—d1896

4-8. پراش XRD نمونه‌های الف) 10%، ب) 15%و ج) 20% در دمای 600 درجهی سانتیگراد59
4-9. پراش XRD نمونه‌های الف) 10%، ب) 15%و ج) 20% در دمای 800 درجهی سانتیگراد60
4-10. آنالیز نمونه‌های الف)10%، ب) 15%و ج) 20% حرارت داده شده در دمای 600 درجه‌ی سانتی ‌گراد61
4-11. آنالیز نمونه‌های الف)10%، ب) 15%و ج) 20% حرارت داده شده در دمای 800 درجه‌ی سانتی ‌گراد62
4-12. طیف‌های جذبی FT-IR الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%.65
4-13. تصویر TEM یکی از نمونه‌ها67
4-14. نمودارهای لانگمیر الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%69
4-15. نمودارهای BET الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%71
4-16. جذب و واجذب الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%.72
4-17. حلقه پسماند نمونه‌ها قبل از عملیات حرارتی الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.74
4-18. حلقه پسماند نمونه‌ها بعد از عملیات حرارتی الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.75

فهرست جداول
عنوان صفحه
فصل سوم - ساخت آئروژل و کاربردهای آن
3-1. کاربردهای مختلف آئروژل‌ها48
TOC o "1-3" h z u
فصل چهارم - سنتز و بررسی ویژگی‌های نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/نانوذرات فریت کبالت
4-1. میزان گرم و لیتر مواد مورد نیاز51
4-2. نتایج حاصل از XRD63
لیست علایم و اختصارات
برونر، امت، تلر(Brunauer, Emmett, Teller) BET
پراش پرتو ایکس (X-Ray Diffraction) XRD
مغناطیسسنج نمونهی ارتعاشی (Vibrating Sample Magnetometer) VSM
میکروسکوپ الکترونی گسیل میدانی (Field Emission Scanning Electron Microscopy) FE-SEM
میکروسکوپ الکترونی عبوری (Transmission Electron Microscopy) TEM
آنگسترم (Angestrom) Å
اورستد (Oersted) Oe
نانومتر (Nanometer) nm
واحد مغناطیسی (Electromagnetic Units) emu
فصل اولمفاهیم اولیه1854668136024
مقدمهاز اواخر قرن بیستم دانشمندان تمرکز خود را بر فناوری نوینی معطوف کردند که به عقیده‌ی عده‌ای تحولی عظیم در زندگی بشر ایجاد می‌کند. این فناوری نوین که در رشته‌هایی همچون فیزیک، شیمی و مهندسی از اهمیت زیادی برخوردار است، نانوتکنولوژی نام دارد. می‌توان گفت که نانوفناوری رویکردی جدید در تمام علوم و رشته‌ها می‌باشد و این امکان را برای بشر به وجود آورده است تا با یک روش معین به مطالعه‌ی مواد در سطح اتمی و مولکولی و به سبک‌های مختلف به بازآرایی اتم‌ها و مولکول‌ها بپردازد.
در چند سال اخیر، چه در فیزیک تجربی و چه در فیزیک نظری، توجه قابل ملاحظه‌ای به مطالعه‌ی نانوساختارها با ابعاد کم شده است و از این ساختارها نه تنها برای درک مفاهیم پایه‌ای فیزیک بلکه برای طراحی تجهیزات و وسایلی در ابعاد نانومتر استفاده شدهاست. وقتی که ابعاد یک ماده از اندازه‌های بزرگ مانند متر و سانتیمتر به اندازه‌هایی در حدود یک دهم نانومتر یا کمتر کاهش می‌یابد، اثرات کوانتومی را می‌توان دید و این اثرات به مقدار زیاد خواص ماده را تحت الشعاع قرار می‌دهد. خواصی نظیر رنگ، استحکام، مقاومت، خوردگی یا ویژگی‌های نوری، مغناطیسی و الکتریکی ماده از جمله‌ی این خواص‌ می‌باشند [1].
1-1 شاخه‌های فناوری نانوتفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری‌های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری‌های دیگر بیان نماییم، می‌توانیم وجود عناصر پایه را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. اولین و مهمترین عنصر پایه نانو ذره است. نانوذره یک ذره‌ی میکروسکوپی است که حداقل طول یک بعد آن کمتر از ١٠٠ نانومتر است و میتوانند از مواد مختلفی تشکیل شوند، مانند نانوذرات فلزی، سرامیکی و نانوبلورها که زیر مجموعهای از نانوذرات هستند [ 3و 2]. دومین عنصر پایه نانوکپسول است که قطر آن در حد نانومتر می‌باشد. عنصر پایه‌ی بعدی نانولوله‌ها هستند که خواص الکتریکی مختلفی از خود نشان می‌دهند و شامل نانولوله‌های کربنی، نیترید بور و نانولوله‌های آلی می‌باشند [4].
1-2 روش‌های ساخت نانوساختارهاتولید و بهینهسازی مواد بسیار ریز، اساس بسیاری از تحقیقات و فناوری‌های امروزی است. دستورالعمل‌های مختلفی در خصوص تولید ذرات بسیار ریز در شرایط تعلیق وجود دارد ولی در خصوص انتشار و تشریح دقیق فرآیند رسوب‌گیری و روش‌های افزایش مقیاس این فرآیندها در مقیاس تجاری محدودیت وجود دارد. برای تولید این نوع مواد بسیار ریز از پدیده‌های فیزیکی یا شیمیایی یا به طور همزمان از هر دو استفاده می‌شود. برای تولید یک ذره با اندازه مشخص دو فرآیند اساسی وجود دارد، درهم شکستن) بالا به پایین) و دیگری ساخته شدن) پایین به بالا). معمولا روش‌های پائین به بالا ضایعاتی ندارند، هر چند الزاما این مسأله صادق نیست [6 و5]. مراحل مختلف تولید ذرات بسیار ریز عبارت است از، مرحله‌ی هسته‌زایی اولیه و مرحله‌ی هسته‌زایی و رشد خود به خودی. در ادامه به طور خلاصه روش‌های مختلف تولید نانوذرات را بیان می‌کنیم. به طور کلی روش‌های تولید نانوذرات عبارتند از:
 چگالش بخار
 سنتز شیمیایی
 فرآیندهای حالت جامد (خردایشی)
 استفاده از شاره‌ها فوق بحرانی به عنوان واسطه رشد نانوذرات فلزی
 استفاده از امواج ماکروویو و امواج مافوق صوت
 استفاده از باکتری‌هایی که میتوانند نانوذرات مغناطیسی و نقره‌ای تولید کنند
پس از تولید نانوذرات می‌توان با توجه به نوع کاربرد آن‌ها از روش‌های رایج زمینه‌ای مثل روکشدهی یا اصلاح شیمیایی نیز استفاده کرد [7].
1-3 کاربردهای نانوساختارهایکی از خواص نانوذرات نسبت سطح به حجم بالای این مواد است. با استفاده از این خاصیت می‌توان کاتالیزورهای قدرتمندی در ابعاد نانومتری تولید نمود. این نانوکاتالیزورها بازده واکنش‌های شیمیایی را به شدت افزایش داده و همچنین به میزان چشمگیری از تولید مواد زاید در واکنش‌ها جلوگیری خواهند نمود. به کارگیری نانو‌ذرات در تولید مواد دیگر استحکام آن‌ها را افزایش داده و یا وزن آن‌ها را کم می‌کند. همچنین مقاومت شیمیایی و حرارتی آن‌ها را بالا برده و واکنش آن‌ها در برابر نور وتشعشعات دیگر را تغییر می‌دهد.
با استفاده از نانوذرات نسبت استحکام به وزن مواد کامپوزیتی به شدت افزایش خواهد یافت. اخیرا در ساخت شیشه ضد آفتاب از نانوذرات اکسید روی استفاده شده است. استفاده از این ماده علاوه بر افزایش کارآیی این نوع شیشهها، عمر آن‌ها را نیز چندین برابر نمودهاست .از نانوذرات همچنین در ساخت انواع ساینده‌ها، رنگ‌ها، لایه‌های محافظتی جدید و بسیار مقاوم برای شیشه‌ها، عینک‌ها (ضدجوش و نشکن)، کاشی‌ها و در حفاظ‌های الکترومغناطیسی شیشه‌های اتومبیل و پنجره استفاده می‌شود. پوشش‌های ضد نوشته برای دیوارها و پوششهای سرامیکی برای افزایش استحکام سلول‌های خورشیدی نیز با استفاده از نانوذرات تولید شده‌اند.
وقتی اندازه ذرات به نانومتر می‌رسد یکی از ویژگی‌هایی که تحت تأثیر این کوچک شدن اندازه قرارمی‌گیرد تأثیرپذیری از نور و امواج الکترومغناطیسی است. با توجه به این موضوع اخیراً چسب‌هایی از نانوذرات تولید شده‌اند که کاربردهای مهمی در صنایع الکترونیکی دارند. نانولوله‌ها در موارد الکتریکی، مکانیکی و اپتیکی بسیار مورد توجه بوده‌اند. روش‌های تولید نانولوله‌ها نیز متفاوت می‌باشد، همانند تولید آن‌ها بر پایه محلول و فاز بخار یا روش رشد نانولوله‌ها در قالب که توسط مارتین مطرح شد. نانولایه‌ها در پوشش‌های حفاظتی با افزایش مقاومت در خوردگی و افزایش سختی در سطوح و فوتولیز و کاهش شیمیایی کاربرد دارند.
نانوذرات نیز به عنوان پیشماده یا اصلاح ساز در پدیده های فیزیکی و شیمیایی مورد توجه قرارگرفته‌اند. هاروتا و تامسون اثبات کردند که نانوذرات فعالیت کاتالیستی وسیعی دارند، مثل تبدیل مونواکسید کربن به دی اکسید کربن، هیدروژنه کردن استیرن به اتیل بنزن و هیدروژنه کردن ترکیبات اولفیتی در فشار بالا و فعالیت کاتالیستی نانوذرات مورد استفاده در حسگرها که مثل آنتن الکترونی بین الکترود و الکترولیت ارتباط برقرار می‌کنند [7].
1-4 مواد نانومتخلخلمواد نانو متخلخل دارای حفره‌هایی در ابعاد نانو هستند و حجم زیادی از ساختار آن‌ها را فضای خالی تشکیل می‌دهد. نسبت سطح به حجم (سطح ویژه) بسیار بالا، نفوذپذیری یا تراوایی زیاد، گزینشپذیری خوب و مقاومت گرمایی و صوتی از ویژگی‌های مهم آن‌ها می‌باشد. با توجه به ویژگی‎‌های ساختاری، این به عنوان تبادل‌گر یونی، جدا کننده، کاتالیزور، حس‌گر، غشا و مواد عایق استفاده می‌شود.
نسبت حجمی فضای خالی ماده‌ی متخلخل به حجم کل ماده‌ تخلخل نامیده میشود. به موادی که تخلخل آن‌ها بین 2/0 تا 95/0 باشد نیز مواد متخلخل می‌گویند. حفره‌ای که متصل به سطح آزاد ماده است حفره‌ی باز نام دارد که برای صاف کردن غشا، جداسازی و کاربردهای شیمیایی مثل کاتالیزور و کروماتوگرافی (جداسازی مواد با استفاده از رنگ آن‌ها) مناسب است. به حفره‌ای که دور از سطح آزاد ماده است حفره‌ی بسته می‌گویند که وجود آن‌ها تنها سبب افزایش مقاومت گرمایی و صوتی و کاهش وزن ماده شده و در کاربردهای شیمیایی سهمی ندارد. حفره‌ها دارای اشکال گوناگونی همچون کروی، استوانهای، شیاری، قیفی شکل و یا آرایش شش گوش هستند. همچنین تخلخل‌ها می‌توانند صاف یا خمیده یا همراه با چرخش و پیچش باشند [7].
بر اساس دستهبندی که توسط آیوپاک صورت گرفته است، ساختار محیط متخلخل با توجه به میانگین ابعاد حفره‌ها، مواد سازنده و نظم ساختار به سه گروه تقسیمبندی میشوند که در شکل 1-1 نشان داده شده است:
الف) دسته بندی بر اساس اندازهی حفره:
میکرومتخلخل: دارای حفرههایی با قطر کمتر از 2 نانومتر.
مزومتخلخل: دارای حفرههایی با قطر 2 تا 50 نانومتر.
right59626500ماکرومتخلخل: دارای حفرههایی با قطر بیش از 50 نانومتر.
center1720850شکل 1-1 انواع سیلیکا براساس اندازه حفره: الف) ماکرو متخلخل، ب) مزو متخلخل، ج) میکرو متخلخل [8].
0شکل 1-1 انواع سیلیکا براساس اندازه حفره: الف) ماکرو متخلخل، ب) مزو متخلخل، ج) میکرو متخلخل [8].

بر اساس شکل و موقعیت حفره‌ها نسبت به یکدیگر در داخل مواد متخلخل، حفره‌ها به چهار دسته تقسیم می‌شود: حفره‌های راه به راه، حفره‌های کور، حفره‌های بسته و حفره‌های متصل به هم که در شکل (2-1) به صورت شماتیک این حفره‌ها را نشان داده شده است.

شکل 1-2 نوع تخلخل‌ها بر اساس شکل و موقعیت [8].
بر اساس تعریف مصطلح نانوفناوری، دانشمندان شیمی در عمل نانو متخلخل را برای موادی که دارای حفرههایی با قطر کمتر از 100 نانومتر هستند به کار می‌برند که ابعاد رایجی برای مواد متخلخل در کاربردهای شیمیایی است.
ب) دستهبندی بر‌اساس مواد تشکیل دهنده:
مواد نانومتخلخل آلی
مواد نانومتخلخل معدنی
تقسیمبندی مواد نانومتخلخل آلی
1) مواد کربنی: کربن فعال، کربنی است که حفره‌های بسیار زیاد دارد و مهم‌ترین کربن از دسته مواد میکرومتخلخل است.
2) مواد بسپاری: مواد نانو متخلخل بسپاری به دلیل ساختار انعطاف‌پذیر خود، حفره‌های پایداری ندارند و تنها چند ترکیب محدود از این نوع وجود دارد [8].
تقسیم بندی مواد نانومتخلخل معدنی
1) مواد میکرومتخلخل
زئولیت‌ها: مهم‌ترین ترکیبات میکرومتخلخل بوده که دارای ساختار منظم بلوری و حفره‌دار با بار ذاتی منفی می‌باشند. در اکثر موارد ساختار زئولیتی از قطعات چهار وجهی با چهار اتم اکسیژن و یک اتم مرکزی مثل آلومینیوم، سیلیکون، گالیم یا فسفر تشکیل شده‌اند که با کاتیون‌ها خنثی می‌شوند [8].
چارچوب فلزی-آلی: از واحد‌های یونی فلزی یا خوشه‌ی معدنی و گروه‌های آلی به عنوان اتصالدهنده تشکیل شده است که اتصال آن‌ها به هم، حفره‌ای با شکلی معین مانند کره یا هشت وجهی به وجود می‌آورد. ویژگی بارز این ترکیبات، چگالی کم و سطح ویژه‌ی بالای آن‌هاست [9].
هیبرید‌های آلی-معدنی: از قطعاتی معدنی تشکیل شده‌اند که توسط واحد‌های آلی به هم متصل هستند [10].
2) مواد مزومتخلخل:
سیلیکا: ترکیبات MCM، معروف‌ترین سیلیکای مزومتخلخل هستند.
اکسید فلزات و سایر ترکیبات مزومتخلخل: اکسیدهای نانومتخلخل فلزات مثل تیتانیوم دی اکسید، روی اکسید، زیرکونیوم دی اکسید و آلومینا، فعالیتی بیشتر از حالت معمولی خود دارند. ترکیبات سولفید و نیترید هم میتوانند ساختار مزومتخلخل داشته باشند.
3) مواد ماکرومتخلخل:
بلور کلوییدی: از مجموعه کره‌هایی مانند سیلیکا ساخته می‌شود که فضای بین آن‌ها خالی است. در بلور کلوییدی معکوس کره‌ها توخالی و فضای بین آن‌ها پر است [10].
آئروژل‌ها مواد مزومتخلخل با سطح ویژه و حجم تخلخل بالا هستند که در فصل بعد به آن‌ها می‌پردازیم.
1-5 کامپوزیت‌هاکامپوزیت‌ها (مواد چند رسانهای یا کاهگل‌های عصر جدید) رده‌ای از مواد پیشرفته هستند که در آن‌ها از ترکیب مواد ساده به منظور ایجاد مواد جدیدی با خواص مکانیکی و فیزیکی برتر استفاده شده است. اجزای تشکیلدهنده ویژگی‌های خود را حفظ کرده، در یکدیگر حل نشده و با هم ترکیب نمی‌شوند.
استفاده از این مواد در طول تاریخ مرسوم بوده است. از اولین کامپوزیت‌ها یا چندسازه‌های ساخت بشر می‌توان به آجرهای گلی که در ساخت آن‌ها از کاه استفاده شده است اشاره کرد. هنگامی که این دو با هم مخلوط بشوند، در نهایت آجر پخته بهدست می‌آید که بسیار ماندگار‌تر و مقاوم‌تر از هر دو ماده اولیه، یعنی کاه و گل است. شاید هم اولین کامپوزیت‌ها را مصری‌ها ساخته باشند که در قایق‌هایشان به چوب بدنه قایق مقداری پارچه می‌آمیختند تا در اثر خیس شدن، آب توسط پارچه جذب شده و چوب باد نکند. قایق‌هایی که سرخپوستان با فیبر و بامبو می‌ساختند و تنورهایی که از گل، پودر شیشه و پشم ساخته می‌شدند از نخستین کامپوزیت‌ها هستند [11].
1-5-1 کامپوزیت یا مواد چندسازهچندسازه‌ها به موادی گفته می‌شود که از مخلوط دو یا چند عنصر با فازهای کاملا متمایز ساخته شده باشند. در مقیاس ماکروسکوپیک فازها غیر قابل تشخیص‌اند. اما در مقیاس‌های میکروسکوپیک فازها کاملا مجزا هستند و هر فاز خصوصیات عنصر خالص را نمایش می‌دهد. در چندسازه‌ها، نه تنها خواص هر یک از اجزاء باقی مانده بلکه در نتیجهی پیوستن آن‌ها به یکدیگر، خواص جدیدتر و بهتر بهدست می‌آید [11].
1-5-2 ویژگی‌های مواد کامپوزیتیمواد زیادی می‌توانند در دسته‌بندی مواد کامپوزیتی قرار بگیرند، در واقع موادی که در مقیاس میکروسکوپی قابل شناسایی بوده و دارای فازهای متفاوت و متمایز باشند در این دسته‌بندی قرار می‌گیرند. امروزه کامپوزیت‌ها به علت وزن کم و استحکام بالا در صنایع مختلف، به طور گستره‌ای مورد استفاده واقع می‌شوند. کامپوزیت‌ها با کاهش وزن و ویژگی‌های فیزیکی بسیار عالی، گزینه‌ای مناسب برای استفاده در تجهیزات ساختاری می‌باشند. علاوه بر ‌این، کامپوزیت‌ها جایگزین مناسب برای مواد سنتی در کاربردهای صنعتی، معماری، حمل و نقل و حتی در کاربردهای زیر بنایی می‌باشد [12].
یکی از ویژگی‌های بارز کامپوزیت‌ها، حضور فاز تقویـتکننده مجزا از فاز زمینه می‌باشد. ویژگی‌های اختصاصی این دو فاز، در ترکیب با یکدیگر، ویژگی‌های یکسانی را به کل کامپوزیت می‌بخشد. در یک دسته‌بندی ویژه، کامپوزیت‌ها همواره به دو فاز زمینه و تقویتکننده تقسیم می‌شوند. می‌توان گفت در واقع زمینه مانند چسبی است که تقویتکننده‌ها را به یکدیگر چسبانده و آن‌ها را از آثار محیطی حفظ می‌کند.
1-5-3 مواد زمینه کامپوزیتزمینه با محصور کردن فاز تقویت کننده، باعث افزایش توزیع بار بر روی کامپوزیت می‌گردد. در واقع زمینه، برای اتصال ذرات تقویتکننده، انتقال بارها به تقویتکننده، تهیه یک ساختار شبکه‌ای شکل از آن‌ها و حفظ تقویتکننده از آثار محیطی ناسازگار به کار گرفته می‌شود.
1-5-4 تقویتکننده‌هادسته‌ای از مواد معمولی که به عنوان فاز تقویت کننده به کار گرفته می‌شوند، عبارتند از شیشه‌ها، فلزات، پلیمرها و گرانیت. تقویتکننده‌ها در شکل‌های مختلفی از جمله فیبرهای پیوسته، فیبرهای کوتاه یا ویسکرها و ذرات تولید می‌شوند (شکل3-3). تقویت کننده‌ها باعث ایجاد ویژگی‌های مطلوبی از جمله استحکام و مدول بالا، وزن کم، مقاومت محیطی مناسب، کشیدگی خوب، هزینه کم، در دسترسپذیری مناسب و سادگی ساخت کامپوزیت می‌گردند [12].
1-5-5 نانو کامپوزیتنانو کامپوزیت‌ها مواد مرکبی هستند که ابعاد یکی از اجزای تشکیلدهنده آن‌ها در محدوده نانو‌متری باشد. نانوکامپوزیت‌ها هم، در دو فاز تشکیل می‌شود. در فاز اول، ساختار بلوری در ابعاد نانو ساخته می‌شود که زمینه کامپوزیت به شمار می‌رود. در فاز دوم هم ذراتی در مقیاس نانو به عنوان تقویت کننده برای بهبود ویژگی‌ها به فاز زمینه افزوده می‌شود. توزیع یکنواخت این فاز در ماده زمینه باعث می‌شود که فصل مشترک ماده تقویت کننده با ماده زمینه در واحد حجم، مساحت بالایی داشته باشد [13].

