ساخت سیم داغ گذرا برای آزمایشگاه‌های انتقال حرارت در دانشگاه علم و صنعت ایران

پژوهشگران دانشگاه علم و صنعت ایران موفق به ساخت یک وسیله آزمایشگاهی فوق حساس موسوم به «سیم داغ گذرا» شدند که می‌تواند با ۳ تا ۴ درصد خطا میزان هدایت حرارتی سیالات را اندازه‌ گیری کند.  

اندازه‌گیری هدایت حرارتی سیالاتی از قبیل مایعات یا گازهای خنک کننده، از موضوعات مورد توجه در بسیاری از آزمایشگاه‌های تحقیقاتی و صنعتی است. ساخت پردازشگرهای پرقدرت و حساس که گرمای زیادی تولید می‌کنند و نیز تحقیقات انجام شده برای کوچکتر و کارآمدتر کردن وسایل برودتی یا حرارتی نیاز مبرمی به وسایل آزمایشگاهی بسیار دقیق را ایجاد کرده است. در راستای رفع این نیاز پژوهشگران دانشکده مهندسی شیمی دانشگاه علم و صنعت ایران پس از یکسال تلاش موفق به ساخت یکی از حساسترین وسایل آزمایشگاهی در زمینه انتقال حرارت شدند. دکتر سلمان موحدی‌راد، سرپرست این پروژه با تاکید بر اهمیت این وسیله برای آزمایشگاه‌های تحقیقاتی در صنایعی از قبیل نفت و خودروسازی اظهار می‌کند: « سیم داغ گذرا از گذشته یک وسیله تحقیقاتی مهم به شمار می‌رفته است با این وجود تنها چند نمونه خارجی از آن در مراکز تحقیقاتی کشور یافت می‌شود. علاوه بر این با توسعه تحقیقات بر روی نانوسیالات و خواص حیرت‌آور حرارتی آنها نیاز به این وسیله نیز رو به افزایش است.»

سیم داغ گذرا چگونه کار می‌کند؟

اندازه‌گیری میزان هدایت حرارتی سیالات با استفاده از روش‌های مختلف و دستگاه‌های گاها پیچیده انجام می‌پذیرد اما مشهورترین این روش‌ها تنها نیاز به یک سیم بسیار نازک دارد. سیم بسیار نازکی که با به کارگیری دانشی گرانبها می‌تواند با دقتی شگرف میزان هدایت حرارتی سیالات را به عنوان یکی از مهمترین خواص این مواد مشخص کند. دکتر موحدی راد  درباره نحوه عملکرد این وسیله آزمایشگاهی می‌گوید:« جریان الکتریکی از یک سیم بسیار نازک با مقامت التریکی مشخص عبور کرده و آن را گرم می‌کند. دمای این سیم در اثر تبادل حرارت با جریان سیال تغییر می‌کند و این تغییر دما روی مقاومت سیم تاثیر می‌گذارد که این تاثیر با کمک مدارهای الکترونیکی تحلیل شده و بدینترتیب میزان هدایت حرارتی سیال اندازه گیری می‌شود.» هر چند طرز کار این وسیله به نظر ساده می‌رسد اما برای حل چالش‌های عملی موجود در این فناوری نیاز به دانش گسترده‌ای هست.

  یک سیم کوچک با مشکلاتی بزرگ       

انتقال حرارت از چند راه مختلف صورت می‌گیرد که هدایت حرارتی تنها یکی از این راه‌هاست. بدین ترتیب بنا به گفته متخصصین اساسی‌ترین چالش‌های پیش روی پژوهشگران ممزوج شدن این راه‌ها با یکدیگر در سیالات است به گونه‌ای که تفکیک میزان انتقال حرارت از روش هدایت به سختی امکانپذیر است. استادیار دانشگاه علم و صنعت ایران در این باره می‌گوید:« مشکل اینجاست که به محض گرم شدن سیال، ملکولها به صورت توده‌ای شروع به حرکت کرده و گرما را با خود منتقل می‌کنند در حالیکه این نوع از انتقال حرارت که به آن انتقال حرارت جابجایی گفته می‌‌شود مد نظر نیست. بلکه ما می‌خواهیم میزان گرمای منتقل شده ناشی از ارتعاش ذرات را اندازه بگیریم به همین دلیل سیم داغ باید قادر باشد به سرعت و قبل از آنکه جریان توده‌ای شکل بگیرد پاسخ حرارتی سیال را ثبت کند. از آنجایی که چنین شرایطی در سیال یک حالت گذرا است و وضعیت ملکولها به سرعت در مرحله ابتدایی انتقال حرارت تغییر کرده و جریان‌های توده‌ای در سیال شکل می‌گیرند به این شیوه اندازه‌گیری روش «سیم داغ گذرا» گفته می‌شود»

سرعت در عملکرد هر چند می‌تواند به حل یکی از چالش‌های محققین بیانجامد اما این تنها چالش در طراحی، ساخت و استفاده از سیم داغ گذرا نیست بلکه دقت علاوه بر سرعت مولفه دیگری است که در این فناوری تا حد بسیار زیادی اهمیت دارد. دکترموحدی راد در این باره می‌گوید:« غیر دقیق بودن قطعات و وجوداختلالات بسیار کوچک محیطی از قبیل لرزش و حتی امواج الکترومغناطیس دستگاههای مانند تلفن همراه می‌توانند به شدت بر عملکرد دستگاه تاثیر بگذارند که باید مقابله با این عوامل در طراحی نیز تا حدودی مور د توجه قرار گیرند.»

سرپرست پروژه ساخت «سیم داغ گذرا» با مناسب ارزیابی کردن عملکرد دستگاه ساخته شده در دانشگاه علم و صنعت ایران به آزمایش‌های انجام شده برای کیفیت سنجی عملکرد این دستگاه اشاره کرده و می‌گوید:« برای تست عملکرد این دستگاه از آب به عنوان ماده‌ای که اطلاعات دقیق آن در دسترس بود استفاده شد و سیم داغ گذرای ساخته شده توانست تنها با خطایی معادل ۳ تا ۴ درصد میزان هدایت حرارتی آب را اندازه بگیرد.»