Synthesis and cooling performance evaluation of novel nanofluid containing n- hexadecane-based nano-encapsulated phase change materials (NEPCMs) in minichannel heat sinks
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि n-हेक्साडेकेन-आधारित नैनो-एनकैप्सुलेटेड फेज चेंज मैटेरियल्स युक्त एक नवीन नैनोफ्लुइड, बढ़े हुए दबाव ड्रॉप के बावजूद, रेनॉल्ड्स नंबर 500 पर नसेल संख्या (Nusselt number) में 62% तक के सुधार को प्राप्त करते हुए, वेवी मिनीचैनल हीट सिंक में कूलिंग प्रदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है।
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आधुनिक दुनिया में, ऊष्मा का प्रबंधन करना बिजली उत्पन्न करने जितना ही महत्वपूर्ण है। हमारी कारों के इंजनों से लेकर हमारे कंप्यूटरों के प्रोसेसर तक, लगभग हर मशीन ऊर्जा को ऊष्मा के रूप में छोड़ती है, और यदि उस ऊष्मा को तेजी से और कुशलता से नहीं हटाया गया, तो सिस्टम विफल हो सकता है या खतरनाक रूप से अक्षम हो सकता है। दशकों से, इंजीनियर इस ऊष्मा को दूर ले जाने के लिए पानी जैसे तरल पदार्थों पर भरोसा करते आए हैं, लेकिन जैसे-जैसे उपकरण छोटे होते जा रहे हैं और बिजली की मांग बढ़ रही है, साधारण पानी अक्सर अपनी सीमाओं तक पहुँच जाता है। इन सीमाओं को पार करने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक चतुर तकनीक का सहारा लिया है: तरल के चलने के तरीके और ऊर्जा को अवशोषित करने की उसकी क्षमता को बदलने के लिए उसमें सूक्ष्म कण मिलाना। इनमें सबसे आशाजनक योजकों में 'फेज चेंज मटेरियल्स' (अवस्था परिवर्तन सामग्री) शामिल हैं। ये ऐसी सामग्रियां हैं जो केवल गर्म होकर नहीं, बल्कि अपनी अवस्था बदलकर, ऊष्मा ऊर्जा की एक विशाल मात्रा को संग्रहीत कर सकती हैं, ठीक वैसे ही जैसे बर्फ पिघलकर पानी बनती है। हालांकि यह प्रक्रिया एक स्थिर तापमान पर होती है, लेकिन यह सामग्री उस ऊष्मा को सोख लेती है जो अन्यथा आसपास के तरल के तापमान को बढ़ा देती। चुनौती हमेशा यह रही है कि इन सामग्रियों को बहते हुए तरल के भीतर बिना आपस में गुच्छे बनाए या लीक हुए कैसे काम करने दिया जाए, और उनके अनूठे गुणों का अधिकतम लाभ उठाने के लिए उनके माध्यम से बहने वाले पाइपों को कैसे डिजाइन किया जाए।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नए प्रकार का कूलिंग फ्लूइड (शीतलन तरल) बनाकर और इसे दो अलग-अलग प्रकार के सूक्ष्म चैनलों में परीक्षण करके इन समस्याओं को हल करने का प्रयास किया। उन्होंने सूक्ष्म कैप्सूल बनाने से शुरुआत की, जिनका केंद्र 'n-हेक्साडेकेन' नामक एक मोमी पदार्थ से बना था, जो अपनी पिघलने और ऊष्मा अवशोषित करने की क्षमता के लिए जाना जाता है, और जिसे एक प्लास्टिक जैसे पॉलीमर से बने मजबूत, सुरक्षात्मक आवरण से घेरा गया था। विशिष्ट रासायनिक परिस्थितियों के तहत तेल और पानी को मिलाने की प्रक्रिया का उपयोग करके, उन्होंने लाखों ऐसे सूक्ष्म गोले तैयार किए, जिनमें से प्रत्येक का व्यास केवल 20 से 50 नैनोमीटर था। यह पुष्टि करने के लिए कि वे सफल रहे हैं, उन्होंने कैप्सूल की रासायनिक संरचना का परीक्षण किया और उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाली छवियां लीं जिनसे चिकने, गोलाकार आकार दिखाई दिए जिनमें कोई दरार या रिसाव नहीं था। इन कैप्सूलों को फिर बहुत कम सांद्रता में शुद्ध पानी में मिलाया गया, जिससे एक ऐसा तरल बना जो स्पष्ट दिखता था लेकिन अकेले पानी की तुलना में अलग व्यवहार करता था।
शोधकर्ताओं ने इस नए तरल का परीक्षण करने के लिए दो अलग-अलग कूलिंग सिस्टम बनाए। दोनों सिस्टम तांबे के बने थे और उनमें उनकी सतह पर कटे हुए बीस सूक्ष्म चैनल थे। एक सिस्टम में ऐसे चैनल थे जो बिल्कुल सीधी रेखा में चलते थे, जबकि दूसरे में ऐसे चैनल थे जो एक सौम्य, लहरदार पथ का अनुसरण करते थे। उन्होंने अपने नए तरल को विभिन्न गति से इन चैनलों के माध्यम से पंप किया, और इलेक्ट्रॉनिक घटकों द्वारा उत्पन्न होने वाली तीव्र ऊष्मा का अनुकरण करने के लिए तांबे के ब्लॉकों के निचले हिस्से को गर्म किया। लक्ष्य यह देखना था कि सादे पानी की तुलना में यह नया तरल कितनी अच्छी तरह से ऊष्मा को दूर ले जा सकता है और यह समझना था कि चैनल का आकार इस प्रक्रिया को कैसे प्रभावित करता है।