شکل 1-3 نمایشی از انواع مختلف تقویت کننده‌ها در کامپوزیت [12].
1-6 خلاصهدر این فصل به بیان بعضی مفاهیم اولیه پرداختهشد. خلاصه کوتاهی از فناوری نانو، نانوساختارها و روش‌های ساخت آن‌ها گفته شد. بعد از آن مواد متخلخل بررسی شد و در نهایت مختصری در مورد کامپوزیت‌ها، ویژگی‌ها و نانوکامپوزیت‌ها بیان شد.
فصل دومآئروژلها و مروری بر خواص مغناطیسی15418474142773
2-1 تاریخچهحوزهی پژوهشی آئروژل هر ساله به طور وسیعی افزایش می‌یابد به طوری که امروزه توجه بسیاری از دانشمندان جهان را به خود اختصاص دادهاست.
اولین بار ساموئل استفان کیستلر در سال 1931 با ایدهی جایگزینی فاز مایع با گاز در ژل همراه با انقباض کم، آئروژل را تولید کرد. در آن زمان سعی ایشان بر اثبات وجود شبکه‌های جامد در درون ساختار ژل بود. یک روش برای اثبات این نظریه، برداشتن فاز مایع از فاز مرطوب ژل بدون اینکه ساختار جامد از بین برود مطرح بود. برای این کار او با استفاده از یک اوتوکلاو، فاز مایع را از ژل خارجکرد که جامد باقی مانده چگالی بسیار پایینی داشت. او دما و فشار داخلی اوتوکلاو را به نقطه بحرانی مایع رساند تا بر کشش سطحی مایع غلبهکند و ساختار داخلی ژل را از فروپاشی برهاند. به این ترتیب او با موفقیت اولین آئروژل پایه سیلیکا را تولید کرد. ولی به دلیل سختی کار، برای حدود نیمقرن پژوهشی در این زمینه صورت نگرفت. اما از همان ابتدا برای دانشمندانی چون کیستلر، واضح بود که آئروژل ویژگی‌های برجسته‌ای مانند چگالی پایین و رسانایی گرمایی ناچیزی دارد [14].
در سال‌های اخیر، ساختن آئروژل به معنای رساندن الکل به فشار و دمای بخار شدنی و به طبع آن به‌دست‌آوردن نقطهی بحرانی است و باعث استخراج فوق بحرانی از ژل می‌شود. سپس، در سال 1970، دانشمند فرانسوی تایکنر و همکارانش برای بهبود فرآیند تولید دولت فرانسه، موفق شدند روش جدیدی به غیر از روش کیستلر برای تهیهی آئروژل کشف کنند و آن را روش سل-ژل نامیدند. در این روش آلکوکسی سیلان با سیلیکات سدیم، که به وسیله کیستلر استفاده می‌شد، جایگزین گردید. با ظهور روش ارائه شده به وسیله‌ی تایکنر پیشرفت‌های جدیدی در علم آئروژل و فناوری ساخت آن حاصل شد و پژوهش‌گران زیادی به مطالعه در این زمینه روی آوردند. به دلیل انجام مطالعات، تحقیقات و اقدامات صنعتی و نیمه صنعتی که در دهه 70 و 80 بر روی آئروژل‌ها صورت گرفت، این دوره را عصر رنسانس آئروژل نامیدند. [15].
این مواد جایگاه خود را به عنوان مواد جامدی با چگالی و رسانایی گرمایی پایین به‌دست آوردند. پایین‌ترین چگالی آئروژل تولید شده 1/0 میلیگرم بر سانتیمتر مکعب است، تا حدی که نمونه می‌تواند در هوا شناور بماند. گرچه برای ساخت جامد آئروژل مواد بسیاری می‌توانند استفاده شوند ولی آئروژل‌های 2SiO متداول‌ترند. البته می‌توان با واردکردن مواد مختلف در ساختار آئروژل در حین فرآیند ژل شدن، به بهبود ویژگی‌های نمونه‌های نتیجه شده کمک کرد [16].
آئروژل‌ها را می‌توان به عنوان یک ماده منحصر به فرد در زمینه فناوری سبز در نظر گرفت. هشدار جهانی، تهدید آیندهی محیط زیست توسط گاز‌های گلخانهای تولید شده بهدست بشر را تأیید می‌کند. آیندهی انرژی‌های قابل دسترس به خاطر کمشدن منابع نفتی و حتی افزایش تقاضا برای محصولات نفتی، در خطر است. آئروژل‌ها بارها و بارها به افزایش بازدهی برخی ماشین‌ها و سیستم‌ها و کمک به کاهش مصرف انرژی یاری رسانده‌اند. همچنین آئروژل‌ها می‌توانند آلاینده‌های آب را بیرون بکشند و با گرفتن ذرات مضر قبل از ورود به اکوسیستم، سبب تخریبنشدن محیط زیست شوند. دانشمندان دریافتند که این فناوری برای تجدید و حفاظت از انرژی به توسعهی بیشتری نیاز دارد [17].
2-2 شیمی سطح آئروژلسیلیکا آئروژل حاوی ذرات نانومتری هستند. این ترکیبات دارای نسبت سطح به حجم بالا و مساحت سطح ویژهی زیادی هستند. شیمی سطح داخلی در آئروژل‌ها نقش اساسی را در بروز رفتار‌های بی‌نظیر فیزیکی و شیمیایی آن‌ها، ایفا می‌کند. ماهیت سطح آئروژل‌ها تا حد زیادی به شرایط تهیهی آن‌ها بستگی دارد. انتخاب فرآیند مربوط به ترکیبات شیمیایی و ویژگی‌های مورد نظر مشخص برای نانوذرات وابسته است. دو روش پایه برای تولید نانوذرات استفاده می‌شود:
روش از بالا به پایین
اشاره به خردکردن مکانیکی مواد با استفاده از فرآیند آسیابکاری دارد. در این فرآیند مواد اولیه به بلوک‌های پایهی بیشتری شکسته می‌شوند.
روش پایین به بالا
اشاره به ساخت سیستم پیچیده به وسیله ترکیب اجزای سطح اتم دارد. در این فرآیند ساختارها به وسیله فرآیندهای شیمیایی ساخته می‌شوند.
روش پایین به بالا بر پایه ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی اتمی یا مولکولی خود تنظیم می‌شوند. این روش به دلیل ساختار پیچیده اتم یا مولکول، کنترل بهتر اندازه و شکل آن‌ها انتخاب شد. روش پایین به بالا شامل فرآیندهای آئروسل، واکنش‌های بارش و فرآیند سل-ژل است [18].
مرحله اول ساختن آئروژل تولید ژل خیس است که بهترین روش برای ساخت آن استفاده از پیشماده الکوکسید سیلیکون، مانند TEOS است. شیمی ساخت Si(OCH2CH3)TEOS است که با اضافه کردن آب، واکنش شیمیایی زیر صورت می‌گیرد [19] :
Si(OCH2CH3)4(liq)+2(H2O)(liq)→SiO2solid+4(HOCH2CH3)liq
اتم سلیکون به دلیل داشتن بار جزئی مثبت کاهشیافته (+) نسبت به دیگر انواع آئروژل بیشتر مورد مطالعه قرار گرفت. در Si(OEt)+ حدود 32/0 است. این بار مثبت جزئی کاهش یافته، روند ژل شدن پیشماده سیلیکا را آهسته می‌کند.
پیشمادهی الکوکسید M(OR) هستندکه اولین بار توسط امبلن برای سنتز سیلیکا آئروژل استفاده شد. در این ترکیب M نشان دهندهی گروه فلزی، OR گروه الکوکسید و R تعیینکنندهی گروه الکلی هستند. الکوکسیدها معمولا در محلول منبع الکلی خود موجود هستند و امکان خشک کردن این ژل‌ها را در چنین محلول‌هایی فراهم می‌کند [20].
اگر آئروژل از طریق خشک کردن به وسیله الکل تهیه گردد، گروه‌های آلکوکسی (OR) تشکیل دهنده سطح آن است و در این سطح آئروژل خاصیت آبگریزی پیدا می‌کند. اگر تهیه آئروژل از طریق فرآیند دی اکسید کربن باشد آنگاه سطح آئروژل را گروه‌های هیدروکسید (OH) فرا می‌گیرد و خاصیت آب‌دوست پیدا خواهدکرد و مستقیما می‌تواند رطوبت هوا را جذب نماید. البته با حرارت دادن می‌توان رطوبت جذب شده را از ساختار آئروژل حذف نمود. شکل 1-2 به خوبی خاصیت آب‌دوست و آبگریزی را در ساختار آئروژل‌های با گروه‌های عاملی مختلف نشان می‌دهد [21].

شکل 2-1 برهمکنش آب و ساختار آئروژل، الف) آئروژل آبگریز، ب) آئروژل آب‌دوست [18].
2-3 تئوری فیزیکیاتصال شبکه نانو مقیاس سیلیکای جامد آئروژل‌های پایه سیلیکا، ویژگی‌های منحصر به فردی را به آن‌ها می‌دهد. کسر یونی پیوند کووالانت قطبی برای اکسیدهای فلزی مختلف از رابطهی زیر نتیجه می‌شود:
Fionic=1-exp⁡(-0.25 XM-XO2)که XO و XM الکترون‌خواهی O و M را نشان می‌دهد. 2SiO مقدار Fionic 54/0 دارد که طیف مقدار زاویه Si-O-Si را گسترده کرده و شبکه تصادفی را می‌دهد. چهار اکسید دیگر زاویه یونی بزرگ‌تر و مقدار کوچک‌تر زاویه پیوند را سبب می‌شوند. به این معنی که پیوند تصادفی فقط روی ماکرومقیاس‌های بیشتر با ذرات کلوییدی بزرگ‌تر و متراکم‌تر اتفاق می‌افتد، در این صورت، ژل به جای شکلگرفتن شبکهی تصادفی اتصالات به صورت ذره تشکیل می‌شود [14]. شبکهی اتصالات سیلیکا برای وزن نسبی‌اش یک جامد محکم را ایجاد می‌کند.
2-4 خاصیت مغناطیسی مواد2-4-1 منشأ خاصیت مغناطیسی موادیکی از مهمترین ویژگی‌های مواد، خاصیت مغناطیسی آن‌هاست که از زمآن‌های نسبتا دور مورد توجه بوده و هم اکنون نیز در طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی قرار گرفته است.
منشأ خاصیت مغناطیسی در جامدها، الکترون‌های متحرک می‌باشند. گرچه بعضی از هسته‌های اتمی دارای گشتاور دو قطبی مغناطیسی دائمی هستند ولی اثر آن‌ها چنان ضعیف است که نمی‌تواند آثار قابل ملاحظه‌ای داشته باشد؛ مگر در تحت شرایط خاص مانند اینکه نمونه در زیر دمای یک درجهی کلوین قرار گیرد یا وقتی که تحت میدان الکترومغناطیسی با بسامدی قرار گیرد که حرکت تقدیمی هسته را تشدید نماید. در بدو ظهور نظریات مغناطیس آزمایش‌های زیادی نشان داد که اندازه حرکت زاویهای کل یک الکترون و گشتاور مغناطیسی وابسته به آن بزرگ‎تر از مقداری است که به حرکت انتقالی آن نسبت داده می‌شد. بنابراین یک سهم اضافی که از خصوصیت ذاتی با یک درجه آزادی داخلی ناشی می‌شد، به الکترون نسبت داده شد و چون این خصوصیت دارای اثر مشابه چرخش الکترون حول محورش بود اسپین نامیده گردید [22].
2-4-2 فازهای مغناطیسیبه طورکلی مواد در میدان مغناطیسی خارجی رفتارهای متفاوتی از خود نشان می‌دهند و با توجه به جهت‌گیری مغناطش، به پنج گروه تقسیم می‌شوند که به بیان آن‌ها می‌پردازیم.
2-4-2-1 مواد دیامغناطیسدر این مواد الکترون‌ها به صورت جفت بوده و اتمها دارای گشتاور مغناطیسی دائمی نیستند و با قرارگرفتن در میدان مغناطیسی خارجی دارای گشتاور مغناطیسی القایی در خلاف جهت میدان خارجی می‌شوند و آن را تضعیف می‌کند. پذیرفتاری مغناطیسی χ چنین موادی منفی و خیلی کم است. خاصیت دیامغناطیس ظاهراً در تمام انواع مواد یافت می‌شود، اما اثر آن غالباً به وسیله‌ی آثار قویتر پارامغناطیس یا فرومغناطیس که می‌توانند با این خاصیت همراه باشند، مخفی می‌شود. خاصیت دیامغناطیسی خصوصاً در موادی بارز است که کلاً اتمها یا یونهایی با پوسته‌های بسته‌ی الکترونی تشکیل شده باشند، زیرا در این مواد تمام تأثیرات پارامغناطیسی حذف می‌شوند.
2-4-2-2 مواد پارامغناطیسمواد پارامغناطیس، موادی هستند که برخی از اتمها یا تمامی آن‌ها گشتاور دو قطبی دائمی دارند، به عبارت دیگر گشتاور دو قطبی در غیاب میدان مغناطیسی، غیرصفر است. این دو قطبیهای دائمی رفتاری مستقل از هم داشته که در نهایت جهت‌گیری تصادفی دارند و در میدان‌های کوچک رقابتی بین اثر هم‌خط‌سازی میدان و بی‌نظمی گرمایی وجود دارد، اما به طور متوسط تعداد گشتاورهای موازی با میدان بیشتر از گشتاورهای پادموازی با میدان است. پذیرفتاری در این مواد مثبت است و با افزایش دما، که در اثر آن بی‌نظمی گرمایی زیاد می‌شود، کاهش مییابد. منگنز، پلاتین، آلومینیوم، فلزخاکی قلیایی و قلیایی خاکی، اکسیژن و اکسید ازت از جمله مواد پارامغناطیس‌اند.
2-4-2-3 مواد فرومغناطیس
در برخی از مواد مغناطیسی، گشتاورهای مغناطیسی کوچک به طور خودبهخود با گشتاورهای مجاور خود هم‌خط می‌شوند. اینگونه مواد را فرومغناطیس می‌نامند. در عمل، همه‌ی حوزه‌های مغناطیسی در یک ماده‌ی مغناطیسی در یک راستا قرار ندارند، بلکه این مواد از حوزه‌های بسیار کوچکی با ابعاد خیلی کمتر از میلیمتر تشکیل شده‌اند، به طوری که گشتاورهای مغناطیسی هر حوزه با حوزه‌های مجاور آن تفاوت دارد.
ممکن است سمتگیری و اندازه‌ی حوزه‌های مغناطیسی در یک ماده‌ی فرو مغناطیس به گونه‌ای باشد که در کل اثر یکدیگر را خنثی کنند و ماده در مجموع فاقد مغناطش است. اعمال میدان مغناطیسی خارجی بر حوزه‌های مغناطیسی سبب می‌شود که گشتاورهای مغناطیسی هر حوزه تحت تأثیر میدان قرار گرفته و جهت آن‌ها در جهت میدان خارجی متمایل شود. علاوه بر این حوزههایی که با میدان همسویند، رشد میکنند، یعنی حجم آن‌ها زیاد می‌شود و در نتیجه، حوزه‌هایی که سمتگیری آن‌ها نسبت به میدان مناسب نیست کوچک می‌شوند، مرز بین این حوزه‌ها جابجا می‌شود و در نتیجه ماده در مجموع خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کند . پذیرفتاری مغناطیسی این مواد مثبت است. آهن، کبالت، نیکل و چندین عنصر قلیایی خاکی جز فرومغناطیس‌ها می‌باشند [23].
مواد فرومغناطیس دارای چند مشخصه‌ی اصلی به صورت زیر می‌باشند:
الف) مغناطش خودبه‌خودی و مغناطش در حضور میدان
ب) حساسیت مغناطش به دما
ج) مغناطش اشباع
د) منحنی پسماند
2-4-2-4 مواد پادفرومغناطیس
در مواد پادفرومغناطیس گشتاورهای مغناطیسی مجاور به صورت موازی، برابر و غیرهم راستا جهتگیری
می‌کنند. این مواد در غیاب میدان مغناطیسی دارای گشتاور صفرند. کروم و اکسیدهای آن ، جز مواد پادفرومغناطیس می‌باشند. چنین موادی معمولاً در دماهای پایین پادفرومغناطیساند. با افزایش دما ساختار نواحی مغناطیسی شکسته شده و ماده پارامغناطیسی می‌شود. این رفتار در مواد فرومغناطیس نیز اتفاق می‌افتد به این ترتیب که در این مواد پذیرفتاری مغناطیسی مواد مغناطیسی با افزایش دما به تدریج کاهش می‌یابد تا زمانی که ماده پادفرومغناطیس شود .
پذیرفتاری مغناطیسی این مواد عدد مثبت بسیار کوچک و نزدیک به صفر است. به دمایی که در آن ماده از حالت پادفرومغناطیس به فرومغناطیس گذار می‌کند، دمای نیل می‌گویند.
χ= CT+TN
که C ثابت کوری و TN دمای نیل است.
2-4-2-5 مواد فریمغناطیس
فریمغناطیس شکل خاصی از پادفرومغناطیس است که در آن گشتاورهای مغناطیسی در جهت موازی و عکس یکدیگر قرار گرفته‌اند، اما با یکدیگر برابر نیستند و به صورت کامل یکدیگر را حذف نمی‌کنند. در مقیاس ماکروسکوپی، مواد فریمغناطیس همانند فرومغناطیس بوده و دارای مغناطش خودبه‌خودی در زیر دمای کوری بوده و دارای منحنی پسماند می‌باشند[23و24]. شکل 2-2 فازهای مغناطیسی را نشان می‌دهد.

شکل 2-2 فازهای مغناطیسی، الف) پارامغناطیس، ب) فرومغناطیس، ج) پادفرومغناطیس، د) فری مغناطیس [24].
دو خاصیت مهم و کلیدی مواد مغناطیسی دمای کوری و هیستروسیس مغناطیسی است. جفت شدگی ‏تبادلی و بنابراین انرژی تبادلی هیسنبرگ مستقیماً با دمای کوری ‏‎(Tc)‎‏ مواد فرو و فریمغناطیس در ‏ارتباط است. در کمتر از دمای ‏Tc، ممان مغناطیسی همان جهت بلوروگرافی ویژه‌ی محور صفر این ‏مواد است. این محور در ‏نتیجه‌ی جفت‌شدگی این اسپین الکترون و ممنتوم زاویهای اوربیتال الکترون ایجاد می‌شود.
‏از آنجایی که مواد فرومغناطیسی مواد جالبی بر حسب کاربردهایشان هستند، خواص آن‌ها باید به ‏طور کمی اندازه‌گیری شود و حلقهی پسماند خواص مغناطیسی جالبی را در این مواد آشکار ‏می‌کند. یک حلقه‌ی پسماند را می‌توان با قراردادن نمونه در یک مغناطیس‌سنج و پاسخ ماده ‏‎(M,)‎‏ ‏به میدان مغناطیسی اعمالی ‏‎(H)‎‏ اندازه‌گیری کرد. چندین کمیت ممکن است از روی حلقه‌ی پسماند ‏به‌دست آید. ‏
اشباع مغناطیسی ‏‎(Ms)‎‏ یا اشباع مغناطیسی ویژه (‏s‏) مواردی‌اند که مقدار مغناطیسشدگی را وقتی ‏که همه دوقطبی‌ها در جهت میدان مغناطیسی اعمالی مرتب شده‌اند نشان می‌دهد.‏
مغناطیس باقیمانده ‏‎(Mr)‎‏ مغناطیسشدگی نمونه در میدان مغناطیسی صفر است و نیروی ‏بازدارندگی ‏‎(Hc)‎، نیرویی از میدان مغناطیسی است که برای تغییر مغناطیسشدگی باقیمانده نیاز است. ‏تغییر بایاس میدان ‏‎(HE)‎، مقدار جابجایی از مرکز حلقهی پسماند را نشان می‌دهد.‏
2-4-5 حلقه پسماندوقتی به یک ماده مغناطیسی، میدان مغناطیسی اعمال شود، مغناطش محیط سریع افزایش می‌یابد، با افزایش مقدار میدان اعمالی، شتاب افزایش و مغناطش کاهش می‌یابد، این کاهش شتاب ادامه می‌یابد تا مغناطش به مقدار اشباع خود Ms برسد [25].
تغییرات مغناطش مواد مغناطیسی در هنگام کاهش میدان، از رفتار قبلی خود تبعیت نمی‌کند، بلکه به خاطر ناهمسانگردی مغناطیسی در محیط، مقداری انرژی را در خود ذخیره می‌کنند. بنابراین وقتی میدان اعمالی در محیط صفر شود، مغناطش در ماده صفر نشده و دارای مقدار خاصی است که به آن مغناطش پسماند Mr گفته می‌شود. با کاهش بیشتر میدان به سمت مقادیر منفی، خاصیت مغناطیسی القا شده به تدریج کاهش می‌یابد و با رسیدن شدت میدان به یک مقدار منفی خواص مغناطیسی ماده کاملا از بین می‌رود. این میدان مغناطیس‌زدا را با Hc نشان می‌دهند و به نیروی ضد پسماند یا وادارندگی مغناطیسی معروف است. پسماند یا نیروی وادارنده عبارتست از میدان معکوسی که برای کاهش مغناطش به صفر نیاز است. با کاهش بیشتر شدت میدان، القای مغناطیسی منفی می‌شود و در نهایت به مقادیر اشباع منفی خود می‌تواند برسد. افزایش مجدد شدت میدان به سمت مقادیر مثبت، حلقه پسماند را مطابق شکل 2-3 کامل می‌کند. مغناطیس‌های دائمی غالبا در ربع دوم حلقه پسماند خود، مورد استفاده قرار می‌گیرند [26].

