بهینه سازی سیستم خنک کنندگی ترانسفورماتورهای قدرت و فوق توزیع با استفاده از فناوری نانو و نانوساختارها در روغن های ترانس به منظور افزایش کارآیی و عمر ترانس

چکیده طرح: امروزه باتری های لیتیومی به صورت گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد و با توسعه و پیشرفت تکنولوژی های جدید حجم استفاده از این نوع باتری های نیز در حال افزایش است. از این رو، با توجه به طول عمر مفید آنها که به طور معمول ۴ تا ۸ سال است، میزان تولید دورریزهای باتری ها نیز به طور گسترده ای در حال افزایش است. اگر چه این موضوع یعنی تولید دورریز و باطله از نظر زیست محیطی بسیار خطرناک است، این چالش می تواند با توسعه فناوری های بازیافت به یک فرصت بزرگ تبدیل شود. در این راستا، این پروژه با دید توسعه فناوری و استفاده از ایده ها و تجربه های مختلف قبلی به دنبال تولید ارزش افزوده از این نوع باطله ها است. این مواد پیشرفته می تواند ترکیبات مختلفی همانند سولفیدها و اکسیدهای کبالت، نیکل، منگنز و یا ترکیبات لیتیوم دار همانند کربنات لیتیوم و نیز مواد بر پایه کربن همانند کربن فعال و یا گرافیت باشد. با این حال، برای تمرکز بیشتر پروژه و در قدم اول در این پروژه هدف اصلی تولید ترکیبات کبالت دار به صورت سولفیدی و اکسیدی خواهیم بود. در ادامه نیز تحقیقات برای مواد دیگر تکمیل خواهد گردید. سولفید کبالت ماده بسیار مهمی در ساخت باتری های و ابرخازن های جدید به شمار می رود. همچنین از این ماده ارزشمند در ساخت انواع کاتالیست های مهم در صنایع شیمیایی و نفت و صنایع مرتبط می تواند استفاده شود

اهداف طرح:

امروزه بهبود در جریان انتقال حرارت جابجائی در اغلب دستگاه های حرارتی، به یک عامل مهم در صنایعی مانند تجهیزات الکترونیکی و مبدل های حرارتی تبدیل شده است. در فرایندهای صنعتی، روش دیگری برای بهبود ویژگی انتقال حرارت حرارتی استفاده از جریان نانوسیالات به عنوان سیال عامل است. به این ترتیب انتقال حرارت جابجائی و جریان سیال برای روغن ترانسفورماتور به عنوان نانوسیالات در نیروگاه های برای بسیاری از برنامه های کاربردی مهندسی نیز موثر است که همچنین در آنها از سیستم های خنک کننده و تجهیزات الکترونیکی برای خنک سازی یا گرمایش استفاده می شود. در این تحقیق اهداف برنامه برای تعیین نانوسیالات بر پایه روغن ترانس برق نیروگاهی با استفاده از پخش یا معلق سازی نانوذرات به صورت هیبریدی به عنوان نانوساختار در روغن ترانس و در مقیاس آزمایشگاهی متمرکز شده است که این کار در ۳ مرحله تعیین شده است. در این پروژه فاز سیال در واقع همان روغن ترانسفورماتور با درجه حرارت نقطه جوش بین ۲۰۰ تا ۳۰۰ درجه سلسیوس می باشد و نانوذرات مختلف به عنوان نانوساختارهای هیبریدی با مورفولوژی و اندازه های مختلف شامل نانوذرات فلزی و همچنین نانو ساختارهای اکسید فلزی در روغن ترانسفورماتور با غلظت یا درصدهای حجمی مختلف پخش می شود. پایداری نانوسیال روغن ترانس یکی از مهمترین مسائل است و با روش ها یا تکنیک های مناسب مانند پتانسیل زتا و تعیین اندازه ذرات مورد بررسی قرار می گیرد و خصوصیات انتقال حرارت روغن در درجه حرارت های بسیار بالا با تجزیه و تحلیل های مختلف مانند تجزیه و تحلیل میزان گرماسنجی حرارتی، همچنین تعیین ضریب انتقال حرارت هدایتی مورد بررسی قرار خواهد گرفت

معرفی به دستاورد مردمی:

