بهبود خواص گرمايي مواد تغييرفازدهنده به كمك مواد نانوساختار جهت مديريت دمايي برد الكترونيكي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي شيمي

كارشناسي ارشد

چكيده امروزه به دليل تقاضاي بالاي انرژي، روش‌هاي ذخيره‌سازي و بهينه‌سازي انرژي بسيار مورد توجه قرار گرفته است. انرژي گرمايي يكي از مهم‌ترين انواع انرژي است كه در بسياري از صنايع اهميت دارد. روش‌هاي ذخيرۀ انرژي گرمايي به سه دستۀ ذخيرۀ انرژي گرماي محسوس، ذخيرۀ انرژي گرماي نهان و ذخيرۀ انرژي گرماي شيميايي تقسيم‌بندي مي‌شوند. ذخيرۀ انرژي گرماي نهان به دليل چگالي انرژي بالا، دماي ثابت در طول فرآيند تغيير فاز و امكان ذخيرۀ انرژي در دماي پايين نسبت به ساير روش‌ها كاربرد گسترده‌تري پيدا كرده است. مواد تغييرفازدهنده (PCM) در صنايع مختلف، براي ذخيرۀ انرژي گرماي نهان استفاده مي‌شوند. اسيدهاي چرب به دليل خواص منحصربه‌فردي همچون دماي تغيير فاز قابل‌تنظيم، چگالي انرژي بالا، خواص گرمايي مطلوب، ثبات شيميايي و هزينۀ مناسب به‌ عنوان يكي از محبوب‌ترين مواد تغييرفازدهنده به شمار مي‌روند. با وجود مزاياي فراوان اين نوع از مواد تغييرفازدهنده، اين مواد از رسانايي گرمايي پايين رنج مي‌برند. يكي از روش‌هاي افزايش رسانايي گرمايي در PCMs، افزودن مواد نانوساختار با رسانايي گرمايي بالا به آنها و تهيۀ نانوكامپوزيت‌هاي مواد تغييرفازدهنده است. در پژوهش حاضر، ابتدا نانوكامپوزيت‌هاي مواد تغييرفازدهنده، با افزودن مواد نانوساختار گرافيت، نانو لوله‌هاي كربني چند جداره (MWCNTs)، سيليكا (SiO2) و تيتانيا (TiO2) با كسر وزني 5/0 و 1 درصد به لاريك اسيد خالص تهيه شده و پايداري ظاهري و خواص گرمايي آنها با لاريك اسيد خالص مقايسه شد. در مرحلۀ دوم، به‌منظور پايدارسازي مواد نانوساختار درون ماتريس PCM، عوامل سطحي SDS و SDBS در نسبت‌هاي مختلف به نانوكامپوزيت افزوده شده و خواص گرمايي و پايداري نمونه‌ها به طور كامل مورد بررسي و تحليل قرار گرفت. در مرحلۀ آخر عملكرد نانوكامپوزيت‌هاي مواد تغييرفازدهنده در خنك‌سازي و مديريت دمايي برد الكترونيكي شبيه‌سازي شده با صفحۀ داغ با استفاده از چاه گرمايي حاوي نانوكامپوزيت‌هاي مواد تغييرفازدهنده، ارزيابي شد. در ارزيابي اوليه و بررسي پايداري ظاهري نمونه‌ها، نتايج نشان داد، براي هيچ يك از نانوكامپوزيت‌هاي تهيه شده با نانوذرات TiO2 با و بدون حضور عوامل سطحي پايداري حاصل نشد. براي نمونه‌هاي داراي پايداري ظاهري، آناليزهاي ديگري مانند بررسي آناليز FTIR، آناليزهاي DSC قبل و بعد از 100 چرخۀ گرمايش - سرمايش، بررسي عملكرد انتقال گرما با زمان، بررسي رسانايي گرمايي و بررسي عملكرد خنك‌كنندگي و مديريت دمايي برد الكترونيكي با استفاده از چاه گرمايي حاوي نانوكامپوزيت‌هاي مواد تغييرفازدهنده انجام و نتايج حاصل از آن با يكديگر مقايسه شد. نتايج به‌دست‌آمده از آناليز FTIR عدم وجود پيوند شيميايي ميان اجزاي سازندۀ نانوكامپوزيت‌هاي تهيه شده را تأييد كرد. نتايج حاصل از آناليز DSC قبل از چرخه‌هاي گرمايي، كاهش گرماي نهان ذوب نمونه‌هاي تهيه شده با مواد نانوساختار گرافيت و MWCNTs و افزايش گرماي نهان ذوب نمونه‌هاي تهيه شده با نانوذرات SiO2 را نسبت به PCM خالص نشان داد. همچنين پايداري گرمايي نانوكامپوزيت‌هاي مواد تغييرفازدهنده، بعد از 100 چرخۀ گرمايي نسبت به نمونۀ خالص كاهش يافت؛ اما درصد كاهش گرماي نهان ذوب نمونه‌ها تقريباً كمتر از 8 درصد بود. نتايج به‌دست‌آمده از آزمايش بررسي عملكرد انتقال گرماي نمونه‌ها، نشان داد كه سرعت انتقال گرما براي تمامي نانوكامپوزيت‌هاي مواد تغييرفازدهنده، نسبت به لاريك اسيد خالص افزايش يافته و زمان رسيدن به نقطۀ ذوب و نيز طي كردن بازۀ تغيير فاز، كاهش يافته است. نتايج اين آزمايش‌ها با نتايج به‌دست‌آمده از اندازه‌گيري رسانايي گرمايي نانوكامپوزيت‌ها مطابقت داشت. همچنين سه نمونۀ حاوي 1 درصد وزني گرافيت با حضور SDS، نمونۀ حاوي 5/0 درصد وزني MWCNTs با حضور SDBS و نمونۀ حاوي 5/0 درصد وزني گرافيت با حضور SDS، توانستند رسانايي گرمايي PCM خالص را به ترتيب به ميزان 5/79، 6/38 و 9/25 درصد افزايش دهند. به دليل افزايش سرعت انتقال گرما در نمونه‌هاي نانوكامپوزيتي مواد تغييرفازدهنده نسبت به لاريك اسيد خالص و كاهش بازه‌هاي ذوب در آنها، زمان رسيدن به دماي بحراني برد الكترونيكي در آزمون عملكرد خنك‌كنندگي و مديريت دمايي برد الكترونيكي براي توان 6 وات، به ترتيب براي نمونۀ لاريك اسيد خالص با 33 دقيقه، نمونۀ حاوي 5/0 درصد وزني MWCNTs با حضور SDBS با 30 دقيقه، نمونۀ حاوي 5/0 درصد وزني گرافيت با حضور SDS با 29 دقيقه و نمونۀ حاوي 1 درصد وزني گرافيت با حضور SDS با 27 دقيقه به دست آمد. به اين ترتيب بهترين عملكرد با توجه به سازگاري بهتر مواد نانوساختار گرافيت با ماتريس PCM، مربوط به نانوكامپوزيت‌هاي تهيه شده با اين مواد نانوساختار است.

231676

طراحي فرآيند

مهندسي شيمي

دانشگاه صنعتي اصفهان