شکل 23 حلقه پسماند ماده فرو مغناطیس [26].
مواد مغناطیسی از نظر رفتار آن‌ها در میدان مغناطیس دو گروه تقسیم می‌شوند:
الف) مواد مغناطیس نرم
مواد مغناطیسی نرم با اعمال میدان مغناطیسی کوچک به راحتی مغناطیده می‌شود و با قطع میدان سریعاً گشتاور مغناطیسی خود را از دست می‌دهند. به عبارتی این مواد دارای نیروی وادارندگی پایین، اشباع مغناطیسی بالا و گشتاور پسماند پایین هستند.
مواد مغناطیس نرم در جاهایی که به تغییر سریع گشتاور مغناطیسی با اعمال میدان مغناطیسی کوچک نیاز است مانند موتورها، حسگرها، القاگرها و فیلترهای صوتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ب) مواد مغناطیس سخت
مواد مغناطیس سخت موادی‌اند که به راحتی مواد مغناطیس نرم، مغناطیده نمی‌شوند و به میدان مغناطیسی اعمالی بزرگ‌تری جهت مغناطیده کردن آن‌ها نیاز است. این مواد گشتاور مغناطیسی را تا مدت‌ها پس از قطع میدان حفظ می‌کنند. همچنین دارای اشباع مغناطیسی، گشتاور پسماند و نیروی وادارندگی بالایی هستند. ساخت یا پخت این مواد در میدان مغناطیسی، ناهمسانگردی مغناطیسی را در این مواد افزایش می‌دهد که حرکت دیواره حوزه‌ها را سخت‌تر می‌کند و نیروی وادارندگی را افزایش می‌دهد. این امر می‌تواند تولید مادهی سخت مغناطیسی بهتری را تضمین کند. کاربرد این مواد در آهن‌رباهای دائمی و حافظه‌های مغناطیسی است [26].

شکل 24 حلقه پسماند در مواد فرومغناطیس نرم و سخت[26].
2-5 فریتفریت به آن دسته از مواد مغناطیسی اطلاق می‌شود که جزء اصلی تشکیل دهندهی آن‌ها اکسید آهن است و دارای خاصیت فریمغناطیس می باشند (آرایشی از فرومغناطیس) و پارامترهای مغناطیسی مطلوبی نظیر ضریب نفوذپذیری مغناطیسی بالا از جمله اصلی‌ترین خصیصه‌های آن‌ها به شمار می‌رود. بدین جهت کاربردهای بسیار وسیعی را در زمینه صنایع برق، الکترونیک، مخابرات، کامپیوتر و… به خود اختصاص داده‌اند.
یکی از انواع فریت‌ها نوع اسپینلی آن است، فریت‌های اسپینلی با فرمول عمومی 2-o2+A3+B که در آن 2+A و 3+B به ترتیب کاتیون‌های دو و سه ظرفیتی می‌یاشند.
فریت‌ها دارای خاصیت فریمغناطیس می‌باشند نظم مغناطیسی موجود در فریمغناطیس‌ها ناشی از برهم‌کنش‌های دو قطبی‌های مغناطیسی نیست بلکه ناشی از برهم‌کنش تبادلی است در برهمکنش تبادلی هم‌پوشانی اوربیتال‌های اتمی مد نظر می‌باشد در فریت‌ها برهم‌کنش تبادلی ناشی از هم‌پوشانی الکترون‌های اوربیتال d3 یون‌های A و B و الکترون‌های اوربیتالP 2 یون‌‎های اکسیژن است. و قدرت این بر‌هم‌کنش تبادلی است که خاصیت مغناطیسی نمونه را رقم می‌زند.
2-6 خلاصهدر این فصل به شیمی آئروژل و دو روش بالا به پایین و پایین به بالای تولید نانوذرات اشاره شد. سپس خاصیت مغناطیسی مواد و فاز‌های مغناطیسی ممکن برای مواد مغناطیسی بررسی شد. پس از آن توضیح کوتاهی در مورد حلقهی پسماند و موارد قابل اندازه‌گیری از آن گفته شد و در نهایت مختصری از مواد فریتی بیان گردید.
فصل سومساخت آئروژل و کاربردهای آن19509215088990
مقدمهسیلیکا آئروژل‌ها به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد، هم در علم و هم در تکنولوژی توجه زیادی را به خود اختصاص داده‌اند. آئروژل‌ها از پیشماده مولکولی با روش‌های مختلف و تکنیک‌های خشک کردن متفاوت برای جایگزینی منافذ مایع با گاز همراه با حفظ شبکهی جامد، تهیه می‌شوند. [27]
علی‌رغم تمامی تلاش‌های قابل توجهی که در این زمینه صورت گرفته است، چالش‌های اصلی تحت کنترل عوامل یکنواختی(همگنی)، بارگذاری، اندازه و توزیع نانوذرات در شبکه‌ی میزبان آلی باقی ماندهاست، در عوض این شبکه‌ی میزبان به طور مستقیم ویژگی‌های الکتریکی، نوری، مغناطیسی و کاتالیزوری مواد نانوکامپوزیت را حفظ می‌کند.
3-1 سنتز آئروژل با فرآیند سل-ژلتفاوت در ویژگی‌های شیمیایی پیش‌ماده‌ها برای فاز نانو (معمولاً نمک فلزی) و برای ماتریس آلی (عموماً الکوکسید‌ها) موضوع مهمی هستند، چرا که پارامترهای فرآیند سل-ژل بر روی هیدرولیز و چگالش هر کدام از این پیشماده‌ها تأثیر متفاوتی دارد [28]. هر چند این موضوع مساله‌ی مهمی در طراحی هر نانوکامپوزیت سل-ژل است اما در رابطه با آئروژل‌ها حیاتی‌تر می‌باشد، زیرا نیازمند جایگزین شدن حلال موجود در ژل (معمولاً اتانول یا متانول در الکوژل و آب در آکوژل) با تغییر حلال و در نهایت حذف کردن به وسیلهی استخراج حلال فوق بحرانی است. مرحله خشک کردن فوق بحرانی، بسته به این که الکل یا کربن دی اکسید به صورت فوق بحرانی تخلیه شود (به ترتیب نیازمند حرارتی در حدود 350 و 40 درجهی سانتیگراد است). این مرحله مسائل دیگری درباره حلالیت پیشماده‌ها و پایداری حرارتی در شرایط خشک کردن فوق بحرانی را مطرح می‌کند [29]. استراتژی‌های مختلف اتخاذ شده برای سنتر نانوکامپوزیت‌های آئروژل، بسته به اینکه فاز نانو (یا پیش‌مادهی آن) در حین یا بعد از فرآیند سل-ژل اضافه شود، دو رویکرد کلی دارند.
روش اول شامل هیدرولیز و ژل شدن نانوذرات و ماتریس پیشماده و ژل شدن ماتریس پیش‌ماده به همراه شکل‌گیری نانوذرات است. مزیت این روش تولید موادی با بارگذاری نانوذرات قابل کنترل است. از طرفی، چندین اشکال در مورد آن مطرح است. برای بهدست آوردن ژل دارای چند ترکیب همگن شرایط سنتز باید به صورت دقیق انتخاب شود و پیشماده‌های نانوذرات و همچنین عوامل پوشش دهی موردنیاز در شکل‌گیری نانوذرات کلوئیدی ممکن است بر سنتز سل-ژل ماتریس تأثیر بگذارد.
روش دوم شامل روش‌های مبتنی بر اضافه کردن فاز نانو بعد از فرآیند سل-ژل است و باید ساختار متخلخل و مورفولوژی ماتریس را حفظ کند. این روش‌ها شامل تلقیح فاز نانو با اشباع، ته‌نشینی و روش رسوبگذاری بخار شیمیایی می‌باشد. طرح‌واره روش‌های مختلف برای شیمی سنتز نانوکامپوزیت آئروژل در شکل 3-1 نشان داده شده است.
هرچند این روشها نیز دارای دو اشکال عمده هستند: یکی همگنی ضعیف ترکیب نانوکامپوزیت تولیدشده، دیگری ترد و شکننده بودن آئروژل‌ها. اتصال فلز در یک ماتریس با گروه‌های هماهنگ اصلاح شده است و غوطه‌ور کردن الکوژل و آکوژل در محلول قبل از خشک کردن فوق بحرانی، به ترتیب به عنوان راهحلهایی برای غلبه بر کاستی‌های گفته شده است. رسوب نانوذرات از فاز بخار، بر خلاف روش‌های تلقیح مرطوب، ماتریس متخلخل را تغییر نمیدهد و تضمین میکند که فاز مهمان در سراسر ماتریس توزیع خواهد شد [30].

شکل 3-1 طرح‌واره‌ای از روش‌های مختلف برای شیمی سنتز نانوکامپوزیت [33].
3-2 شکل‌گیری ژل خیسژل‌های سیلیکا به طور عمومی با هیدرولیز و واکنش چگالش پیشماده سیلیکا به‌دست می‌آیند. ماتریس سیلیکای نهایی متخلخل است و حفره‌های ژل با حلال جانبی هیدرولیز و واکنش پلیمریزه شدن پر شده است. اگر ترکیب محلول بهتواند از ژل خیس بدون سقوط قابل ملاحظه ساختار خارج شود، آئروژل شکل می‌گیرد [31].
روش سل-ژل شامل یک یا چند پیشماده سیلیکون است که متداول‌ترین آن‌ها TEOS و TMOS می‌باشند و داراری چهار گروه الکوکسید شناخته شده در آرایش چهار وجهی در اطراف اتم سیلیکون مرکزی است. واکنش هیدرولیز در چهار جهت اتفاق می‌افتد و منجر به پیوند Si-O-Si می‌شود و یک مادهی کپهای که ترکیبی از 2SiO را می‌دهد. اگر یکی از شاخه‌های الکوکسید اتم سیلیکون توسط گروه عاملی مختلفی که قادر نیست تحت واکنش چگالش قرار گیرد، جایگزین شود گروه عاملی با پیوند کووالانسی به اتم سیلیکون درون ماتریس ژل باقی خواهد ماند. الکوکسیدهای فلزی به راحتی با آب واکنش می‌دهد و بر حسب میزان آب و حضور کاتالیست، عمل هیدرولیز ممکن است کامل انجام شود.
ملکول‌های شکلگرفته آلی-فلزی به مرور زمان بزرگ می‌شوند و به صورت یک ساختار پیوسته در داخل مایع در می‌آیند. این ساختار پیوسته که حالت الاستیک دارد، ژل گفته می‌شود [32].
به طور کلی شکل‌گیری محلول پایدار الکوکسید یا پیشماده‌های فلزی حل شده مرحله اول فرآیند تهیه آئروژل است. این محلول همگن به‌دست آمده در مرحله دوم به علت وجود آب هیدرولیز شده و سل یکنواختی را ایجاد می‌کند. در مرحله سوم واکنش بسپارش ادامه پیدا می‌کند تا سل به ژل تبدیل شود. این مرحله، پیرسازی نیز گفته می‌شود. پس از آن مرحلهی نهایی که خشک کردن است باقی می‌ماند.
3-3 خشک کردن آلکوژلبعد از شکل‌گیری ژل توسط هیدرولیز و واکنش چگالش، شبکه Si-O-Si شکل می‌گیرد. بخش پیرسازی به تشدید شبکه ژل اشاره دارد؛ ممکن است چگالش بیشتر، تجزیه، و ته‌نشینی ذرات سل یا تبدیل فاز داخل فاز جامد یا مایع صورت گیرد. این نتایج در یک جامد متخلخل که حلال در آن گیر افتاده است اتفاق می‌افتد. فرآیند حذف حلال اصلی از ژل (که معمولاً آب و الکل است) را خشککردن می‌گویند. در طول فرآیند خشککردن، ترکخوردگی اتفاق می‌افتد به این دلیل که نیروی مویینگی در گذار مایع-گاز در داخل منافذ ریز وجود دارد. معادله لاپلاس در اینجا به کار می‌رود، هر چه شعاع مویینگی کوچک‌تر باشد، ارتفاع مایع بیشتر و فشار هیدروستاتیک بالاتر خواهد بود. هنگامی که انرژی سطح باعث بالا رفتن ستون مایع داخل مویرگ‌ها می‌شود، مقدار فشار سطحی داخل مویرگ قابل محاسبه است.
قطر حفره در ژل از مرتبهی نانومتر است، به طوری که مایع ژل فشار هیدروستاتیک بالایی را باید اعمال کند. هلال داخل حفره‌ها و نیروهای کشش سطحی سعی می‌کند تا ذرات را به عنوان مایع در حفره‌ها تبخیر کند. این نیروها می‌توانند به گونه‌ای عمل کنند که باعث سقوط حفره و ساختار شوند. بنابراین ژل‌ها با حفره‌های ریز زیاد تمایل به انقباض و ترک خوردن دارند [33]. سل ژلهایی که شیمی سطح آن‌ها اصلاح نشده (شکل3-2) و در شرایط محیط خشک شدند به علت این فروپاشی منافذ تا حدود یک هشتم حجم اولیهی خود کوچک میشوند؛ ماده حاصل زیروژل نامیده میشود. اگر این فرآیند خشککردن به آرامی رخ دهد، زیروژل یکپارچه سالم میتواند تولید شود. اما برای تولید یک آئروژل، باید از عبور از مرز فاز بخار-مایع اجتناب کرد.

شکل 3-2 اصلاح شیمی سطح ژل [34].
روشهای کنونی برای پرهیز از فروپاشی منافذ درساخت آئروژل را میتوان در سه تکنیک کلی دستهبندی کرد. هرکدام از این تکنیکها طراحی شدهاند تا نیروهای مویینگی ناشی از اثرات کشش سطحی را کاسته و یا حذف نمایند. این تکنیکها الف) خشک کردن در شرایط محیط پس از اصلاح سطح، ب) خشک کردن انجمادی و ج) خشک کردن فوق بحرانی است [34]. توضیح کلی درباره هرکدام از این تکنیکها در ادامه آمده است.
3-3-1 فرآیند‌های خشککردن در شرایط محیطاین تکنیکهای خشک کردن طراحی شدهاند تا ژل خیس را در فشار محیط خشک کنند. این روشها نیازمند فرآیندهای شیمیایی با تعویض طولانی مدت حلال برای کاهش نیروهای مویینگی وارد بر نانوساختار یا برای افزایش توانایی نانوساختار در تحمل این نیروهاست (یا با قویتر کردن ساختار و یا با منعطف‌تر ساختن آن). تغییر شیمی سطح ژل خیس بر پایه TEOS برای ارتقاع انقباض قابل برگشت با استفاده از تبادل حلال با هگزان به وسیله اصلاح سطح با فرآیند کاهش گروه سیلانولی با TMCS [35و36]. همچنین استفاده از پیری ژل در محلول الکل یا الکوکسید برای سفت شدن میکرو ساختار به منظور جلوگیری از فروپاشی منافذ است [37]. به علاوه ترکیبکردن شاخه‌های متقاطع سیلیکا آئروژل است که می‌تواند نیروهای مویینگی در حین خشک کردن تحت فشار محیط را تحمل نماید [38].
3-3-2 خشککردن انجمادیخشککردن انجمادی یک ژل خیس منجر به تولید کریوژل میشود. خشککردن انجمادی باعث تولید پودر آئروژل کدر می‌شود [39]. این تکنیک حلال اضافی را با تصعید حذف میکند. ژل خیس منجمد میشود و سپس حلال در فشار پایین تصعید میشود [40]. میکروبلور‌های منجمد که حین فرآیند خشککردن انجمادی شکل می‌گیرند منجر به آئروژل‌های ماکروحفره‌تری در مقایسه با روش استخراج فوق بحرانی میشوند [41].
3-3-3 خشک کردن فوق بحرانیروشهای استخراج فوق بحرانی از مرز بین مایع و بخار با بردن حلال به بالاتر از نقطه فوق بحرانی آن اجتناب می‌کند و سپس از ماتریس سل-ژل به عنوان یک مایع فوق بحرانی حذف می‌شود. در این حالت هیچ مرز مایع-بخاری وجود ندارد، بنابراین هیچ فشار مویینگی دیده نمی‌شود. شکل 3-3 چرخه فشار-دما در طول فرآیند فوق بحرانی را نشان می‌دهد. در عمل انواع متعددی از روشهای استخراج فوق بحرانی وجود دارد که شامل تکنیک‌هایی با دمای بالا، دمای پایین و سریع است.

شکل 3-3 چرخه فشار-دما در حین فرآیند خشک کردن فوق بحرانی [42].
تکنیک‌های استخراج فوق بحرانی الکل دمای بالا، ژل خیس را به حالت فوق بحرانی حلال (معمولاً متانول یا اتانول) در یک اتوکلاو و یا هر مخزن فشار دیگری می‌برد. این مستلزم فشارهای بالا حدود Mpa 8 و دماهای بالا حدود 260 درجهی سانتیگراد می‌باشد [42]. شکل 3-4 شماتیکی از دستگاه خشککن فوق بحرانی اتوکلاو را نشان می‌دهد.