انتقال حرارت یکی از مهمترین مسائل در صنایع گوناگون است از این رو افزایش بازده دستگاه های حرارتی یکی از الویت های محقیقن میباشد. در این راستا در سال های گذشته محققان تلاش های زیادی را انجام داده اند که منجر به ابداع روش های مختلفی شده است. افزایش بازده و بهبود عملکرد دستگاه های حرارتی از یک سو سبب صرفه جویی در انرژی شده و از سوی دیگر به دلیل کوچک شدن ابعاد دستگاه ها باعث کاهش هزینه ساخت دستگاه میشود. یکی از روش های موثر به منظور افزایش عملکرد انتقال حرارت در سیستم های حرارت، افزایش هدایت حرارتی سیالات می باشد. محیط های انتقال حرارت در صنایع نیروگاهی روغن ترانسفورماتورهای توزیع و قدرت از ضریب هدایت کمتری نسبت به فلزات و اکسید های فلزی برخوردارند. برای افزایش هدایت حرارتی از تعلیق ذرات جامد با اندازه نانومتری در سیال استفاده می شود. نانوفناوری مدرن فرصت های جدیدی برای تهیه و تولید مواد با ابعاد نانومتری فراهم کرده است. در نانوسیالات بر پایه روغن ترانسفورماتورهای صنعتی به دلیل وجود ذرات با اندازه نانو در داخل سیال پایه مشکلات مربوط به ته نشینی، گرفتگی لوله ها و سایش جداره داخلی تجهیزات وجود ندارد. از مزیت های مهم نانوسیالات بر پایه روغن ترانسفورماتورهای صنعتی افزایش شدید هدایت حرارتی و ضریب انتقال حرارت جابجائی بدون افت فشار می باشد.

نانوسیالات بر پایه روغن ترانسفورماتورهای صنعتی به عنوان دسته جدیدی از سیالات از طریق معلق سازی ذرات نانو در درون سیال پایه روغن ترانسفورماتورکه با نام سیالات پایه شناخته میشوند بدست می آیند این سیال ها میتوانند به عنوان نسل بعدی سیالات مورد استفاده در انتقال حرارت که امکانات جدیدی را به منظور افزایش انتقال حرارت در مقایسه با مایعات خالص ارائه میدارند در نظر گرفته شوند. نانوروغن محصول این طرح خواص حرارتی بهتری را نسبت به سیالات پایه داشته، مساحت سطح نسبتاً بسیار بزرگتر نانوذرات نسبت به ذرات معمولی باید علاوه بر بهبود قابل ملاحظه انتقال حرارت، پایداری تعلیق را نیز افزایش دهد. بنابراین، با تعلیق ذرات نانو در سیال روغن ترانسفوماتور، عملکرد حرارتی سیال افزایش می یابد. دلایل اصلی این افزایش عبارتند از:

ü نانوذرات معلق شده، سطح انتقال حرارت را افزایش میدهند.

ü نانوذرات معلق شده، هدایت حرارتی موثر سیال افزایش میدهد.

ü برهم کنش و برخورد بین ذرات، سیال و سطح جامد بیشتر میشود.

ü نوسان و تلاطم سیال با حضور ذرات نانو بیشتر میشود.

ü پراکندگی نانوذرات باعث پراکندگی گرادیان دما در تمام سیال می شود.

شبیه سازی نانوذرات در داخل ترانسفورماتورهای روغنی بر اساس اصول و سلسله مراتب معادلات ارائه شده در جهت تشخیص عملکرد نانوذرات کمک می نماید و در هر مرحله این امکان را فراهم می سازد تا با نگرش منطقی و اصولی وارد محیط آزمایشگاه و تهیه نمونه های مدنظر شد. حرارت داخل ترانسفورماتور در حضور نانوذرات موثره مانند اکسید تیتانیوم کاهش یافته و تبادل حرارتی داخل با بیرون به بیشترین حد خود رسیده است. چند دلیل مهمی که میتوان برای بهبود عملکرد ترانسفورمها به کمک نتایج شبیه سازی ذکر کرد به شرح زیر است:

• بهبود شرایط گردش نانورغن در سیستم و بین پره ها که باعث بهبود خنک کاری سیستم شده است.

• افت دمای محسوس نقطه داخل مابین هسته ها به علت وجود نانوذرات در روغن و بهبود گردش در سیستم

• تغییر غلظت و تغییر عدد ناسلت بر افزایش عدد ریلی تاثیر دارد که این امر در بهبود عملکرد ترانسفورماتور به صورت بهینه موثر خواهد بود.

به طور کل با توجه به مشاهدات در این پروژه مشخص می گردد که نانوذرات به طور تقریبی سبب بهبود ۶۰% عملکرد ترانسفورماتورها می شوند و در صورت استفاده از نانوروغن های در محیط های تحت بار عملکرد بهینه و پایداری بیشتر عملیاتی به خصوص در بحث خنک سازی ترانسفورماتور و در نتیجه عمر طولانی مدت ترانسفورماتور می شود.

‌‌‌‌‌‌