परिणामों ने दिखाया कि नया तरल एक शक्तिशाली शीतलन एजेंट था, लेकिन इसका प्रदर्शन चैनल के आकार और प्रवाह की गति पर बहुत अधिक निर्भर था। लहरदार चैनलों में, तरल ने असाधारण रूप से अच्छा प्रदर्शन किया। जैसे ही तरल घुमावों से गुजरा, इसने छोटे भंवर और विक्षोभ पैदा किए जिन्होंने तरल को मिलाने और धातु की गर्म दीवारों के विरुद्ध बनने वाली ऊष्मा की पतली परत को तोड़ने में मदद की। इस मिश्रण ने सूक्ष्म कैप्सूलों को उनकी संग्रहीत ऊष्मा को अधिक प्रभावी ढंग से छोड़ने की अनुमति दी। परीक्षण किए गए उच्चतम प्रवाह वेगों पर, लहरदार चैनलों के साथ नए तरल ने सादे पानी की तुलना में ऊष्मा हस्तांतरण की दर में 45 प्रतिशत का सुधार किया। इस तरल ने धातु की दीवारों को काफी ठंडा भी रखा, जिससे अत्यधिक कठिन परिस्थितियों में उनके तापमान में लगभग 30 प्रतिशत की कमी आई।
हालांकि, सीधी चैनलों में कहानी अलग थी। हालांकि नया तरल कम गति पर पानी से बेहतर प्रदर्शन करता था, लेकिन जैसे-जैसे प्रवाह की गति बढ़ती गई, इसका लाभ कम होने लगा। जब तरल सीधे पाइपों के माध्यम से बहुत तेजी से चलता था, तो वह सिस्टम से इतनी जल्दी गुजर जाता था कि सूक्ष्म कैप्सूलों के पास ऊष्मा को अवशोषित करने और पिघलने के लिए पर्याप्त समय नहीं होता था। वे अपना काम करने से पहले ही चैनल से तेजी से निकल जाते थे। इस निष्कर्ष ने एक महत्वपूर्ण समझौते को उजागर किया: कैप्स-यूनिट की ऊष्मा को संग्रहीत करने की अनूठी क्षमता के लिए उन्हें अवस्था बदलने के लिए पर्याप्त समय तक गर्म क्षेत्र में रुकने की आवश्यकता होती है। लहरदार चैनलों ने, तरल को एक लंबे और अधिक जटिल पथ पर चलने के लिए मजबूर करके, इस प्रक्रिया को होने के लिए आवश्यक अतिरिक्त समय प्रदान किया, भले ही गति अधिक क्यों न हो।
शोधकर्ताओं ने यह भी मापा कि तरल को चैनलों के माध्यम से धकेलने के लिए कितने प्रयास की आवश्यकता थी। चूंकि तरल पानी की तुलना में थोड़ा गाढ़ा था और लहरदार चैनल अधिक जटिल थे, इसलिए तरल को पंप करने के लिए अधिक ऊर्जा की आवश्यकता थी, जिसके परिणामस्वरूप उच्च दबाव गिरावट (प्रेशर ड्रॉप) हुई। इस अतिरिक्त ऊर्जा लागत के बावजूद, कूलिंग सिस्टम का समग्र लाभ सकारात्मक रहा। हटाई गई ऊष्मा की मात्रा पंपिंग शक्ति की पेनल्टी (दंड) की तुलना में बहुत अधिक थी, इसलिए सिस्टम को अभी भी एक सफल प्रयास माना गया। प्रदर्शन का सबसे सटीक बिंदु (स्वीट स्पॉट) उस विशिष्ट प्रवाह गति पर पाया गया जहाँ ऊष्मा अवशोषण अधिकतम था और कैप्सूल बहुत जल्दी बाहर नहीं निकल रहे थे। इस इष्टतम गति पर, नए तरल ने लहरदार चैनलों में पानी की तुलना में कूलिंग दक्षता में 62 प्रतिशत और सीधे चैनलों में 57 प्रतिशत का सुधार किया।
जब शोधकर्ताओं ने अपने नए तरल की तुलना एल्युमीनियम ऑक्साइड के ठोस कणों वाले दूसरे प्रकार के उन्नत कूलिंग तरल से की, तो उन्होंने पाया कि उनका फेज-चेंज फ्लूइड अधिक प्रभावी था, भले ही इसका उपयोग बहुत कम सांद्रता में किया गया था। एल्युमीनियम वाला तरल केवल ऊष्मा का बेहतर संचालन करने पर निर्भर था, जबकि नया तरल पिघलने वाले कैप्सूलों की ऊर्जा-अवशोषित करने की शक्ति का उपयोग करता था। यह सुझाव देता है कि अवस्था परिवर्तन के दौरान ऊष्मा को संग्रहीत करने की क्षमता, केवल तरल की चालकता बढ़ाने की तुलना में एक विशिष्ट लाभ प्रदान करती है। अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि इन सूक्ष्म ऊष्मा-संग्रहण कैप्सूलों को सावधानीपूर्वक डिज़ाइन किए गए लहरदार चैनल के साथ जोड़कर, एक ऐसा कूलिंग सिस्टम बनाया जा सकता है जो वर्तमान मानकों से कहीं अधिक कुशल है, जो कॉम्पैक्ट, उच्च-प्रदर्शन वाले उपकरणों में ऊष्मा प्रबंधन के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है।
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