شکل 3-4 شماتیکی از دستگاه خشک کن فوق بحرانی اتوکلاو [42].
تکنیکهای استخراج فوق بحرانی دمای پایین بر اساس استخراج 2CO است که دمای نقطه بحرانی پایین‌تری نسبت به مخلوط الکل باقیمانده در منافذ سل-ژل بعد از پلیمریزاسیون دارد. این روش به تبادل حلال به طور سری نیازمند است، ابتدا حلال غیرقطبی و سپس با کربن دیاکسید مایع پیش از استخراج فوق بحرانی که می‌تواند در نقطه فوق بحرانی 2CO اتفاق بیافتد [43]. مزایای این تکنیک دمای بحرانی پایین‌تر و حلال پایدارتر است؛ هرچند مراحل اضافه شده به فرآیند سبب طولانی‌تر شدن زمان آمادهسازی آئروژل می‌شود. از آنجائیکه فشار بحرانی مورد نیاز نسبت به روشهای فوق بحرانی دما بالا تغییری چندانی ندارد (فشار بحرانی 2CO مشابه متانول و اتانول است)، این فرآیند نیز نیاز به استفاده از مخازن فشار دارد. به علاوه روند انتشار تبادل حلال وابسته به اندازهی ژل است.
تکنیکهای استخراج فوق بحرانی سریع از یک قالب محدود استفاده می‌کند، چه در مخزن فشار و چه در یک فشار داغ هیدرولیک قرار بگیرند. این تکنیکها فرآیندهای تک مرحله‌ای پیش‌ماده به آئروژل هستند و آئروژل را در کمتر از 3 ساعت بهدست می‌آورند. در این روش پیشماده‌های شیمیایی مایع و کاتالیست در یک قالب دو قسمتی ریخته می‌شوند سپس به سرعت گرم می‌شوند [44]. در ابتدا فشار با بستن دو بخش قالب با هم یا با اعمال فشار هیدروستاتیکی خارجی به جای مخازن فشار بزرگ‌تر یا با ترکیبی از این دو تنظیم می‌شود. زمانیکه نقطه فوق بحرانی الکل فرارسید، اجازه داده میشود تا مایع فوق بحرانی خارج شود [45]. برای مثال گوتیه و همکارانش [46] در روند انجام این فرآیند از یک فشار داغ هیدرولیکی برای مهروموم کردن و گرم کردن قالب حاوی مخلوط پیشماده آئروژل استفاده کردند. مخلوط مایع از پیشماده‌های آئروژل در یک قالب فلزی ریخته شد و سپس در فشار داغ قرار گرفت. در طول اجرا، فشار داغ برای مهروموم کردن ترکیب به جای قالب استفاده شد و یک نیروی باز دارندهی فشاری را فراهم کرد. سپس قالب و مخلوط به بالای دما و فشار فوق بحرانی متانول برده شد. در مدت زمان این فرآیند گرم کردن، پیشمادههای آئروژل واکنش نشان داده و یک ژل خیس نانوساختاری متخلخل را تشکیل داد. زمانیکه به حالت بحرانی رسید، فشار کاهش داده شد و مایع فوق بحرانی رها شد.
3-3-4 مقایسه روش‌هاهر یک از روش‌های ساخت آئروژل شرح داده شده در بالا، نقاط قوت و محدودیت‌هایی دارند. مقایسه مستقیم تکنیک‌های مختلف خشک کردن به علت دستورالعمل‌های پیشماده متفاوت، شرایط ژل شدن مختلف، و زمان پیر سازی، به خوبی روش‌های استخراج متفاوت هستند. برای مثال خشککردن فوق بحرانی دما پایین نیاز به زمان پیرسازی کافی دارد، به طوری که ژل‌ها می‌توانند از ظرف اولیه برای استخراج و تبادل حلال خارج شوند.
در فرآیند خشککردن سریع، عموما زمان پیرسازی کوتاه است؛ گرچه، دمای بالا در این فرآیند اثر مشخصی را روی روند واکنش چگالش دارد.
مزیت اصلی تکنیک‌های خشک کردن در فشار محیط، عدم نیاز به تجهیزات فشار بالا می باشد که گران قیمت و به طور بالقوه خطرناک است؛ اگرچه به مراحل پردازش چندگانه با تبادل حلال نیاز دارند. تا به حال مطالعات اندکی در رابطه با استفاده از روش‌های خشککردن انجمادی شده است. این تکنیک‌ها نیاز به تجهیزات خاصی برای رسیدن به دمای پایین لازم برای تصعید حلال و منجر شدن به پودر آئروژل، دارند.
محدودیت اصلی تکنیکهای فوق بحرانی دما بالا، رسیدن به دماهای بالای مورد نیاز برای دست یافتن به نقطه بحرانی حلال الکل و نیز ملاحظات ایمنی در بکار بردن مخزن فشار در این شرایط است.
روش استخراج دما پایین به طور گسترده در تولید آئروژل‌های یکپارچه کوچک تا بسیار بزرگ استفاده شده است، اگرچه می‌تواند روزها تا هفته‌ها تولید آن طول بکشد و مراحل چندگانه تبادل حلال مورد نیاز، آن را تبدیل به فرآیندی پیچیده کند و اتلاف قابل ملاحظه‌ای از حلال و 2CO ایجاد می‌کند. تکنیک‌های خشککردن سریع ساده‌تر و سریع‌تر است. تمامی فرآیند، بر خلاف مراحل چندگانه و مقیاس‌های زمانی در ابعاد روزها و ماهها در سایر روش‌ها، در یک مرحله انجام شده و می‌تواند در چند ساعت تکمیل شود. همچنین این روش‌ها اتلاف کمتری را به وجود می‌آورند. یک ایراد روش‌های خشککردن سریع، نیاز به دما و فشار بالاست [47].
3-4 مروری بر کارهای انجام شدهاگرچه میدانیم که این گزارش‌های جامعی از مقالات مرتبط با نانوکامپوزیت‌های آئروژل نیست، اما تأکید بر این مطلب است که چگونه ترکیب نانوذرات ممکن است احتمال استفاده از آئروژل‌ها را به عنوان مواد جدید افزایش دهد و چگونه مسیر آماده سازی مورد اطمینان برای به‌دست آوردن نانوکامپوزیت‌های آئروژل برای کاربرد خاص را انتخاب نماییم.
پس از آنکه کیستلر در سال 1931 برای اولین بار بدون درهم شکستن ساختار ژل، فاز مایع را از آن جدا کرد، در سال 1938 به مطالعه روی رسانایی گرمایی آئروژل و در سال 1943 درباره سطح ویژه آن‌ها به مطالعه پرداخت [48]. بعد از آن حدود نیمقرن دانشمندان علاقه‌ای به آئروژل‌ها نشان ندادند تا در اویل 1980 آئروژل به عرصه پژوهش بازگشت.
در سال 1992تیلسون و هاربش از TEOS به عنوان پیشمادهی سیلیکا ژل استفاده کردند و از میکروسکوپ الکترونی روبشی برای مشخصه‌یابی آن‌ها استفاده نمودند [49] و سپس هر ساله تحقیقات زیادی روی آئروژل‌ها صورت می‌گیرد.
در سال 2001 کاساس و همکارانش نانوکامپوزیت مغناطیسی را با ورود ذرات اکسید آهن در سیلیکا آئروژل میزبان سنتز کردند. این سنتز که به روش سل-ژل و با خشککردن فوق بحرانی متانول انجام شد، دو نمک آهن استفاده شد: O2H9.(3ON)Fe و O2H2.(EDTA)FeNa. در این پژوهش ارتباط واضحی بین پیشماده، آب و تخلخل و سطح ویژه آئروژل حاصل وجود داشت. استفاده از ترکیب EDTA به عنوان پیش‌مادهی نانوذرات، قطر میانگین حفره‌ها را افزایش داد، گرچه قابلیت حل پایین نمک EDTA در محلول یک مانع بزرگ برای رسیدن به آهن در این روش بود. مساحت سطح ویژه‌ی نمونه‌های کاساس بین /g2m 200 و /g2m 619 بهدست آمد و برخی نمونه‌ها رفتار پارامغناطیس و برخی دیگر رفتار مغناطیس نرم از خود نشان دادند [50].
در سال 2002 واگنر و همکارانش ذرات سیلیکا با هستهی مغناطیسی را با روش ته‌نشینی به‌دست آوردند [51]. و چند سال بعد در سال 2006 ژانگ و همکارانش ذرات پوسته‌ای هسته‌دار را با روش سل-ژل تهیه کردند. این ذرات شامل هستهی مغناطیسی فریت کبالت و پوستهی سیلیکا بودند که از TEOS به عنوان پیشمادهی سیلیکا استفاده کردند. پس از آنکه ژل‌ها به‌دست آمدند، در 110 درجهی سانتیگراد برای 4 ساعت در خلاء خشک شدند زیرا اگر در هوا خشک شوند احتمال ته‌نشینی بلور‌های اکسید وجود داشت. سپس به مدت 2 ساعت در دماهای مختلف برای به‌دست آوردن نانو بلور پراکنده در ماتریس سیلیکا حرارت داده شد. برای نمونه‌ی آن‌ها شکل‌گیری فاز فریت کبالت در دمای 800 درجهی سانتیگرادکامل شد و خوشه‌های فریت کبالت به سمت نانو بلوری شدن پیش رفتند، زمانی که برهم‌کنش بین خوشه‌های فریت کبالت با ماتریس سیلیکا شکسته شد پیوندهای Si-O-Fe ناپدید شدند. بر طبق گزارش آن‌ها اشباع مغناطیسی نانوکامپوزیت‌ها با افزایش غلظت بیشتر فریت در ماتریس افزایش یافت تا مقدار بیشینه emu/g 98/66 برای نمونه با نسبت مولی 1:1 (wt% 80 فریت کبالت) به‌دست آمد [52].
سیلوا و همکارانش در سال 2007 کامپوزیت ذرات فریت کبالت پخش شده در ماتریس سیلیکا را به روش سل-ژل تهیه کردند. آن‌ها از TEOS به عنوان پیشماده سیلیکا و از نیترات به عنوان پیش‌ماده فریت استفاده کردند. پس از گذشت زمان پیرسازی، نمونه برای 12 ساعت در 110 درجهی سانتیگراد خشک شدند و ذرات فریت کبالت در ماتریس سیلیکا شکل گرفتند. پس از آن عملیات حرارتی برای 2 ساعت در دماهای 300، 500، 700 و 900 درجهی سانتیگراد انجام شد که باعث افزایش در اندازهی ذرات شد. رسوب ذرات خوشه‌ای فریت در دیواره‌های منافذ زیروژل با افزایش دما بیشتر شد و در دماهای بالاتر از 700 درجهی سانتیگراد بلورهای بزرگ‌تر کبالت داخل منافذ ماتریس شکل گرفتند و افزایش در مغناطش اشباع و پسماند مغناطیسی را باعث شدند [53].
در همان سال فرناندز و همکارانش نانو کامپوزیت سیلیکا آئروژل/ آهن اکسید را با فرآیند سل-ژل و تبخیر فوق بحرانی حلال سنتز کردند. آن‌ها نمونه‌ها با پیشماده‌های TEOS و TMOS را با تبخیر فوق بحرانی اتانول و متانول خشک کردند. ذرات مغناطیسی با اندازهی متوسط nm 6 با TEOS و متانول سنتز شدند در حالی که فری‌هیدرات‌ها از TMOS و اتانول به‌دست آمدند. بعضی نمونه‌های آن‌ها رفتار ابر پارامغناطیس از خود نشان دادند [54].
دو سال بعد ژنفا زی و همکارانش نانوذرات فریت کبالت را به روش هم‌نهشت شیمیایی و خشک شدن در هوا در دمای80 درجهی سانتیگراد تهیه کردند. اندازهی قطر نانوذرات سنتز شده nm 20 تا nm 30 بود و دمای کوری در فرآیند افزایش دما کمتر از فرآیند کاهش دما بود. مقدار اشباع مغناطیسی این ذرات emu/g 77/61 بهدست آمد که نسبت که مقدار کپه آن کوچک‌تر بود. در این پژوهش مقدار پایین نیروی وادارندگی به دو دلیل اتفاق می‌افتد: ذرات فریت ممکن است ساختار چند دامنه داشته باشند. شکل‌گیری چند دامنه‌ها و حرکت دیوارهای دامنه می‌تواند کاهش دامنه را نتیجه دهد. همچنین اگر اندازهی بحرانی ذرات [55] بهدست آمده بزرگ‌تر از قطر میانگین ذرات باشد، رفتار تک دامنه را از خود نشان می‌دهند. آن‌ها گزارش کردند که کاهش وادارندگی نمونه‌ها به رفتار وابسته به اندازهی ذرات بستگی دارد [56].
بلازینسکی و همکارانش در پژوهشی که در سال 2013 انجام دادند، سیلیکا آئروژل را با روش سل-ژل و فرآیند فوق بحرانی تهیه کردند. آن‌ها دریافتند که روش خشک کردن فوق بحرانی مؤثرترین روش برای بهدست آوردن بهترین ویژگی این محصولات است. بدین منظور آن‌ها دستگاه خشک کن فوق بحرانی را برای خود ساختند که فشار و دما به طور دستی تنظیم می‌شد و مرحله مهم در آمادهسازی سیلیکا آئروژل‌ها بود. به این ترتیب آن‌ها سیلیکا آئروژل‌های شفاف با مساحت سطح ویژه بالا به‌دست آوردند [57].
در گزارشی دیگر در سال 2014 ساجیا و همکارانش پودر آمورف فریت کبالت را به روش سل-ژل تهیه کردند و این روش را بهترین روش تهیه نانوذرات عنوان کردند. آن‌ها دریافتند که عملیات حرارتی برای تجزیه کامل مقدار مواد آلی و نیترات حاضر در پودر آمورف لازم است. در این فرآیند برای جلوگیری از ته‌نشینی یا رسوبگذاری این واکنش اسید سیتریک به آن اضافه کردند و سپس مراحل خشک کردن و عملیات حرارتی انجام شد. پارامترهای عملیات حرارتی، مرحله نهایی در آماده‌سازی نانوذرات فریت کبالت بودند که بررسی شدند. ساختار اسپینل در همهی نمونه‌های آن‌ها شکل گرفته بود و هنگامی که ذرات شروع به رشد کردند ناخالصی‌ها حذف شد. ویژگی مغناطیسی مرتبط با رفتار فریمغناطیس این نمونه‌ها مقدار emu/g 62 برای اشباع مغناطیسی را نشان می‌دهد [58].

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

در جدیدترین پژوهشی که دربارهی آمادهسازی و ارزیابی نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/فریت در سال 2014 صورت گرفته است، کاتاگر و همکارانش نانوذرات فریت را به روش ته‌نشینی آماده کردند و سپس TMOS را به آن اضافه نمودند. برای این کار آن‌ها O2H6. 2NiCl، O2H6. 3FeCl و 2ZnCl را با اضافه کردن آب مقطر حل کردند. PH محلول در رفلاکس 110 درجهی سانتیگراد به مدت 24 ساعت 13 تنظیم شده بود. با حذف NaOH که برای PH اضافه شده بود، و شستن مکرر با آب مقطر و اتانول نانوذرات نتیجه شدند. بعد از بهدست آمدن نانوذرات به طور مستقیم به TMOS اضافه شدند و 3NH و آب دیونیزه به عنوان کاتالیست برای تهیه سل همگن اضافه گردیدند. برای مرحله پیر سازی قالب‌های حاوی سل را در اتانول به مدت 2 ساعت و دمای 50 درجهی سانتیگراد پیرسازی کردند و در نهایت ژل خیس را با خشک کردن فوق بحرانی کربن دی اکسید بهدست آوردند. تحقیقات آن‌ها نشان داد که زمان ژل شدن با افزایش نسبت مولی اتانول/TMOS افزایش یافت. همچنین به دلیل کشش سطحی اتانول، نمونه‌ها منقبض می‌شوند یا ترک می‌خورند. نانوکامپوزیت به‌دست آمده ساختار اسکلت شبکه‌ی سه بعدی را حفظ کرد. مساحت سطح ویژه با افزایش مقدار فریت از /g2m 700 تا /g2m 300 تغییر کرد. به علاوه ویژگی مغناطیسی فریت در ساختار نانو کامپوزیت تغییر نکرد [59].
3-5 برخی از کاربردهای آئروژل3-5-1 آئروژل‌ها به عنوان کامپوزیتهمانطور که پیشمادهی الکوکسید سیلیکون برای شکل‌گیری شبکه‌ی ژل با اکسیدهای فلزی دیگر به اندازه‌ی کافی واکنشی است، مطالعات زیادی در زمینه سنتز سیلیکا آئروژل برای کاربردهای مختلف صورت گرفته است [1].
3-5-2 آئروژل‌ها به عنوان جاذبآئروژل‌های فوق آبگریز و انعطافپذیر برای در جذب حلال‌های معدنی و روغن‌ها سنتز شدند. ونکاتشوارا رائو و همکارانش چگالی جذب و واجذب سیلیکا آئروژل‌های فوق آبگریز را با استفاده از یازده حلال و سه روغن بررسی کردند [60].
3-5-3 آئروژل‌ها به عنوان حسگرآئروژل‌ها تخلخل بالا، حفره‌های در دسترس، و سطح در معرض بالا دارند. از این رو کاندیداهای خوبی برای استفاده به عنوان حسگر هستند.بر اساس مطالعه وانگ و همکارانش روی آئروژل لایه‌ی نازک نانوذرات سیلیکا آئروژل نشان داد که مقاومت الکتریکی به طور قابل ملاحظه‌ای با افزایش رطوبت کاهش یافت. زیروژل همان مواد حساسیت کم‌تری را نشان داد. آئروژل‌هایی که اصلاح سطح شدند در مقایسه با آئروژل‌های آب‌گریز کمتر تحت تأثیر رطوبت قرار گرفتند و می‌توانند به عنوان ضد زنگ و عوامل آب‌گریز مورد استفاده قرار بگیرند [61].
چن و همکارش آئروژل‌هایی را برای کاربرد حسگرهای زیستی مطالعه کردند. در مطالعه آن‌ها، آئروژل‌های مزوحفره به وسیله پلیمریزاسیون سل-ژل با یک مایع یونی به عنوان حلال تهیه کردند. نتایج نشان می‌دهدکه آئروژل آماده شده می‌تواند به عنوان یک بسترشناسایی برای اسید نوکلوئیدها به کار رود [62].
3-5-4 آئروژل به عنوان مواد با ثابت دی الکتریک پایینلایه نازک‌های آئروژل 2SiO توجه خاصی را به خود اختصاص داد، به دلیل ثابت دی الکتریک خیلی پایین، تخلخل و پایداری حرارتی بالا. پارک و همکارانش لایه نازک سیلیکا آئروژل را برای لایهی داخلی دی الکتریک مورد بررسی قرار دادند و ثابت دی الکتریک را تقریبا 9/1 اندازه‌گیری کردند. آن‌ها ثابت دی الکتریک بسیار پایین فیلم‌های آئروژل را برای لایهی داخلی مواد دی الکتریک تولید کردند. فیلم های سیلیکا آئروژل به ضخامت Å 9500، % 5/79 تخلخل، و ثابت دی الکتریک پایین 2 با روش فرآیند خشک کردن محیط با استفاده از n-هپتان به عنوان حلال خشک کن به‌دست آوردند [63].
3-5-5 آئروژل به عنوان کاتالیزورمساحت سطح ویژه‌ی بالای آئروژل‌ها منجر به کاربردهای زیادی می‌شود، از جمله جاذب شیمیایی برای پاکسازی نشتی. این ویژگی کاربرد زیادی را به عنوان کاتالیزور یا حامل کاتالیزور به همراه دارد. آئروژل‌ها در کاتالیست‌های همگن مناسب هستند، زمانی که واکنش‌دهنده‌ها هم در فاز مایع و هم در فاز گاز هستند [27].
3-5-6 آئروژل به عنوان ذخیره سازیتخلخل بالا و مساحت سطح زیاد سیلیکا آئروژل‌ها می‌تواند برای کاربردهایی مثل فیلترهای گازی، جذب رسانهای برای کنترل اتلاف، محصور سازی، ذخیره سوخت هیدروژن به کار رود. آئروژل‌ها می‌توانند در مقابل تنش گذار مایع/گاز مقاومت کنند زیرا بافت آنها در طول پخت تقویت شد به عنوان مثال در ذخیره سازی، انتقال مایعات چون سوخت موشک‌ها کار برد دارد. به علاوه وزن پایین آئروژل‌ها بزرگ‌ترین مزیت است که در سیستم حمل دارو به دلیل ویژگی زیست سازگار آن‌ها مورد استفاده است [64]. کربن آئروژل‌ها در ساخت الکتروشیمی ابر خازن دو لایه کوچک استفاده شد. ابر خازن‌های آئروژل مقاومت ظاهری پایینی در مقایسه با ابر خازن‌های معمولی دارد و می‌تواند جریان بالا را تولید یا جذب کند.
3-5-7 آئروژل‌ها به عنوان قالبفیلم‌های سیلیکا آئروژل برای سلول‌های خورشیدی رنگ حساس استفاده شدند. مساحت سطح ویژه‌ی فیلم‌های آئروژل روی فیلم‌های شیشه‌ای رسانا تهیه شدند. نشست لایه اتمی برای پوشش قالب آئروژل با ضخامت‌های مختلف 2TiO با دقت کمتر از نانومتر انجام شد. غشاء آئروژل پوشش داده شده با 2TiO در سلول خورشیدی رنگ حساس گنجانیده شد. طول نفوذ شارژ با افزایش ضخامت 2TiO افزایش یافت که منجر به افزایش جریان شد [65].
3-5-8 آئروژل به عنوان عایق گرماجدای از تخلخل بالا و چگالی پایین یکی از جذاب‌ترین ویژگی‌های آئروژل رسانندگی گرمایی پایین آن‌ها است، علاوه بر این، از یک شبکه‌ی سه بعدی با ذرات ریز متصل شده تشکیل شده‌اند. بنابراین انتقال گرما از میان بخش جامد آئروژل‌ها از طریق مسیر پر پیچ و خمی است. فضای اشغال نشده در یک جامد توسط آئروژل به طور معمول با هوا پر شده مگر آن که تحت خلاء مهروموم شده باشد. این گازها می‌توانند انرژی حرارتی را از طریق آئروژل انتقال دهند. حفره‌های آئروژل باز هستند و اجازه عبور گاز از میان مواد را می‌دهند [27].
3-5-9 آئروژل‌ها در کاربرد فضاییناسا از آئروژل‌ها برای به دام انداختن ذرات گرد و غبار روی فضاپیما استفاده کرد. ذرات در برخورد با جامد اسیر شده، گازها تبخیر می‌شوند و ذرات در آئروژل به دام می‌افتند [27].
جدول 3-1 کاربردهای مختلف آئروژل‌ها را به طور مختصر نشان می‌دهد.
3-6 خلاصهدر این فصل پس از مقدمه‌ی کوتاه، اندکی در مورد سنتز آئروژل با روش سل-ژل گفته شد. پس از آن فرآیند‌های لازم برای شکل‌گیری ژل بیان شد و سپس تکنیک‌های مختلف خشک کردن و شرایط لازم برای این کار با مختصری توضیح نوشته شد. بعد مروری کوتاه به برخی از تلاش‌های انجام شده در این زمینه داشتیم و در آخر برخی از کاربردهای مختلف آئروژل‌ها را با ذکر مثال درج شد.
جدول 3-1 کاربردهای مختلف آئروژل‌ها [27].
خاصیت ویژگی کاربرد
رسانایی الکتریکی بهترین جامد عایق
شفاف
مقاومت در برابر درجه حرارت بالا
سبک ساخت و ساز ساختمآن‌ها و عایقبندی لوازم خانگی
ذخیره سازی
ماشین، وسیله نقلیه فضایی
دستگاه‌های خورشیدی
چگالی/تخلخل سبک‌ترین جامد مصنوعی
سطح ویژه_ی بالا
کامپوزیت‌های چندگانه کاتالیزور
حسگر
ذخیرهی سوخت
تبادل یون
فیلترهای آلاینده‌های گازی
اهداف ICF
حامل رنگ‌دانه
قالب
اپتیکی شفافیت
شاخص بازتاب پایین
کامپوزیت‌های چندگانه اپتیک سبک وزن
آشکارسازهای چرنکوف
راهنماهای نوری
عایق صوتی سرعت صوت پایین اتاق‌های ضد صدا
تطبیق مقاومت ظاهری صوتی در التراسونیک
مکانیکی الاستیک
سبک جاذب انرژی
تله برای ذرات سرعت بالا
الکتریکی ثابت دی الکتریک پایین
قدرت دی الکتریک بالا
سطح ویژهی بالا دی الکتریک برای ICها
جدا کنندهی الکترودهای خلا
خازن
فصل چهارمسنتز و بررسی ویژگی‌های نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/نانوذرات فریت کبالت21434265186580مقدمهآئروژل‌ها کاندیدا‌های ایدهآلی برای طراحی نانوکامپوزیت‌های کاربردی تقویت شده با نانوذرات فلزی یا اکسید فلزی هستند. مساحت سطح ویژهی بالا با ساختار حفره‌ای، آئروژل‌ها را قادر می‌سازد تا به طور موثری میزبان نانوذرات ریز پراکندهشده باشند و این اطمینان را می‌دهد که نانوذرات در دسترس هستند.
راه گسترش آئروژل‌های کاربردی برای تهیهی مواد کاربردی خلاق از طریق طراحی نانوکامپوزیت‌ها است، به طوری که نانوذرات فلز یا اکسید فلز به داخل ماتریس آئروژل الحاق می‌شوند. با توجه به گسترش محدوده و قابلیت زیستی آئروژل‌ها، تهیه این نانوکامپوزیت‌ها برای جلوگیری از تجمع نانوبلورها و رشد از طریق ذرات بستر برای یک کاربرد خاص را فراهم می‌کند.
4-1 مواد مورد استفاده در پژوهش آلکوکسیدهای فلزی یک دسته از خانواده‌ی ترکیبات آلی فلزی میبا شند که شامل یک بنیان آلی چسبیده به یک عنصر فلزی یا شبهفلزی میباشند. تترا اتیل اورتو سیلیکات (TEOS) که دارای نماد شیمیایی 4)5H2Si(OC می‌باشد از جمله الکوکسیدهایی است که به عنوان پیشماده در سنتز سیلیکا آئروژل به کار می‌رود. در این پژوهش از TEOS به عنوان پیشماده سیلیکا ژل با جرم مولی g/mol 33/208 استفاده شد. متداول‌ترین آئروژل‌ها با بسپارش سل-ژل سیلیکا الکوکسید سنتز شدند [66]. نیترات آهن(ΙΙΙ) 9 آبه و نیترات کبالت(ΙΙ) 6 آبه به ترتیب با جرم مولی‌های g/mol 404 و g/mol 04/291 برای تهیه نانوذرات فریت کبالت به کار رفت. متانول و آب دیونیزه به عنوان حلال نیاز بود.
4-2 روش تجربی و جزئیاتدر ابتدا برای سه درصد وزنی مورد نظر میزان گرم و لیتر مورد نیاز هر ماده محاسبه شد که در جدول 1 نشان داده شدهاست. در همهی درصد وزنی‌ها نسبت نیترات آهن(ΙΙΙ) 9 آبه به نیترات کبالت(ΙΙ) 6 آبه 2 به 1 باقی ماند.
جدول 4-1 میزان گرم و لیتر مواد مورد نیاز.

