توصيفگر ها :
آناليز عددي , بررسي آزمايشگاهي , جذب گاز , CO2 , ميكروكانال , نانوسيال مغناطيسي , ميدان مغناطيسي
چكيده فارسي :
فرايند جذب گاز CO2 در مايع يكي از مهمترين روشهاي جلوگيري از انتشار اين گاز گلخانه اي مهم در جو ميباشد كه به كاهش گرمايش جهاني و جلوگيري از تغييرات آب و هوايي و حفظ تعادل طبيعي سياره ي ما كمك شاياني ميكند. سوسپانسيون پايدار نانوذرات مغناطيسي در مايع حامل آبي يا آلي نانوسيال مغناطيسي سيال ناميده مي شود كه در سالهاي اخير در فرايندهاي مختلف مرتبط با حوزه ي علوم گوناگون مورد توجه بسيار قرار گرفته است. خواص مغناطيسي ويژهي اين نانوذرات و واكنش پذيري آنها در حضور ميدان مغناطيسي، سبب تاثير آنها بر بهبود انتقال حرارت و جرم مي گردد. اعمال ميدان مغناطيسي و برانگيخته ساختن نانوذرات مغناطيسي در نانوسيال مغناطيسي مانند ميكسرهايي در ابعاد نانو عمل كرده و باعث تحريك جريان سيال و ايجاد آشفتگي درآن مي شود. از سوي ديگر، به تازگي ميكروكانال ها به عنوان ابزاري نوين در بهبود و كنترل مشخصات انتقال جرم شناخته شده اند. در تحقيق حاضر استفاده از نانوذرات مغناطيسي Fe3O4 با اندازه ذرات 8 نانومتر و در حضور ميدان مغناطيسي متناوب (AC) جهت بهبود بازده انتقال جرم CO2 درميكروكانال Y شكل مورد بررسي قرار گرفته است. به منظور ارزيابي اندازه و پايداري نانوذرات آناليزهاي DLS، TEM و پتانسيل زتا و به منظور ارزيابي خواص مغناطيسي اين نانوذرات آناليز VSM صورت پذيرفته است. جذب CO2 تحت شرايط عملياتي مختلف، غلظت هاي گوناگون نانوذرات مغناطيسي، و شدت متغير ميدان مغناطيسي بررسي شده است. ضريب انتقال جرم كل طرف مايع (KLa)، بازده جذب CO2 (E)، فاكتور افزايندگي نانوذرات (α)، فاكتور افزايندگي ميدان مغناطيسي (γ)، و همچنين تاثير افت فشار (pΔ) به عنوان شاخصهاي تعيين بهبود انتقال جرم در نظر گرفته شدند. با اعمال ميدان مغناطيسي متناوب، انرژي الكترومغناطيسي به صورت انرژي جنبشي به سيال منتقل مي گردد. بنابراين انتظار مي رود اين انرژي بر پديده هايي كه ريشه در اختلاط دارند يعني انتقال جرم در جريان لايه ي مرزي گاز-مايع تاثير بگذارد. جهت ارزيابي تاثير نانوذرات مغناطيسي و ميدان مغناطيسي بر فرايند انتقال جرم گاز-مايع، شدت ميدان مغناطيسي 7، 6/12، و 21 ميلي تسلا و غلظتهاي نانوسيال مغناطيسي(v/v) 004/0-001/0 مورد استفاده قرار گرفت. سرعت دو فاز به گونه اي انتخاب شدند كه الگوي جريان متناوب تيلور در كليه ي آزمايشات حاكم گردد و تحليل كمي جذب CO2 در دو حالت، غياب و حضور نانوذرات مغناطيسي بررسي و با يكديگر مقايسه شدند. افزون بر اين، تاثير موقعيت ميكروكانال در ميدان مغناطيسي متناوب به عنوان فاكتوري موثر در افزايش جذب CO2 مورد بررسي قرار گرفت و موقعيتي كه در آن ميكروكانال در بالاي ميدان مغناطيسي قرار داشت جذب بيشتري را نشان داد. با اعمال شدت ميدان مغناطيسي 21 ميلي تسلا، حداكثر افزايش در KLa به ميزان 2/72 % نسبت به حالتي كه ميدان مغناطيسي اعمال نشده بود مشاهده گشت. در پايان به منظور فهم بهتر اثر اعمال ميدان مغناطيسي متناوب بر جذب CO2 در نانوسيال مغناطيسي، مدلسازي دوبعدي ديناميك سيالات محاسباتي ميكروكانال صورت پذيرفت. از سوي ديگربا انجام ديناميك سيالات محاسباتي، فرايند جذب گاز دي اكسيد كربن با آب و نانوسيال مغناطيسي و سپس با اعمال ميدان مغناطيسي متناوب مورد تحليل و بررسي قرار گرفت. براي اين منظور معادلات پيوستگي، ناوير-استوكس، رهگيري جريان دوفازي، انتقال جرم و ماكسول توسط نرم افزار كامسول حل گرديد. نتايج شبيه سازي تطابق خوبي با داده هاي آزمايشگاهي نشان دادند. مقادير ضريب انتقال جرم و افت فشار در محدوده ي سرعت جريان فاز گاز، به خوبي با مقاديرآزمايشگاهي با حداكثر خطاي نسبي به ترتيب 67/11% و 28/20% براي ضريب انتقال جرم و افت فشار مطابقت دارد. علت انحراف نتايج شبيه سازي از نتايج آزمايشگاهي افزون بر دوبعدي بودن مدل، فرضيات ساده كننده اي مانند ثابت در نظر گرفتن ضريب نفوذ، فرضيه ي جريان كاملا توسعه يافته و همچنين خطاي انساني در اندازه گيري آزمايشات مي تواند باشد.
