بدست آمد این بود که ظرفیت انتقال حرارت روغن در اثر حضور نانو ذرات اکسید روی افزایش یافته بدین معنی که عملکرد خنک کنندگی روغن تقویت شده است.

با توجه به نتایجی که از تحقیقات صورت گرفته روی تاثیر نانو اکسید روی بر تقویت عملکرد مایعات خنک کننده به دست آمده است مشخص می شود که نانو ذرات اکسید روی گزینه مناسبی برای بهینه سازی این مایعات هستند. اما باید توجه داشت که روش سنتز نانو ذرات اکسید روی بر عملکرد آنها تاثیر گذار بوده و لازم است قبل از استفاده از آنها ابتدا آزمایشات تکمیلی انجام شده و درصد مصرف بهینه نانو ذرات در مایعات خنک کننده تعیین گردد.

منابع:

1. https://doi.org/1007/s42452-024-05705-8
2. https://doi.org/1016/j.icheatmasstransfer.2020.104649
3. https://doi.org/37934/arfmts.100.2.169180