user8290

4-10. آنالیز نمونه‌های الف)10%، ب) 15%و ج) 20% حرارت داده شده در دمای 600 درجه‌ی سانتی ‌گراد61
4-11. آنالیز نمونه‌های الف)10%، ب) 15%و ج) 20% حرارت داده شده در دمای 800 درجه‌ی سانتی ‌گراد62
4-12. طیف‌های جذبی FT-IR الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%.65
4-13. تصویر TEM یکی از نمونه‌ها67
4-14. نمودارهای لانگمیر الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%69
4-15. نمودارهای BET الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%71
4-16. جذب و واجذب الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%.72
4-17. حلقه پسماند نمونه‌ها قبل از عملیات حرارتی الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.74
4-18. حلقه پسماند نمونه‌ها بعد از عملیات حرارتی الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.75

فهرست جداول
عنوان صفحه
فصل سوم - ساخت آئروژل و کاربردهای آن
3-1. کاربردهای مختلف آئروژل‌ها48
TOC o "1-3" h z u
فصل چهارم - سنتز و بررسی ویژگی‌های نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/نانوذرات فریت کبالت
4-1. میزان گرم و لیتر مواد مورد نیاز51
4-2. نتایج حاصل از XRD63
لیست علایم و اختصارات
برونر، امت، تلر(Brunauer, Emmett, Teller) BET
پراش پرتو ایکس (X-Ray Diffraction) XRD
مغناطیسسنج نمونهی ارتعاشی (Vibrating Sample Magnetometer) VSM
میکروسکوپ الکترونی گسیل میدانی (Field Emission Scanning Electron Microscopy) FE-SEM
میکروسکوپ الکترونی عبوری (Transmission Electron Microscopy) TEM
آنگسترم (Angestrom) Å
اورستد (Oersted) Oe
نانومتر (Nanometer) nm
واحد مغناطیسی (Electromagnetic Units) emu
فصل اولمفاهیم اولیه1854668136024
مقدمهاز اواخر قرن بیستم دانشمندان تمرکز خود را بر فناوری نوینی معطوف کردند که به عقیده‌ی عده‌ای تحولی عظیم در زندگی بشر ایجاد می‌کند. این فناوری نوین که در رشته‌هایی همچون فیزیک، شیمی و مهندسی از اهمیت زیادی برخوردار است، نانوتکنولوژی نام دارد. می‌توان گفت که نانوفناوری رویکردی جدید در تمام علوم و رشته‌ها می‌باشد و این امکان را برای بشر به وجود آورده است تا با یک روش معین به مطالعه‌ی مواد در سطح اتمی و مولکولی و به سبک‌های مختلف به بازآرایی اتم‌ها و مولکول‌ها بپردازد.
در چند سال اخیر، چه در فیزیک تجربی و چه در فیزیک نظری، توجه قابل ملاحظه‌ای به مطالعه‌ی نانوساختارها با ابعاد کم شده است و از این ساختارها نه تنها برای درک مفاهیم پایه‌ای فیزیک بلکه برای طراحی تجهیزات و وسایلی در ابعاد نانومتر استفاده شدهاست. وقتی که ابعاد یک ماده از اندازه‌های بزرگ مانند متر و سانتیمتر به اندازه‌هایی در حدود یک دهم نانومتر یا کمتر کاهش می‌یابد، اثرات کوانتومی را می‌توان دید و این اثرات به مقدار زیاد خواص ماده را تحت الشعاع قرار می‌دهد. خواصی نظیر رنگ، استحکام، مقاومت، خوردگی یا ویژگی‌های نوری، مغناطیسی و الکتریکی ماده از جمله‌ی این خواص‌ می‌باشند [1].
1-1 شاخه‌های فناوری نانوتفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری‌های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری‌های دیگر بیان نماییم، می‌توانیم وجود عناصر پایه را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. اولین و مهمترین عنصر پایه نانو ذره است. نانوذره یک ذره‌ی میکروسکوپی است که حداقل طول یک بعد آن کمتر از ١٠٠ نانومتر است و میتوانند از مواد مختلفی تشکیل شوند، مانند نانوذرات فلزی، سرامیکی و نانوبلورها که زیر مجموعهای از نانوذرات هستند [ 3و 2]. دومین عنصر پایه نانوکپسول است که قطر آن در حد نانومتر می‌باشد. عنصر پایه‌ی بعدی نانولوله‌ها هستند که خواص الکتریکی مختلفی از خود نشان می‌دهند و شامل نانولوله‌های کربنی، نیترید بور و نانولوله‌های آلی می‌باشند [4].
1-2 روش‌های ساخت نانوساختارهاتولید و بهینهسازی مواد بسیار ریز، اساس بسیاری از تحقیقات و فناوری‌های امروزی است. دستورالعمل‌های مختلفی در خصوص تولید ذرات بسیار ریز در شرایط تعلیق وجود دارد ولی در خصوص انتشار و تشریح دقیق فرآیند رسوب‌گیری و روش‌های افزایش مقیاس این فرآیندها در مقیاس تجاری محدودیت وجود دارد. برای تولید این نوع مواد بسیار ریز از پدیده‌های فیزیکی یا شیمیایی یا به طور همزمان از هر دو استفاده می‌شود. برای تولید یک ذره با اندازه مشخص دو فرآیند اساسی وجود دارد، درهم شکستن) بالا به پایین) و دیگری ساخته شدن) پایین به بالا). معمولا روش‌های پائین به بالا ضایعاتی ندارند، هر چند الزاما این مسأله صادق نیست [6 و5]. مراحل مختلف تولید ذرات بسیار ریز عبارت است از، مرحله‌ی هسته‌زایی اولیه و مرحله‌ی هسته‌زایی و رشد خود به خودی. در ادامه به طور خلاصه روش‌های مختلف تولید نانوذرات را بیان می‌کنیم. به طور کلی روش‌های تولید نانوذرات عبارتند از:
 چگالش بخار
 سنتز شیمیایی
 فرآیندهای حالت جامد (خردایشی)
 استفاده از شاره‌ها فوق بحرانی به عنوان واسطه رشد نانوذرات فلزی
 استفاده از امواج ماکروویو و امواج مافوق صوت
 استفاده از باکتری‌هایی که میتوانند نانوذرات مغناطیسی و نقره‌ای تولید کنند
پس از تولید نانوذرات می‌توان با توجه به نوع کاربرد آن‌ها از روش‌های رایج زمینه‌ای مثل روکشدهی یا اصلاح شیمیایی نیز استفاده کرد [7].
1-3 کاربردهای نانوساختارهایکی از خواص نانوذرات نسبت سطح به حجم بالای این مواد است. با استفاده از این خاصیت می‌توان کاتالیزورهای قدرتمندی در ابعاد نانومتری تولید نمود. این نانوکاتالیزورها بازده واکنش‌های شیمیایی را به شدت افزایش داده و همچنین به میزان چشمگیری از تولید مواد زاید در واکنش‌ها جلوگیری خواهند نمود. به کارگیری نانو‌ذرات در تولید مواد دیگر استحکام آن‌ها را افزایش داده و یا وزن آن‌ها را کم می‌کند. همچنین مقاومت شیمیایی و حرارتی آن‌ها را بالا برده و واکنش آن‌ها در برابر نور وتشعشعات دیگر را تغییر می‌دهد.
با استفاده از نانوذرات نسبت استحکام به وزن مواد کامپوزیتی به شدت افزایش خواهد یافت. اخیرا در ساخت شیشه ضد آفتاب از نانوذرات اکسید روی استفاده شده است. استفاده از این ماده علاوه بر افزایش کارآیی این نوع شیشهها، عمر آن‌ها را نیز چندین برابر نمودهاست .از نانوذرات همچنین در ساخت انواع ساینده‌ها، رنگ‌ها، لایه‌های محافظتی جدید و بسیار مقاوم برای شیشه‌ها، عینک‌ها (ضدجوش و نشکن)، کاشی‌ها و در حفاظ‌های الکترومغناطیسی شیشه‌های اتومبیل و پنجره استفاده می‌شود. پوشش‌های ضد نوشته برای دیوارها و پوششهای سرامیکی برای افزایش استحکام سلول‌های خورشیدی نیز با استفاده از نانوذرات تولید شده‌اند.
وقتی اندازه ذرات به نانومتر می‌رسد یکی از ویژگی‌هایی که تحت تأثیر این کوچک شدن اندازه قرارمی‌گیرد تأثیرپذیری از نور و امواج الکترومغناطیسی است. با توجه به این موضوع اخیراً چسب‌هایی از نانوذرات تولید شده‌اند که کاربردهای مهمی در صنایع الکترونیکی دارند. نانولوله‌ها در موارد الکتریکی، مکانیکی و اپتیکی بسیار مورد توجه بوده‌اند. روش‌های تولید نانولوله‌ها نیز متفاوت می‌باشد، همانند تولید آن‌ها بر پایه محلول و فاز بخار یا روش رشد نانولوله‌ها در قالب که توسط مارتین مطرح شد. نانولایه‌ها در پوشش‌های حفاظتی با افزایش مقاومت در خوردگی و افزایش سختی در سطوح و فوتولیز و کاهش شیمیایی کاربرد دارند.
نانوذرات نیز به عنوان پیشماده یا اصلاح ساز در پدیده های فیزیکی و شیمیایی مورد توجه قرارگرفته‌اند. هاروتا و تامسون اثبات کردند که نانوذرات فعالیت کاتالیستی وسیعی دارند، مثل تبدیل مونواکسید کربن به دی اکسید کربن، هیدروژنه کردن استیرن به اتیل بنزن و هیدروژنه کردن ترکیبات اولفیتی در فشار بالا و فعالیت کاتالیستی نانوذرات مورد استفاده در حسگرها که مثل آنتن الکترونی بین الکترود و الکترولیت ارتباط برقرار می‌کنند [7].
1-4 مواد نانومتخلخلمواد نانو متخلخل دارای حفره‌هایی در ابعاد نانو هستند و حجم زیادی از ساختار آن‌ها را فضای خالی تشکیل می‌دهد. نسبت سطح به حجم (سطح ویژه) بسیار بالا، نفوذپذیری یا تراوایی زیاد، گزینشپذیری خوب و مقاومت گرمایی و صوتی از ویژگی‌های مهم آن‌ها می‌باشد. با توجه به ویژگی‎‌های ساختاری، این به عنوان تبادل‌گر یونی، جدا کننده، کاتالیزور، حس‌گر، غشا و مواد عایق استفاده می‌شود.
نسبت حجمی فضای خالی ماده‌ی متخلخل به حجم کل ماده‌ تخلخل نامیده میشود. به موادی که تخلخل آن‌ها بین 2/0 تا 95/0 باشد نیز مواد متخلخل می‌گویند. حفره‌ای که متصل به سطح آزاد ماده است حفره‌ی باز نام دارد که برای صاف کردن غشا، جداسازی و کاربردهای شیمیایی مثل کاتالیزور و کروماتوگرافی (جداسازی مواد با استفاده از رنگ آن‌ها) مناسب است. به حفره‌ای که دور از سطح آزاد ماده است حفره‌ی بسته می‌گویند که وجود آن‌ها تنها سبب افزایش مقاومت گرمایی و صوتی و کاهش وزن ماده شده و در کاربردهای شیمیایی سهمی ندارد. حفره‌ها دارای اشکال گوناگونی همچون کروی، استوانهای، شیاری، قیفی شکل و یا آرایش شش گوش هستند. همچنین تخلخل‌ها می‌توانند صاف یا خمیده یا همراه با چرخش و پیچش باشند [7].
بر اساس دستهبندی که توسط آیوپاک صورت گرفته است، ساختار محیط متخلخل با توجه به میانگین ابعاد حفره‌ها، مواد سازنده و نظم ساختار به سه گروه تقسیمبندی میشوند که در شکل 1-1 نشان داده شده است:
الف) دسته بندی بر اساس اندازهی حفره:
میکرومتخلخل: دارای حفرههایی با قطر کمتر از 2 نانومتر.
مزومتخلخل: دارای حفرههایی با قطر 2 تا 50 نانومتر.
right59626500ماکرومتخلخل: دارای حفرههایی با قطر بیش از 50 نانومتر.
center1720850شکل 1-1 انواع سیلیکا براساس اندازه حفره: الف) ماکرو متخلخل، ب) مزو متخلخل، ج) میکرو متخلخل [8].
0شکل 1-1 انواع سیلیکا براساس اندازه حفره: الف) ماکرو متخلخل، ب) مزو متخلخل، ج) میکرو متخلخل [8].

بر اساس شکل و موقعیت حفره‌ها نسبت به یکدیگر در داخل مواد متخلخل، حفره‌ها به چهار دسته تقسیم می‌شود: حفره‌های راه به راه، حفره‌های کور، حفره‌های بسته و حفره‌های متصل به هم که در شکل (2-1) به صورت شماتیک این حفره‌ها را نشان داده شده است.