چكيده انگليسي :
The process of absorbing CO2 gas in a liquid is one of the most important ways to prevent emission of this important greenhouse gas in the atmosphere. It helps to reduce global warming and prevent climate change and maintain the natural balance of our planet. The stable suspension of magnetic nanoparticles in an aqueous or organic carrier liquid is called magnetic nanofluid, which has received much attention in recent years in various processes related to many scientific fields. The special magnetic properties of these nanoparticles and their reactivity in the presence of a magnetic field cause their effect on improving heat and mass transfer. Applying the magnetic field and exciting the magnetic nanoparticles in the magnetic nanofluid act like mixers in nano dimensions and cause the fluid flow to be stimulated and create nano/micro turbulence in it. On the other hand, recently microchannels have been recognized as a new tool in improving and controlling mass transfer characteristics. In this research, the use of Fe3O4 magnetic nanoparticles with a particle size of 8 nm in the presence of an alternating magnetic field (AC) has been investigated to improve the efficiency of CO2 mass transfer in a Y-shaped microchannel. In order to evaluate the size and stability of nanoparticles, DLS, TEM and zeta potential analyzes were performed and in order to evaluate the magnetic properties of these nanoparticles, VSM analysis was utilized. CO2 absorption has been investigated under different operating conditions, different concentrations of magnetic nanoparticles, and variable intensity of the magnetic field. Mass transfer coefficient of the entire liquid side (KLa), CO2 absorption efficiency (E), nanoparticle enhancement factor (α), magnetic field enhancement factor (γ), as well as the effect of pressure drop (Δp) as indicators to determine the improvement of mass transfer in were considered. By applying an alternating magnetic field, electromagnetic energy is transferred to the fluid in the form of kinetic energy. Therefore, this energy is expected to affect phenomena that are rooted in mixing, i.e., mass transfer in the gas-liquid boundary layer flow. In order to study the effect of magnetic nanoparticles and magnetic field on the gas-liquid mass transfer process, magnetic field intensity of 7, 12.6, and 21 mT and magnetic nanofluid concentrations of 0.001-0.004 (v/v) were used. The speed of the two phases were chosen so that the alternating Taylor flow pattern prevails in all the experiments, and the quantitative analysis of CO2 absorption in two states, absence and presence of magnetic nanoparticles, was investigated and compared with each other. In addition, the effect of the position of the microchannel in the alternating magnetic field was investigated as an effective factor in increasing CO2 absorption, and the position where the microchannel was above the magnetic field showed more absorption. By inserting a magnetic field intensity of 21 mT, the maximum increase in KLa by 72.2% was observed compared to the case where the magnetic field was not applied. In order to better understanding of the effect of an alternating magnetic field on the absorption of CO2 in magnetic nanofluid, two-dimensional modeling
of microchannel (2D computational fluid dynamics) was conducted, after validating the model, two-dimensional simulation of CO2 concentration profile changes in magnetic nanofluid with and without magnetic field. The simulation results showed a good agreement with the experimental results. The input of mass transfer coefficient and pressure drop in the range of gas phase flow rate corresponds well with the experimental results with a maximum relative error of 11.67% and 20.28%, respectively. The deviation of the simulation results from the two-dimensional model can be due to simplifying assumptions such as considering a constant diffusion coefficient, the fully developed flow hypothesis, and also human errors.