شکل 1-2 نوع تخلخل‌ها بر اساس شکل و موقعیت [8].
بر اساس تعریف مصطلح نانوفناوری، دانشمندان شیمی در عمل نانو متخلخل را برای موادی که دارای حفرههایی با قطر کمتر از 100 نانومتر هستند به کار می‌برند که ابعاد رایجی برای مواد متخلخل در کاربردهای شیمیایی است.
ب) دستهبندی بر‌اساس مواد تشکیل دهنده:
مواد نانومتخلخل آلی
مواد نانومتخلخل معدنی
تقسیمبندی مواد نانومتخلخل آلی
1) مواد کربنی: کربن فعال، کربنی است که حفره‌های بسیار زیاد دارد و مهم‌ترین کربن از دسته مواد میکرومتخلخل است.
2) مواد بسپاری: مواد نانو متخلخل بسپاری به دلیل ساختار انعطاف‌پذیر خود، حفره‌های پایداری ندارند و تنها چند ترکیب محدود از این نوع وجود دارد [8].
تقسیم بندی مواد نانومتخلخل معدنی
1) مواد میکرومتخلخل
زئولیت‌ها: مهم‌ترین ترکیبات میکرومتخلخل بوده که دارای ساختار منظم بلوری و حفره‌دار با بار ذاتی منفی می‌باشند. در اکثر موارد ساختار زئولیتی از قطعات چهار وجهی با چهار اتم اکسیژن و یک اتم مرکزی مثل آلومینیوم، سیلیکون، گالیم یا فسفر تشکیل شده‌اند که با کاتیون‌ها خنثی می‌شوند [8].
چارچوب فلزی-آلی: از واحد‌های یونی فلزی یا خوشه‌ی معدنی و گروه‌های آلی به عنوان اتصالدهنده تشکیل شده است که اتصال آن‌ها به هم، حفره‌ای با شکلی معین مانند کره یا هشت وجهی به وجود می‌آورد. ویژگی بارز این ترکیبات، چگالی کم و سطح ویژه‌ی بالای آن‌هاست [9].
هیبرید‌های آلی-معدنی: از قطعاتی معدنی تشکیل شده‌اند که توسط واحد‌های آلی به هم متصل هستند [10].
2) مواد مزومتخلخل:
سیلیکا: ترکیبات MCM، معروف‌ترین سیلیکای مزومتخلخل هستند.
اکسید فلزات و سایر ترکیبات مزومتخلخل: اکسیدهای نانومتخلخل فلزات مثل تیتانیوم دی اکسید، روی اکسید، زیرکونیوم دی اکسید و آلومینا، فعالیتی بیشتر از حالت معمولی خود دارند. ترکیبات سولفید و نیترید هم میتوانند ساختار مزومتخلخل داشته باشند.
3) مواد ماکرومتخلخل:
بلور کلوییدی: از مجموعه کره‌هایی مانند سیلیکا ساخته می‌شود که فضای بین آن‌ها خالی است. در بلور کلوییدی معکوس کره‌ها توخالی و فضای بین آن‌ها پر است [10].
آئروژل‌ها مواد مزومتخلخل با سطح ویژه و حجم تخلخل بالا هستند که در فصل بعد به آن‌ها می‌پردازیم.
1-5 کامپوزیت‌هاکامپوزیت‌ها (مواد چند رسانهای یا کاهگل‌های عصر جدید) رده‌ای از مواد پیشرفته هستند که در آن‌ها از ترکیب مواد ساده به منظور ایجاد مواد جدیدی با خواص مکانیکی و فیزیکی برتر استفاده شده است. اجزای تشکیلدهنده ویژگی‌های خود را حفظ کرده، در یکدیگر حل نشده و با هم ترکیب نمی‌شوند.
استفاده از این مواد در طول تاریخ مرسوم بوده است. از اولین کامپوزیت‌ها یا چندسازه‌های ساخت بشر می‌توان به آجرهای گلی که در ساخت آن‌ها از کاه استفاده شده است اشاره کرد. هنگامی که این دو با هم مخلوط بشوند، در نهایت آجر پخته بهدست می‌آید که بسیار ماندگار‌تر و مقاوم‌تر از هر دو ماده اولیه، یعنی کاه و گل است. شاید هم اولین کامپوزیت‌ها را مصری‌ها ساخته باشند که در قایق‌هایشان به چوب بدنه قایق مقداری پارچه می‌آمیختند تا در اثر خیس شدن، آب توسط پارچه جذب شده و چوب باد نکند. قایق‌هایی که سرخپوستان با فیبر و بامبو می‌ساختند و تنورهایی که از گل، پودر شیشه و پشم ساخته می‌شدند از نخستین کامپوزیت‌ها هستند [11].
1-5-1 کامپوزیت یا مواد چندسازهچندسازه‌ها به موادی گفته می‌شود که از مخلوط دو یا چند عنصر با فازهای کاملا متمایز ساخته شده باشند. در مقیاس ماکروسکوپیک فازها غیر قابل تشخیص‌اند. اما در مقیاس‌های میکروسکوپیک فازها کاملا مجزا هستند و هر فاز خصوصیات عنصر خالص را نمایش می‌دهد. در چندسازه‌ها، نه تنها خواص هر یک از اجزاء باقی مانده بلکه در نتیجهی پیوستن آن‌ها به یکدیگر، خواص جدیدتر و بهتر بهدست می‌آید [11].
1-5-2 ویژگی‌های مواد کامپوزیتیمواد زیادی می‌توانند در دسته‌بندی مواد کامپوزیتی قرار بگیرند، در واقع موادی که در مقیاس میکروسکوپی قابل شناسایی بوده و دارای فازهای متفاوت و متمایز باشند در این دسته‌بندی قرار می‌گیرند. امروزه کامپوزیت‌ها به علت وزن کم و استحکام بالا در صنایع مختلف، به طور گستره‌ای مورد استفاده واقع می‌شوند. کامپوزیت‌ها با کاهش وزن و ویژگی‌های فیزیکی بسیار عالی، گزینه‌ای مناسب برای استفاده در تجهیزات ساختاری می‌باشند. علاوه بر ‌این، کامپوزیت‌ها جایگزین مناسب برای مواد سنتی در کاربردهای صنعتی، معماری، حمل و نقل و حتی در کاربردهای زیر بنایی می‌باشد [12].
یکی از ویژگی‌های بارز کامپوزیت‌ها، حضور فاز تقویـتکننده مجزا از فاز زمینه می‌باشد. ویژگی‌های اختصاصی این دو فاز، در ترکیب با یکدیگر، ویژگی‌های یکسانی را به کل کامپوزیت می‌بخشد. در یک دسته‌بندی ویژه، کامپوزیت‌ها همواره به دو فاز زمینه و تقویتکننده تقسیم می‌شوند. می‌توان گفت در واقع زمینه مانند چسبی است که تقویتکننده‌ها را به یکدیگر چسبانده و آن‌ها را از آثار محیطی حفظ می‌کند.
1-5-3 مواد زمینه کامپوزیتزمینه با محصور کردن فاز تقویت کننده، باعث افزایش توزیع بار بر روی کامپوزیت می‌گردد. در واقع زمینه، برای اتصال ذرات تقویتکننده، انتقال بارها به تقویتکننده، تهیه یک ساختار شبکه‌ای شکل از آن‌ها و حفظ تقویتکننده از آثار محیطی ناسازگار به کار گرفته می‌شود.
1-5-4 تقویتکننده‌هادسته‌ای از مواد معمولی که به عنوان فاز تقویت کننده به کار گرفته می‌شوند، عبارتند از شیشه‌ها، فلزات، پلیمرها و گرانیت. تقویتکننده‌ها در شکل‌های مختلفی از جمله فیبرهای پیوسته، فیبرهای کوتاه یا ویسکرها و ذرات تولید می‌شوند (شکل3-3). تقویت کننده‌ها باعث ایجاد ویژگی‌های مطلوبی از جمله استحکام و مدول بالا، وزن کم، مقاومت محیطی مناسب، کشیدگی خوب، هزینه کم، در دسترسپذیری مناسب و سادگی ساخت کامپوزیت می‌گردند [12].
1-5-5 نانو کامپوزیتنانو کامپوزیت‌ها مواد مرکبی هستند که ابعاد یکی از اجزای تشکیلدهنده آن‌ها در محدوده نانو‌متری باشد. نانوکامپوزیت‌ها هم، در دو فاز تشکیل می‌شود. در فاز اول، ساختار بلوری در ابعاد نانو ساخته می‌شود که زمینه کامپوزیت به شمار می‌رود. در فاز دوم هم ذراتی در مقیاس نانو به عنوان تقویت کننده برای بهبود ویژگی‌ها به فاز زمینه افزوده می‌شود. توزیع یکنواخت این فاز در ماده زمینه باعث می‌شود که فصل مشترک ماده تقویت کننده با ماده زمینه در واحد حجم، مساحت بالایی داشته باشد [13].

شکل 1-3 نمایشی از انواع مختلف تقویت کننده‌ها در کامپوزیت [12].
1-6 خلاصهدر این فصل به بیان بعضی مفاهیم اولیه پرداختهشد. خلاصه کوتاهی از فناوری نانو، نانوساختارها و روش‌های ساخت آن‌ها گفته شد. بعد از آن مواد متخلخل بررسی شد و در نهایت مختصری در مورد کامپوزیت‌ها، ویژگی‌ها و نانوکامپوزیت‌ها بیان شد.
فصل دومآئروژلها و مروری بر خواص مغناطیسی15418474142773
2-1 تاریخچهحوزهی پژوهشی آئروژل هر ساله به طور وسیعی افزایش می‌یابد به طوری که امروزه توجه بسیاری از دانشمندان جهان را به خود اختصاص دادهاست.
اولین بار ساموئل استفان کیستلر در سال 1931 با ایدهی جایگزینی فاز مایع با گاز در ژل همراه با انقباض کم، آئروژل را تولید کرد. در آن زمان سعی ایشان بر اثبات وجود شبکه‌های جامد در درون ساختار ژل بود. یک روش برای اثبات این نظریه، برداشتن فاز مایع از فاز مرطوب ژل بدون اینکه ساختار جامد از بین برود مطرح بود. برای این کار او با استفاده از یک اوتوکلاو، فاز مایع را از ژل خارجکرد که جامد باقی مانده چگالی بسیار پایینی داشت. او دما و فشار داخلی اوتوکلاو را به نقطه بحرانی مایع رساند تا بر کشش سطحی مایع غلبهکند و ساختار داخلی ژل را از فروپاشی برهاند. به این ترتیب او با موفقیت اولین آئروژل پایه سیلیکا را تولید کرد. ولی به دلیل سختی کار، برای حدود نیمقرن پژوهشی در این زمینه صورت نگرفت. اما از همان ابتدا برای دانشمندانی چون کیستلر، واضح بود که آئروژل ویژگی‌های برجسته‌ای مانند چگالی پایین و رسانایی گرمایی ناچیزی دارد [14].
در سال‌های اخیر، ساختن آئروژل به معنای رساندن الکل به فشار و دمای بخار شدنی و به طبع آن به‌دست‌آوردن نقطهی بحرانی است و باعث استخراج فوق بحرانی از ژل می‌شود. سپس، در سال 1970، دانشمند فرانسوی تایکنر و همکارانش برای بهبود فرآیند تولید دولت فرانسه، موفق شدند روش جدیدی به غیر از روش کیستلر برای تهیهی آئروژل کشف کنند و آن را روش سل-ژل نامیدند. در این روش آلکوکسی سیلان با سیلیکات سدیم، که به وسیله کیستلر استفاده می‌شد، جایگزین گردید. با ظهور روش ارائه شده به وسیله‌ی تایکنر پیشرفت‌های جدیدی در علم آئروژل و فناوری ساخت آن حاصل شد و پژوهش‌گران زیادی به مطالعه در این زمینه روی آوردند. به دلیل انجام مطالعات، تحقیقات و اقدامات صنعتی و نیمه صنعتی که در دهه 70 و 80 بر روی آئروژل‌ها صورت گرفت، این دوره را عصر رنسانس آئروژل نامیدند. [15].
این مواد جایگاه خود را به عنوان مواد جامدی با چگالی و رسانایی گرمایی پایین به‌دست آوردند. پایین‌ترین چگالی آئروژل تولید شده 1/0 میلیگرم بر سانتیمتر مکعب است، تا حدی که نمونه می‌تواند در هوا شناور بماند. گرچه برای ساخت جامد آئروژل مواد بسیاری می‌توانند استفاده شوند ولی آئروژل‌های 2SiO متداول‌ترند. البته می‌توان با واردکردن مواد مختلف در ساختار آئروژل در حین فرآیند ژل شدن، به بهبود ویژگی‌های نمونه‌های نتیجه شده کمک کرد [16].
آئروژل‌ها را می‌توان به عنوان یک ماده منحصر به فرد در زمینه فناوری سبز در نظر گرفت. هشدار جهانی، تهدید آیندهی محیط زیست توسط گاز‌های گلخانهای تولید شده بهدست بشر را تأیید می‌کند. آیندهی انرژی‌های قابل دسترس به خاطر کمشدن منابع نفتی و حتی افزایش تقاضا برای محصولات نفتی، در خطر است. آئروژل‌ها بارها و بارها به افزایش بازدهی برخی ماشین‌ها و سیستم‌ها و کمک به کاهش مصرف انرژی یاری رسانده‌اند. همچنین آئروژل‌ها می‌توانند آلاینده‌های آب را بیرون بکشند و با گرفتن ذرات مضر قبل از ورود به اکوسیستم، سبب تخریبنشدن محیط زیست شوند. دانشمندان دریافتند که این فناوری برای تجدید و حفاظت از انرژی به توسعهی بیشتری نیاز دارد [17].
2-2 شیمی سطح آئروژلسیلیکا آئروژل حاوی ذرات نانومتری هستند. این ترکیبات دارای نسبت سطح به حجم بالا و مساحت سطح ویژهی زیادی هستند. شیمی سطح داخلی در آئروژل‌ها نقش اساسی را در بروز رفتار‌های بی‌نظیر فیزیکی و شیمیایی آن‌ها، ایفا می‌کند. ماهیت سطح آئروژل‌ها تا حد زیادی به شرایط تهیهی آن‌ها بستگی دارد. انتخاب فرآیند مربوط به ترکیبات شیمیایی و ویژگی‌های مورد نظر مشخص برای نانوذرات وابسته است. دو روش پایه برای تولید نانوذرات استفاده می‌شود:
روش از بالا به پایین
اشاره به خردکردن مکانیکی مواد با استفاده از فرآیند آسیابکاری دارد. در این فرآیند مواد اولیه به بلوک‌های پایهی بیشتری شکسته می‌شوند.
روش پایین به بالا
اشاره به ساخت سیستم پیچیده به وسیله ترکیب اجزای سطح اتم دارد. در این فرآیند ساختارها به وسیله فرآیندهای شیمیایی ساخته می‌شوند.
روش پایین به بالا بر پایه ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی اتمی یا مولکولی خود تنظیم می‌شوند. این روش به دلیل ساختار پیچیده اتم یا مولکول، کنترل بهتر اندازه و شکل آن‌ها انتخاب شد. روش پایین به بالا شامل فرآیندهای آئروسل، واکنش‌های بارش و فرآیند سل-ژل است [18].
مرحله اول ساختن آئروژل تولید ژل خیس است که بهترین روش برای ساخت آن استفاده از پیشماده الکوکسید سیلیکون، مانند TEOS است. شیمی ساخت Si(OCH2CH3)TEOS است که با اضافه کردن آب، واکنش شیمیایی زیر صورت می‌گیرد [19] :
Si(OCH2CH3)4(liq)+2(H2O)(liq)→SiO2solid+4(HOCH2CH3)liq
اتم سلیکون به دلیل داشتن بار جزئی مثبت کاهشیافته (+) نسبت به دیگر انواع آئروژل بیشتر مورد مطالعه قرار گرفت. در Si(OEt)+ حدود 32/0 است. این بار مثبت جزئی کاهش یافته، روند ژل شدن پیشماده سیلیکا را آهسته می‌کند.
پیشمادهی الکوکسید M(OR) هستندکه اولین بار توسط امبلن برای سنتز سیلیکا آئروژل استفاده شد. در این ترکیب M نشان دهندهی گروه فلزی، OR گروه الکوکسید و R تعیینکنندهی گروه الکلی هستند. الکوکسیدها معمولا در محلول منبع الکلی خود موجود هستند و امکان خشک کردن این ژل‌ها را در چنین محلول‌هایی فراهم می‌کند [20].
اگر آئروژل از طریق خشک کردن به وسیله الکل تهیه گردد، گروه‌های آلکوکسی (OR) تشکیل دهنده سطح آن است و در این سطح آئروژل خاصیت آبگریزی پیدا می‌کند. اگر تهیه آئروژل از طریق فرآیند دی اکسید کربن باشد آنگاه سطح آئروژل را گروه‌های هیدروکسید (OH) فرا می‌گیرد و خاصیت آب‌دوست پیدا خواهدکرد و مستقیما می‌تواند رطوبت هوا را جذب نماید. البته با حرارت دادن می‌توان رطوبت جذب شده را از ساختار آئروژل حذف نمود. شکل 1-2 به خوبی خاصیت آب‌دوست و آبگریزی را در ساختار آئروژل‌های با گروه‌های عاملی مختلف نشان می‌دهد [21].

شکل 2-1 برهمکنش آب و ساختار آئروژل، الف) آئروژل آبگریز، ب) آئروژل آب‌دوست [18].
2-3 تئوری فیزیکیاتصال شبکه نانو مقیاس سیلیکای جامد آئروژل‌های پایه سیلیکا، ویژگی‌های منحصر به فردی را به آن‌ها می‌دهد. کسر یونی پیوند کووالانت قطبی برای اکسیدهای فلزی مختلف از رابطهی زیر نتیجه می‌شود:
Fionic=1-exp⁡(-0.25 XM-XO2)که XO و XM الکترون‌خواهی O و M را نشان می‌دهد. 2SiO مقدار Fionic 54/0 دارد که طیف مقدار زاویه Si-O-Si را گسترده کرده و شبکه تصادفی را می‌دهد. چهار اکسید دیگر زاویه یونی بزرگ‌تر و مقدار کوچک‌تر زاویه پیوند را سبب می‌شوند. به این معنی که پیوند تصادفی فقط روی ماکرومقیاس‌های بیشتر با ذرات کلوییدی بزرگ‌تر و متراکم‌تر اتفاق می‌افتد، در این صورت، ژل به جای شکلگرفتن شبکهی تصادفی اتصالات به صورت ذره تشکیل می‌شود [14]. شبکهی اتصالات سیلیکا برای وزن نسبی‌اش یک جامد محکم را ایجاد می‌کند.
2-4 خاصیت مغناطیسی مواد2-4-1 منشأ خاصیت مغناطیسی موادیکی از مهمترین ویژگی‌های مواد، خاصیت مغناطیسی آن‌هاست که از زمآن‌های نسبتا دور مورد توجه بوده و هم اکنون نیز در طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی قرار گرفته است.
منشأ خاصیت مغناطیسی در جامدها، الکترون‌های متحرک می‌باشند. گرچه بعضی از هسته‌های اتمی دارای گشتاور دو قطبی مغناطیسی دائمی هستند ولی اثر آن‌ها چنان ضعیف است که نمی‌تواند آثار قابل ملاحظه‌ای داشته باشد؛ مگر در تحت شرایط خاص مانند اینکه نمونه در زیر دمای یک درجهی کلوین قرار گیرد یا وقتی که تحت میدان الکترومغناطیسی با بسامدی قرار گیرد که حرکت تقدیمی هسته را تشدید نماید. در بدو ظهور نظریات مغناطیس آزمایش‌های زیادی نشان داد که اندازه حرکت زاویهای کل یک الکترون و گشتاور مغناطیسی وابسته به آن بزرگ‎تر از مقداری است که به حرکت انتقالی آن نسبت داده می‌شد. بنابراین یک سهم اضافی که از خصوصیت ذاتی با یک درجه آزادی داخلی ناشی می‌شد، به الکترون نسبت داده شد و چون این خصوصیت دارای اثر مشابه چرخش الکترون حول محورش بود اسپین نامیده گردید [22].
2-4-2 فازهای مغناطیسیبه طورکلی مواد در میدان مغناطیسی خارجی رفتارهای متفاوتی از خود نشان می‌دهند و با توجه به جهت‌گیری مغناطش، به پنج گروه تقسیم می‌شوند که به بیان آن‌ها می‌پردازیم.
2-4-2-1 مواد دیامغناطیسدر این مواد الکترون‌ها به صورت جفت بوده و اتمها دارای گشتاور مغناطیسی دائمی نیستند و با قرارگرفتن در میدان مغناطیسی خارجی دارای گشتاور مغناطیسی القایی در خلاف جهت میدان خارجی می‌شوند و آن را تضعیف می‌کند. پذیرفتاری مغناطیسی χ چنین موادی منفی و خیلی کم است. خاصیت دیامغناطیس ظاهراً در تمام انواع مواد یافت می‌شود، اما اثر آن غالباً به وسیله‌ی آثار قویتر پارامغناطیس یا فرومغناطیس که می‌توانند با این خاصیت همراه باشند، مخفی می‌شود. خاصیت دیامغناطیسی خصوصاً در موادی بارز است که کلاً اتمها یا یونهایی با پوسته‌های بسته‌ی الکترونی تشکیل شده باشند، زیرا در این مواد تمام تأثیرات پارامغناطیسی حذف می‌شوند.
2-4-2-2 مواد پارامغناطیسمواد پارامغناطیس، موادی هستند که برخی از اتمها یا تمامی آن‌ها گشتاور دو قطبی دائمی دارند، به عبارت دیگر گشتاور دو قطبی در غیاب میدان مغناطیسی، غیرصفر است. این دو قطبیهای دائمی رفتاری مستقل از هم داشته که در نهایت جهت‌گیری تصادفی دارند و در میدان‌های کوچک رقابتی بین اثر هم‌خط‌سازی میدان و بی‌نظمی گرمایی وجود دارد، اما به طور متوسط تعداد گشتاورهای موازی با میدان بیشتر از گشتاورهای پادموازی با میدان است. پذیرفتاری در این مواد مثبت است و با افزایش دما، که در اثر آن بی‌نظمی گرمایی زیاد می‌شود، کاهش مییابد. منگنز، پلاتین، آلومینیوم، فلزخاکی قلیایی و قلیایی خاکی، اکسیژن و اکسید ازت از جمله مواد پارامغناطیس‌اند.
2-4-2-3 مواد فرومغناطیس
در برخی از مواد مغناطیسی، گشتاورهای مغناطیسی کوچک به طور خودبهخود با گشتاورهای مجاور خود هم‌خط می‌شوند. اینگونه مواد را فرومغناطیس می‌نامند. در عمل، همه‌ی حوزه‌های مغناطیسی در یک ماده‌ی مغناطیسی در یک راستا قرار ندارند، بلکه این مواد از حوزه‌های بسیار کوچکی با ابعاد خیلی کمتر از میلیمتر تشکیل شده‌اند، به طوری که گشتاورهای مغناطیسی هر حوزه با حوزه‌های مجاور آن تفاوت دارد.
ممکن است سمتگیری و اندازه‌ی حوزه‌های مغناطیسی در یک ماده‌ی فرو مغناطیس به گونه‌ای باشد که در کل اثر یکدیگر را خنثی کنند و ماده در مجموع فاقد مغناطش است. اعمال میدان مغناطیسی خارجی بر حوزه‌های مغناطیسی سبب می‌شود که گشتاورهای مغناطیسی هر حوزه تحت تأثیر میدان قرار گرفته و جهت آن‌ها در جهت میدان خارجی متمایل شود. علاوه بر این حوزههایی که با میدان همسویند، رشد میکنند، یعنی حجم آن‌ها زیاد می‌شود و در نتیجه، حوزه‌هایی که سمتگیری آن‌ها نسبت به میدان مناسب نیست کوچک می‌شوند، مرز بین این حوزه‌ها جابجا می‌شود و در نتیجه ماده در مجموع خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کند . پذیرفتاری مغناطیسی این مواد مثبت است. آهن، کبالت، نیکل و چندین عنصر قلیایی خاکی جز فرومغناطیس‌ها می‌باشند [23].
مواد فرومغناطیس دارای چند مشخصه‌ی اصلی به صورت زیر می‌باشند:
الف) مغناطش خودبه‌خودی و مغناطش در حضور میدان
ب) حساسیت مغناطش به دما
ج) مغناطش اشباع
د) منحنی پسماند
2-4-2-4 مواد پادفرومغناطیس
در مواد پادفرومغناطیس گشتاورهای مغناطیسی مجاور به صورت موازی، برابر و غیرهم راستا جهتگیری
می‌کنند. این مواد در غیاب میدان مغناطیسی دارای گشتاور صفرند. کروم و اکسیدهای آن ، جز مواد پادفرومغناطیس می‌باشند. چنین موادی معمولاً در دماهای پایین پادفرومغناطیساند. با افزایش دما ساختار نواحی مغناطیسی شکسته شده و ماده پارامغناطیسی می‌شود. این رفتار در مواد فرومغناطیس نیز اتفاق می‌افتد به این ترتیب که در این مواد پذیرفتاری مغناطیسی مواد مغناطیسی با افزایش دما به تدریج کاهش می‌یابد تا زمانی که ماده پادفرومغناطیس شود .
پذیرفتاری مغناطیسی این مواد عدد مثبت بسیار کوچک و نزدیک به صفر است. به دمایی که در آن ماده از حالت پادفرومغناطیس به فرومغناطیس گذار می‌کند، دمای نیل می‌گویند.
χ= CT+TN
که C ثابت کوری و TN دمای نیل است.
2-4-2-5 مواد فریمغناطیس
فریمغناطیس شکل خاصی از پادفرومغناطیس است که در آن گشتاورهای مغناطیسی در جهت موازی و عکس یکدیگر قرار گرفته‌اند، اما با یکدیگر برابر نیستند و به صورت کامل یکدیگر را حذف نمی‌کنند. در مقیاس ماکروسکوپی، مواد فریمغناطیس همانند فرومغناطیس بوده و دارای مغناطش خودبه‌خودی در زیر دمای کوری بوده و دارای منحنی پسماند می‌باشند[23و24]. شکل 2-2 فازهای مغناطیسی را نشان می‌دهد.

شکل 2-2 فازهای مغناطیسی، الف) پارامغناطیس، ب) فرومغناطیس، ج) پادفرومغناطیس، د) فری مغناطیس [24].
دو خاصیت مهم و کلیدی مواد مغناطیسی دمای کوری و هیستروسیس مغناطیسی است. جفت شدگی ‏تبادلی و بنابراین انرژی تبادلی هیسنبرگ مستقیماً با دمای کوری ‏‎(Tc)‎‏ مواد فرو و فریمغناطیس در ‏ارتباط است. در کمتر از دمای ‏Tc، ممان مغناطیسی همان جهت بلوروگرافی ویژه‌ی محور صفر این ‏مواد است. این محور در ‏نتیجه‌ی جفت‌شدگی این اسپین الکترون و ممنتوم زاویهای اوربیتال الکترون ایجاد می‌شود.
‏از آنجایی که مواد فرومغناطیسی مواد جالبی بر حسب کاربردهایشان هستند، خواص آن‌ها باید به ‏طور کمی اندازه‌گیری شود و حلقهی پسماند خواص مغناطیسی جالبی را در این مواد آشکار ‏می‌کند. یک حلقه‌ی پسماند را می‌توان با قراردادن نمونه در یک مغناطیس‌سنج و پاسخ ماده ‏‎(M,)‎‏ ‏به میدان مغناطیسی اعمالی ‏‎(H)‎‏ اندازه‌گیری کرد. چندین کمیت ممکن است از روی حلقه‌ی پسماند ‏به‌دست آید. ‏
اشباع مغناطیسی ‏‎(Ms)‎‏ یا اشباع مغناطیسی ویژه (‏s‏) مواردی‌اند که مقدار مغناطیسشدگی را وقتی ‏که همه دوقطبی‌ها در جهت میدان مغناطیسی اعمالی مرتب شده‌اند نشان می‌دهد.‏
مغناطیس باقیمانده ‏‎(Mr)‎‏ مغناطیسشدگی نمونه در میدان مغناطیسی صفر است و نیروی ‏بازدارندگی ‏‎(Hc)‎، نیرویی از میدان مغناطیسی است که برای تغییر مغناطیسشدگی باقیمانده نیاز است. ‏تغییر بایاس میدان ‏‎(HE)‎، مقدار جابجایی از مرکز حلقهی پسماند را نشان می‌دهد.‏
2-4-5 حلقه پسماندوقتی به یک ماده مغناطیسی، میدان مغناطیسی اعمال شود، مغناطش محیط سریع افزایش می‌یابد، با افزایش مقدار میدان اعمالی، شتاب افزایش و مغناطش کاهش می‌یابد، این کاهش شتاب ادامه می‌یابد تا مغناطش به مقدار اشباع خود Ms برسد [25].
تغییرات مغناطش مواد مغناطیسی در هنگام کاهش میدان، از رفتار قبلی خود تبعیت نمی‌کند، بلکه به خاطر ناهمسانگردی مغناطیسی در محیط، مقداری انرژی را در خود ذخیره می‌کنند. بنابراین وقتی میدان اعمالی در محیط صفر شود، مغناطش در ماده صفر نشده و دارای مقدار خاصی است که به آن مغناطش پسماند Mr گفته می‌شود. با کاهش بیشتر میدان به سمت مقادیر منفی، خاصیت مغناطیسی القا شده به تدریج کاهش می‌یابد و با رسیدن شدت میدان به یک مقدار منفی خواص مغناطیسی ماده کاملا از بین می‌رود. این میدان مغناطیس‌زدا را با Hc نشان می‌دهند و به نیروی ضد پسماند یا وادارندگی مغناطیسی معروف است. پسماند یا نیروی وادارنده عبارتست از میدان معکوسی که برای کاهش مغناطش به صفر نیاز است. با کاهش بیشتر شدت میدان، القای مغناطیسی منفی می‌شود و در نهایت به مقادیر اشباع منفی خود می‌تواند برسد. افزایش مجدد شدت میدان به سمت مقادیر مثبت، حلقه پسماند را مطابق شکل 2-3 کامل می‌کند. مغناطیس‌های دائمی غالبا در ربع دوم حلقه پسماند خود، مورد استفاده قرار می‌گیرند [26].

شکل 23 حلقه پسماند ماده فرو مغناطیس [26].
مواد مغناطیسی از نظر رفتار آن‌ها در میدان مغناطیس دو گروه تقسیم می‌شوند:
الف) مواد مغناطیس نرم
مواد مغناطیسی نرم با اعمال میدان مغناطیسی کوچک به راحتی مغناطیده می‌شود و با قطع میدان سریعاً گشتاور مغناطیسی خود را از دست می‌دهند. به عبارتی این مواد دارای نیروی وادارندگی پایین، اشباع مغناطیسی بالا و گشتاور پسماند پایین هستند.
مواد مغناطیس نرم در جاهایی که به تغییر سریع گشتاور مغناطیسی با اعمال میدان مغناطیسی کوچک نیاز است مانند موتورها، حسگرها، القاگرها و فیلترهای صوتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ب) مواد مغناطیس سخت
مواد مغناطیس سخت موادی‌اند که به راحتی مواد مغناطیس نرم، مغناطیده نمی‌شوند و به میدان مغناطیسی اعمالی بزرگ‌تری جهت مغناطیده کردن آن‌ها نیاز است. این مواد گشتاور مغناطیسی را تا مدت‌ها پس از قطع میدان حفظ می‌کنند. همچنین دارای اشباع مغناطیسی، گشتاور پسماند و نیروی وادارندگی بالایی هستند. ساخت یا پخت این مواد در میدان مغناطیسی، ناهمسانگردی مغناطیسی را در این مواد افزایش می‌دهد که حرکت دیواره حوزه‌ها را سخت‌تر می‌کند و نیروی وادارندگی را افزایش می‌دهد. این امر می‌تواند تولید مادهی سخت مغناطیسی بهتری را تضمین کند. کاربرد این مواد در آهن‌رباهای دائمی و حافظه‌های مغناطیسی است [26].

شکل 24 حلقه پسماند در مواد فرومغناطیس نرم و سخت[26].
2-5 فریتفریت به آن دسته از مواد مغناطیسی اطلاق می‌شود که جزء اصلی تشکیل دهندهی آن‌ها اکسید آهن است و دارای خاصیت فریمغناطیس می باشند (آرایشی از فرومغناطیس) و پارامترهای مغناطیسی مطلوبی نظیر ضریب نفوذپذیری مغناطیسی بالا از جمله اصلی‌ترین خصیصه‌های آن‌ها به شمار می‌رود. بدین جهت کاربردهای بسیار وسیعی را در زمینه صنایع برق، الکترونیک، مخابرات، کامپیوتر و… به خود اختصاص داده‌اند.
یکی از انواع فریت‌ها نوع اسپینلی آن است، فریت‌های اسپینلی با فرمول عمومی 2-o2+A3+B که در آن 2+A و 3+B به ترتیب کاتیون‌های دو و سه ظرفیتی می‌یاشند.
فریت‌ها دارای خاصیت فریمغناطیس می‌باشند نظم مغناطیسی موجود در فریمغناطیس‌ها ناشی از برهم‌کنش‌های دو قطبی‌های مغناطیسی نیست بلکه ناشی از برهم‌کنش تبادلی است در برهمکنش تبادلی هم‌پوشانی اوربیتال‌های اتمی مد نظر می‌باشد در فریت‌ها برهم‌کنش تبادلی ناشی از هم‌پوشانی الکترون‌های اوربیتال d3 یون‌های A و B و الکترون‌های اوربیتالP 2 یون‌‎های اکسیژن است. و قدرت این بر‌هم‌کنش تبادلی است که خاصیت مغناطیسی نمونه را رقم می‌زند.
2-6 خلاصهدر این فصل به شیمی آئروژل و دو روش بالا به پایین و پایین به بالای تولید نانوذرات اشاره شد. سپس خاصیت مغناطیسی مواد و فاز‌های مغناطیسی ممکن برای مواد مغناطیسی بررسی شد. پس از آن توضیح کوتاهی در مورد حلقهی پسماند و موارد قابل اندازه‌گیری از آن گفته شد و در نهایت مختصری از مواد فریتی بیان گردید.
فصل سومساخت آئروژل و کاربردهای آن19509215088990
مقدمهسیلیکا آئروژل‌ها به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد، هم در علم و هم در تکنولوژی توجه زیادی را به خود اختصاص داده‌اند. آئروژل‌ها از پیشماده مولکولی با روش‌های مختلف و تکنیک‌های خشک کردن متفاوت برای جایگزینی منافذ مایع با گاز همراه با حفظ شبکهی جامد، تهیه می‌شوند. [27]
علی‌رغم تمامی تلاش‌های قابل توجهی که در این زمینه صورت گرفته است، چالش‌های اصلی تحت کنترل عوامل یکنواختی(همگنی)، بارگذاری، اندازه و توزیع نانوذرات در شبکه‌ی میزبان آلی باقی ماندهاست، در عوض این شبکه‌ی میزبان به طور مستقیم ویژگی‌های الکتریکی، نوری، مغناطیسی و کاتالیزوری مواد نانوکامپوزیت را حفظ می‌کند.
3-1 سنتز آئروژل با فرآیند سل-ژلتفاوت در ویژگی‌های شیمیایی پیش‌ماده‌ها برای فاز نانو (معمولاً نمک فلزی) و برای ماتریس آلی (عموماً الکوکسید‌ها) موضوع مهمی هستند، چرا که پارامترهای فرآیند سل-ژل بر روی هیدرولیز و چگالش هر کدام از این پیشماده‌ها تأثیر متفاوتی دارد [28]. هر چند این موضوع مساله‌ی مهمی در طراحی هر نانوکامپوزیت سل-ژل است اما در رابطه با آئروژل‌ها حیاتی‌تر می‌باشد، زیرا نیازمند جایگزین شدن حلال موجود در ژل (معمولاً اتانول یا متانول در الکوژل و آب در آکوژل) با تغییر حلال و در نهایت حذف کردن به وسیلهی استخراج حلال فوق بحرانی است. مرحله خشک کردن فوق بحرانی، بسته به این که الکل یا کربن دی اکسید به صورت فوق بحرانی تخلیه شود (به ترتیب نیازمند حرارتی در حدود 350 و 40 درجهی سانتیگراد است). این مرحله مسائل دیگری درباره حلالیت پیشماده‌ها و پایداری حرارتی در شرایط خشک کردن فوق بحرانی را مطرح می‌کند [29]. استراتژی‌های مختلف اتخاذ شده برای سنتر نانوکامپوزیت‌های آئروژل، بسته به اینکه فاز نانو (یا پیش‌مادهی آن) در حین یا بعد از فرآیند سل-ژل اضافه شود، دو رویکرد کلی دارند.
روش اول شامل هیدرولیز و ژل شدن نانوذرات و ماتریس پیشماده و ژل شدن ماتریس پیش‌ماده به همراه شکل‌گیری نانوذرات است. مزیت این روش تولید موادی با بارگذاری نانوذرات قابل کنترل است. از طرفی، چندین اشکال در مورد آن مطرح است. برای بهدست آوردن ژل دارای چند ترکیب همگن شرایط سنتز باید به صورت دقیق انتخاب شود و پیشماده‌های نانوذرات و همچنین عوامل پوشش دهی موردنیاز در شکل‌گیری نانوذرات کلوئیدی ممکن است بر سنتز سل-ژل ماتریس تأثیر بگذارد.
روش دوم شامل روش‌های مبتنی بر اضافه کردن فاز نانو بعد از فرآیند سل-ژل است و باید ساختار متخلخل و مورفولوژی ماتریس را حفظ کند. این روش‌ها شامل تلقیح فاز نانو با اشباع، ته‌نشینی و روش رسوبگذاری بخار شیمیایی می‌باشد. طرح‌واره روش‌های مختلف برای شیمی سنتز نانوکامپوزیت آئروژل در شکل 3-1 نشان داده شده است.
هرچند این روشها نیز دارای دو اشکال عمده هستند: یکی همگنی ضعیف ترکیب نانوکامپوزیت تولیدشده، دیگری ترد و شکننده بودن آئروژل‌ها. اتصال فلز در یک ماتریس با گروه‌های هماهنگ اصلاح شده است و غوطه‌ور کردن الکوژل و آکوژل در محلول قبل از خشک کردن فوق بحرانی، به ترتیب به عنوان راهحلهایی برای غلبه بر کاستی‌های گفته شده است. رسوب نانوذرات از فاز بخار، بر خلاف روش‌های تلقیح مرطوب، ماتریس متخلخل را تغییر نمیدهد و تضمین میکند که فاز مهمان در سراسر ماتریس توزیع خواهد شد [30].

شکل 3-1 طرح‌واره‌ای از روش‌های مختلف برای شیمی سنتز نانوکامپوزیت [33].
3-2 شکل‌گیری ژل خیسژل‌های سیلیکا به طور عمومی با هیدرولیز و واکنش چگالش پیشماده سیلیکا به‌دست می‌آیند. ماتریس سیلیکای نهایی متخلخل است و حفره‌های ژل با حلال جانبی هیدرولیز و واکنش پلیمریزه شدن پر شده است. اگر ترکیب محلول بهتواند از ژل خیس بدون سقوط قابل ملاحظه ساختار خارج شود، آئروژل شکل می‌گیرد [31].
روش سل-ژل شامل یک یا چند پیشماده سیلیکون است که متداول‌ترین آن‌ها TEOS و TMOS می‌باشند و داراری چهار گروه الکوکسید شناخته شده در آرایش چهار وجهی در اطراف اتم سیلیکون مرکزی است. واکنش هیدرولیز در چهار جهت اتفاق می‌افتد و منجر به پیوند Si-O-Si می‌شود و یک مادهی کپهای که ترکیبی از 2SiO را می‌دهد. اگر یکی از شاخه‌های الکوکسید اتم سیلیکون توسط گروه عاملی مختلفی که قادر نیست تحت واکنش چگالش قرار گیرد، جایگزین شود گروه عاملی با پیوند کووالانسی به اتم سیلیکون درون ماتریس ژل باقی خواهد ماند. الکوکسیدهای فلزی به راحتی با آب واکنش می‌دهد و بر حسب میزان آب و حضور کاتالیست، عمل هیدرولیز ممکن است کامل انجام شود.
ملکول‌های شکلگرفته آلی-فلزی به مرور زمان بزرگ می‌شوند و به صورت یک ساختار پیوسته در داخل مایع در می‌آیند. این ساختار پیوسته که حالت الاستیک دارد، ژل گفته می‌شود [32].
به طور کلی شکل‌گیری محلول پایدار الکوکسید یا پیشماده‌های فلزی حل شده مرحله اول فرآیند تهیه آئروژل است. این محلول همگن به‌دست آمده در مرحله دوم به علت وجود آب هیدرولیز شده و سل یکنواختی را ایجاد می‌کند. در مرحله سوم واکنش بسپارش ادامه پیدا می‌کند تا سل به ژل تبدیل شود. این مرحله، پیرسازی نیز گفته می‌شود. پس از آن مرحلهی نهایی که خشک کردن است باقی می‌ماند.
3-3 خشک کردن آلکوژلبعد از شکل‌گیری ژل توسط هیدرولیز و واکنش چگالش، شبکه Si-O-Si شکل می‌گیرد. بخش پیرسازی به تشدید شبکه ژل اشاره دارد؛ ممکن است چگالش بیشتر، تجزیه، و ته‌نشینی ذرات سل یا تبدیل فاز داخل فاز جامد یا مایع صورت گیرد. این نتایج در یک جامد متخلخل که حلال در آن گیر افتاده است اتفاق می‌افتد. فرآیند حذف حلال اصلی از ژل (که معمولاً آب و الکل است) را خشککردن می‌گویند. در طول فرآیند خشککردن، ترکخوردگی اتفاق می‌افتد به این دلیل که نیروی مویینگی در گذار مایع-گاز در داخل منافذ ریز وجود دارد. معادله لاپلاس در اینجا به کار می‌رود، هر چه شعاع مویینگی کوچک‌تر باشد، ارتفاع مایع بیشتر و فشار هیدروستاتیک بالاتر خواهد بود. هنگامی که انرژی سطح باعث بالا رفتن ستون مایع داخل مویرگ‌ها می‌شود، مقدار فشار سطحی داخل مویرگ قابل محاسبه است.
قطر حفره در ژل از مرتبهی نانومتر است، به طوری که مایع ژل فشار هیدروستاتیک بالایی را باید اعمال کند. هلال داخل حفره‌ها و نیروهای کشش سطحی سعی می‌کند تا ذرات را به عنوان مایع در حفره‌ها تبخیر کند. این نیروها می‌توانند به گونه‌ای عمل کنند که باعث سقوط حفره و ساختار شوند. بنابراین ژل‌ها با حفره‌های ریز زیاد تمایل به انقباض و ترک خوردن دارند [33]. سل ژلهایی که شیمی سطح آن‌ها اصلاح نشده (شکل3-2) و در شرایط محیط خشک شدند به علت این فروپاشی منافذ تا حدود یک هشتم حجم اولیهی خود کوچک میشوند؛ ماده حاصل زیروژل نامیده میشود. اگر این فرآیند خشککردن به آرامی رخ دهد، زیروژل یکپارچه سالم میتواند تولید شود. اما برای تولید یک آئروژل، باید از عبور از مرز فاز بخار-مایع اجتناب کرد.

شکل 3-2 اصلاح شیمی سطح ژل [34].
روشهای کنونی برای پرهیز از فروپاشی منافذ درساخت آئروژل را میتوان در سه تکنیک کلی دستهبندی کرد. هرکدام از این تکنیکها طراحی شدهاند تا نیروهای مویینگی ناشی از اثرات کشش سطحی را کاسته و یا حذف نمایند. این تکنیکها الف) خشک کردن در شرایط محیط پس از اصلاح سطح، ب) خشک کردن انجمادی و ج) خشک کردن فوق بحرانی است [34]. توضیح کلی درباره هرکدام از این تکنیکها در ادامه آمده است.
3-3-1 فرآیند‌های خشککردن در شرایط محیطاین تکنیکهای خشک کردن طراحی شدهاند تا ژل خیس را در فشار محیط خشک کنند. این روشها نیازمند فرآیندهای شیمیایی با تعویض طولانی مدت حلال برای کاهش نیروهای مویینگی وارد بر نانوساختار یا برای افزایش توانایی نانوساختار در تحمل این نیروهاست (یا با قویتر کردن ساختار و یا با منعطف‌تر ساختن آن). تغییر شیمی سطح ژل خیس بر پایه TEOS برای ارتقاع انقباض قابل برگشت با استفاده از تبادل حلال با هگزان به وسیله اصلاح سطح با فرآیند کاهش گروه سیلانولی با TMCS [35و36]. همچنین استفاده از پیری ژل در محلول الکل یا الکوکسید برای سفت شدن میکرو ساختار به منظور جلوگیری از فروپاشی منافذ است [37]. به علاوه ترکیبکردن شاخه‌های متقاطع سیلیکا آئروژل است که می‌تواند نیروهای مویینگی در حین خشک کردن تحت فشار محیط را تحمل نماید [38].
3-3-2 خشککردن انجمادیخشککردن انجمادی یک ژل خیس منجر به تولید کریوژل میشود. خشککردن انجمادی باعث تولید پودر آئروژل کدر می‌شود [39]. این تکنیک حلال اضافی را با تصعید حذف میکند. ژل خیس منجمد میشود و سپس حلال در فشار پایین تصعید میشود [40]. میکروبلور‌های منجمد که حین فرآیند خشککردن انجمادی شکل می‌گیرند منجر به آئروژل‌های ماکروحفره‌تری در مقایسه با روش استخراج فوق بحرانی میشوند [41].
3-3-3 خشک کردن فوق بحرانیروشهای استخراج فوق بحرانی از مرز بین مایع و بخار با بردن حلال به بالاتر از نقطه فوق بحرانی آن اجتناب می‌کند و سپس از ماتریس سل-ژل به عنوان یک مایع فوق بحرانی حذف می‌شود. در این حالت هیچ مرز مایع-بخاری وجود ندارد، بنابراین هیچ فشار مویینگی دیده نمی‌شود. شکل 3-3 چرخه فشار-دما در طول فرآیند فوق بحرانی را نشان می‌دهد. در عمل انواع متعددی از روشهای استخراج فوق بحرانی وجود دارد که شامل تکنیک‌هایی با دمای بالا، دمای پایین و سریع است.

شکل 3-3 چرخه فشار-دما در حین فرآیند خشک کردن فوق بحرانی [42].
تکنیک‌های استخراج فوق بحرانی الکل دمای بالا، ژل خیس را به حالت فوق بحرانی حلال (معمولاً متانول یا اتانول) در یک اتوکلاو و یا هر مخزن فشار دیگری می‌برد. این مستلزم فشارهای بالا حدود Mpa 8 و دماهای بالا حدود 260 درجهی سانتیگراد می‌باشد [42]. شکل 3-4 شماتیکی از دستگاه خشککن فوق بحرانی اتوکلاو را نشان می‌دهد.

شکل 3-4 شماتیکی از دستگاه خشک کن فوق بحرانی اتوکلاو [42].
تکنیکهای استخراج فوق بحرانی دمای پایین بر اساس استخراج 2CO است که دمای نقطه بحرانی پایین‌تری نسبت به مخلوط الکل باقیمانده در منافذ سل-ژل بعد از پلیمریزاسیون دارد. این روش به تبادل حلال به طور سری نیازمند است، ابتدا حلال غیرقطبی و سپس با کربن دیاکسید مایع پیش از استخراج فوق بحرانی که می‌تواند در نقطه فوق بحرانی 2CO اتفاق بیافتد [43]. مزایای این تکنیک دمای بحرانی پایین‌تر و حلال پایدارتر است؛ هرچند مراحل اضافه شده به فرآیند سبب طولانی‌تر شدن زمان آمادهسازی آئروژل می‌شود. از آنجائیکه فشار بحرانی مورد نیاز نسبت به روشهای فوق بحرانی دما بالا تغییری چندانی ندارد (فشار بحرانی 2CO مشابه متانول و اتانول است)، این فرآیند نیز نیاز به استفاده از مخازن فشار دارد. به علاوه روند انتشار تبادل حلال وابسته به اندازهی ژل است.
تکنیکهای استخراج فوق بحرانی سریع از یک قالب محدود استفاده می‌کند، چه در مخزن فشار و چه در یک فشار داغ هیدرولیک قرار بگیرند. این تکنیکها فرآیندهای تک مرحله‌ای پیش‌ماده به آئروژل هستند و آئروژل را در کمتر از 3 ساعت بهدست می‌آورند. در این روش پیشماده‌های شیمیایی مایع و کاتالیست در یک قالب دو قسمتی ریخته می‌شوند سپس به سرعت گرم می‌شوند [44]. در ابتدا فشار با بستن دو بخش قالب با هم یا با اعمال فشار هیدروستاتیکی خارجی به جای مخازن فشار بزرگ‌تر یا با ترکیبی از این دو تنظیم می‌شود. زمانیکه نقطه فوق بحرانی الکل فرارسید، اجازه داده میشود تا مایع فوق بحرانی خارج شود [45]. برای مثال گوتیه و همکارانش [46] در روند انجام این فرآیند از یک فشار داغ هیدرولیکی برای مهروموم کردن و گرم کردن قالب حاوی مخلوط پیشماده آئروژل استفاده کردند. مخلوط مایع از پیشماده‌های آئروژل در یک قالب فلزی ریخته شد و سپس در فشار داغ قرار گرفت. در طول اجرا، فشار داغ برای مهروموم کردن ترکیب به جای قالب استفاده شد و یک نیروی باز دارندهی فشاری را فراهم کرد. سپس قالب و مخلوط به بالای دما و فشار فوق بحرانی متانول برده شد. در مدت زمان این فرآیند گرم کردن، پیشمادههای آئروژل واکنش نشان داده و یک ژل خیس نانوساختاری متخلخل را تشکیل داد. زمانیکه به حالت بحرانی رسید، فشار کاهش داده شد و مایع فوق بحرانی رها شد.
3-3-4 مقایسه روش‌هاهر یک از روش‌های ساخت آئروژل شرح داده شده در بالا، نقاط قوت و محدودیت‌هایی دارند. مقایسه مستقیم تکنیک‌های مختلف خشک کردن به علت دستورالعمل‌های پیشماده متفاوت، شرایط ژل شدن مختلف، و زمان پیر سازی، به خوبی روش‌های استخراج متفاوت هستند. برای مثال خشککردن فوق بحرانی دما پایین نیاز به زمان پیرسازی کافی دارد، به طوری که ژل‌ها می‌توانند از ظرف اولیه برای استخراج و تبادل حلال خارج شوند.
در فرآیند خشککردن سریع، عموما زمان پیرسازی کوتاه است؛ گرچه، دمای بالا در این فرآیند اثر مشخصی را روی روند واکنش چگالش دارد.
مزیت اصلی تکنیک‌های خشک کردن در فشار محیط، عدم نیاز به تجهیزات فشار بالا می باشد که گران قیمت و به طور بالقوه خطرناک است؛ اگرچه به مراحل پردازش چندگانه با تبادل حلال نیاز دارند. تا به حال مطالعات اندکی در رابطه با استفاده از روش‌های خشککردن انجمادی شده است. این تکنیک‌ها نیاز به تجهیزات خاصی برای رسیدن به دمای پایین لازم برای تصعید حلال و منجر شدن به پودر آئروژل، دارند.
محدودیت اصلی تکنیکهای فوق بحرانی دما بالا، رسیدن به دماهای بالای مورد نیاز برای دست یافتن به نقطه بحرانی حلال الکل و نیز ملاحظات ایمنی در بکار بردن مخزن فشار در این شرایط است.
روش استخراج دما پایین به طور گسترده در تولید آئروژل‌های یکپارچه کوچک تا بسیار بزرگ استفاده شده است، اگرچه می‌تواند روزها تا هفته‌ها تولید آن طول بکشد و مراحل چندگانه تبادل حلال مورد نیاز، آن را تبدیل به فرآیندی پیچیده کند و اتلاف قابل ملاحظه‌ای از حلال و 2CO ایجاد می‌کند. تکنیک‌های خشککردن سریع ساده‌تر و سریع‌تر است. تمامی فرآیند، بر خلاف مراحل چندگانه و مقیاس‌های زمانی در ابعاد روزها و ماهها در سایر روش‌ها، در یک مرحله انجام شده و می‌تواند در چند ساعت تکمیل شود. همچنین این روش‌ها اتلاف کمتری را به وجود می‌آورند. یک ایراد روش‌های خشککردن سریع، نیاز به دما و فشار بالاست [47].
3-4 مروری بر کارهای انجام شدهاگرچه میدانیم که این گزارش‌های جامعی از مقالات مرتبط با نانوکامپوزیت‌های آئروژل نیست، اما تأکید بر این مطلب است که چگونه ترکیب نانوذرات ممکن است احتمال استفاده از آئروژل‌ها را به عنوان مواد جدید افزایش دهد و چگونه مسیر آماده سازی مورد اطمینان برای به‌دست آوردن نانوکامپوزیت‌های آئروژل برای کاربرد خاص را انتخاب نماییم.
پس از آنکه کیستلر در سال 1931 برای اولین بار بدون درهم شکستن ساختار ژل، فاز مایع را از آن جدا کرد، در سال 1938 به مطالعه روی رسانایی گرمایی آئروژل و در سال 1943 درباره سطح ویژه آن‌ها به مطالعه پرداخت [48]. بعد از آن حدود نیمقرن دانشمندان علاقه‌ای به آئروژل‌ها نشان ندادند تا در اویل 1980 آئروژل به عرصه پژوهش بازگشت.
در سال 1992تیلسون و هاربش از TEOS به عنوان پیشمادهی سیلیکا ژل استفاده کردند و از میکروسکوپ الکترونی روبشی برای مشخصه‌یابی آن‌ها استفاده نمودند [49] و سپس هر ساله تحقیقات زیادی روی آئروژل‌ها صورت می‌گیرد.
در سال 2001 کاساس و همکارانش نانوکامپوزیت مغناطیسی را با ورود ذرات اکسید آهن در سیلیکا آئروژل میزبان سنتز کردند. این سنتز که به روش سل-ژل و با خشککردن فوق بحرانی متانول انجام شد، دو نمک آهن استفاده شد: O2H9.(3ON)Fe و O2H2.(EDTA)FeNa. در این پژوهش ارتباط واضحی بین پیشماده، آب و تخلخل و سطح ویژه آئروژل حاصل وجود داشت. استفاده از ترکیب EDTA به عنوان پیش‌مادهی نانوذرات، قطر میانگین حفره‌ها را افزایش داد، گرچه قابلیت حل پایین نمک EDTA در محلول یک مانع بزرگ برای رسیدن به آهن در این روش بود. مساحت سطح ویژه‌ی نمونه‌های کاساس بین /g2m 200 و /g2m 619 بهدست آمد و برخی نمونه‌ها رفتار پارامغناطیس و برخی دیگر رفتار مغناطیس نرم از خود نشان دادند [50].
در سال 2002 واگنر و همکارانش ذرات سیلیکا با هستهی مغناطیسی را با روش ته‌نشینی به‌دست آوردند [51]. و چند سال بعد در سال 2006 ژانگ و همکارانش ذرات پوسته‌ای هسته‌دار را با روش سل-ژل تهیه کردند. این ذرات شامل هستهی مغناطیسی فریت کبالت و پوستهی سیلیکا بودند که از TEOS به عنوان پیشمادهی سیلیکا استفاده کردند. پس از آنکه ژل‌ها به‌دست آمدند، در 110 درجهی سانتیگراد برای 4 ساعت در خلاء خشک شدند زیرا اگر در هوا خشک شوند احتمال ته‌نشینی بلور‌های اکسید وجود داشت. سپس به مدت 2 ساعت در دماهای مختلف برای به‌دست آوردن نانو بلور پراکنده در ماتریس سیلیکا حرارت داده شد. برای نمونه‌ی آن‌ها شکل‌گیری فاز فریت کبالت در دمای 800 درجهی سانتیگرادکامل شد و خوشه‌های فریت کبالت به سمت نانو بلوری شدن پیش رفتند، زمانی که برهم‌کنش بین خوشه‌های فریت کبالت با ماتریس سیلیکا شکسته شد پیوندهای Si-O-Fe ناپدید شدند. بر طبق گزارش آن‌ها اشباع مغناطیسی نانوکامپوزیت‌ها با افزایش غلظت بیشتر فریت در ماتریس افزایش یافت تا مقدار بیشینه emu/g 98/66 برای نمونه با نسبت مولی 1:1 (wt% 80 فریت کبالت) به‌دست آمد [52].
سیلوا و همکارانش در سال 2007 کامپوزیت ذرات فریت کبالت پخش شده در ماتریس سیلیکا را به روش سل-ژل تهیه کردند. آن‌ها از TEOS به عنوان پیشماده سیلیکا و از نیترات به عنوان پیش‌ماده فریت استفاده کردند. پس از گذشت زمان پیرسازی، نمونه برای 12 ساعت در 110 درجهی سانتیگراد خشک شدند و ذرات فریت کبالت در ماتریس سیلیکا شکل گرفتند. پس از آن عملیات حرارتی برای 2 ساعت در دماهای 300، 500، 700 و 900 درجهی سانتیگراد انجام شد که باعث افزایش در اندازهی ذرات شد. رسوب ذرات خوشه‌ای فریت در دیواره‌های منافذ زیروژل با افزایش دما بیشتر شد و در دماهای بالاتر از 700 درجهی سانتیگراد بلورهای بزرگ‌تر کبالت داخل منافذ ماتریس شکل گرفتند و افزایش در مغناطش اشباع و پسماند مغناطیسی را باعث شدند [53].
در همان سال فرناندز و همکارانش نانو کامپوزیت سیلیکا آئروژل/ آهن اکسید را با فرآیند سل-ژل و تبخیر فوق بحرانی حلال سنتز کردند. آن‌ها نمونه‌ها با پیشماده‌های TEOS و TMOS را با تبخیر فوق بحرانی اتانول و متانول خشک کردند. ذرات مغناطیسی با اندازهی متوسط nm 6 با TEOS و متانول سنتز شدند در حالی که فری‌هیدرات‌ها از TMOS و اتانول به‌دست آمدند. بعضی نمونه‌های آن‌ها رفتار ابر پارامغناطیس از خود نشان دادند [54].
دو سال بعد ژنفا زی و همکارانش نانوذرات فریت کبالت را به روش هم‌نهشت شیمیایی و خشک شدن در هوا در دمای80 درجهی سانتیگراد تهیه کردند. اندازهی قطر نانوذرات سنتز شده nm 20 تا nm 30 بود و دمای کوری در فرآیند افزایش دما کمتر از فرآیند کاهش دما بود. مقدار اشباع مغناطیسی این ذرات emu/g 77/61 بهدست آمد که نسبت که مقدار کپه آن کوچک‌تر بود. در این پژوهش مقدار پایین نیروی وادارندگی به دو دلیل اتفاق می‌افتد: ذرات فریت ممکن است ساختار چند دامنه داشته باشند. شکل‌گیری چند دامنه‌ها و حرکت دیوارهای دامنه می‌تواند کاهش دامنه را نتیجه دهد. همچنین اگر اندازهی بحرانی ذرات [55] بهدست آمده بزرگ‌تر از قطر میانگین ذرات باشد، رفتار تک دامنه را از خود نشان می‌دهند. آن‌ها گزارش کردند که کاهش وادارندگی نمونه‌ها به رفتار وابسته به اندازهی ذرات بستگی دارد [56].
بلازینسکی و همکارانش در پژوهشی که در سال 2013 انجام دادند، سیلیکا آئروژل را با روش سل-ژل و فرآیند فوق بحرانی تهیه کردند. آن‌ها دریافتند که روش خشک کردن فوق بحرانی مؤثرترین روش برای بهدست آوردن بهترین ویژگی این محصولات است. بدین منظور آن‌ها دستگاه خشک کن فوق بحرانی را برای خود ساختند که فشار و دما به طور دستی تنظیم می‌شد و مرحله مهم در آمادهسازی سیلیکا آئروژل‌ها بود. به این ترتیب آن‌ها سیلیکا آئروژل‌های شفاف با مساحت سطح ویژه بالا به‌دست آوردند [57].
در گزارشی دیگر در سال 2014 ساجیا و همکارانش پودر آمورف فریت کبالت را به روش سل-ژل تهیه کردند و این روش را بهترین روش تهیه نانوذرات عنوان کردند. آن‌ها دریافتند که عملیات حرارتی برای تجزیه کامل مقدار مواد آلی و نیترات حاضر در پودر آمورف لازم است. در این فرآیند برای جلوگیری از ته‌نشینی یا رسوبگذاری این واکنش اسید سیتریک به آن اضافه کردند و سپس مراحل خشک کردن و عملیات حرارتی انجام شد. پارامترهای عملیات حرارتی، مرحله نهایی در آماده‌سازی نانوذرات فریت کبالت بودند که بررسی شدند. ساختار اسپینل در همهی نمونه‌های آن‌ها شکل گرفته بود و هنگامی که ذرات شروع به رشد کردند ناخالصی‌ها حذف شد. ویژگی مغناطیسی مرتبط با رفتار فریمغناطیس این نمونه‌ها مقدار emu/g 62 برای اشباع مغناطیسی را نشان می‌دهد [58].
در جدیدترین پژوهشی که دربارهی آمادهسازی و ارزیابی نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/فریت در سال 2014 صورت گرفته است، کاتاگر و همکارانش نانوذرات فریت را به روش ته‌نشینی آماده کردند و سپس TMOS را به آن اضافه نمودند. برای این کار آن‌ها O2H6. 2NiCl، O2H6. 3FeCl و 2ZnCl را با اضافه کردن آب مقطر حل کردند. PH محلول در رفلاکس 110 درجهی سانتیگراد به مدت 24 ساعت 13 تنظیم شده بود. با حذف NaOH که برای PH اضافه شده بود، و شستن مکرر با آب مقطر و اتانول نانوذرات نتیجه شدند. بعد از بهدست آمدن نانوذرات به طور مستقیم به TMOS اضافه شدند و 3NH و آب دیونیزه به عنوان کاتالیست برای تهیه سل همگن اضافه گردیدند. برای مرحله پیر سازی قالب‌های حاوی سل را در اتانول به مدت 2 ساعت و دمای 50 درجهی سانتیگراد پیرسازی کردند و در نهایت ژل خیس را با خشک کردن فوق بحرانی کربن دی اکسید بهدست آوردند. تحقیقات آن‌ها نشان داد که زمان ژل شدن با افزایش نسبت مولی اتانول/TMOS افزایش یافت. همچنین به دلیل کشش سطحی اتانول، نمونه‌ها منقبض می‌شوند یا ترک می‌خورند. نانوکامپوزیت به‌دست آمده ساختار اسکلت شبکه‌ی سه بعدی را حفظ کرد. مساحت سطح ویژه با افزایش مقدار فریت از /g2m 700 تا /g2m 300 تغییر کرد. به علاوه ویژگی مغناطیسی فریت در ساختار نانو کامپوزیت تغییر نکرد [59].
3-5 برخی از کاربردهای آئروژل3-5-1 آئروژل‌ها به عنوان کامپوزیتهمانطور که پیشمادهی الکوکسید سیلیکون برای شکل‌گیری شبکه‌ی ژل با اکسیدهای فلزی دیگر به اندازه‌ی کافی واکنشی است، مطالعات زیادی در زمینه سنتز سیلیکا آئروژل برای کاربردهای مختلف صورت گرفته است [1].
3-5-2 آئروژل‌ها به عنوان جاذبآئروژل‌های فوق آبگریز و انعطافپذیر برای در جذب حلال‌های معدنی و روغن‌ها سنتز شدند. ونکاتشوارا رائو و همکارانش چگالی جذب و واجذب سیلیکا آئروژل‌های فوق آبگریز را با استفاده از یازده حلال و سه روغن بررسی کردند [60].
3-5-3 آئروژل‌ها به عنوان حسگرآئروژل‌ها تخلخل بالا، حفره‌های در دسترس، و سطح در معرض بالا دارند. از این رو کاندیداهای خوبی برای استفاده به عنوان حسگر هستند.بر اساس مطالعه وانگ و همکارانش روی آئروژل لایه‌ی نازک نانوذرات سیلیکا آئروژل نشان داد که مقاومت الکتریکی به طور قابل ملاحظه‌ای با افزایش رطوبت کاهش یافت. زیروژل همان مواد حساسیت کم‌تری را نشان داد. آئروژل‌هایی که اصلاح سطح شدند در مقایسه با آئروژل‌های آب‌گریز کمتر تحت تأثیر رطوبت قرار گرفتند و می‌توانند به عنوان ضد زنگ و عوامل آب‌گریز مورد استفاده قرار بگیرند [61].
چن و همکارش آئروژل‌هایی را برای کاربرد حسگرهای زیستی مطالعه کردند. در مطالعه آن‌ها، آئروژل‌های مزوحفره به وسیله پلیمریزاسیون سل-ژل با یک مایع یونی به عنوان حلال تهیه کردند. نتایج نشان می‌دهدکه آئروژل آماده شده می‌تواند به عنوان یک بسترشناسایی برای اسید نوکلوئیدها به کار رود [62].
3-5-4 آئروژل به عنوان مواد با ثابت دی الکتریک پایینلایه نازک‌های آئروژل 2SiO توجه خاصی را به خود اختصاص داد، به دلیل ثابت دی الکتریک خیلی پایین، تخلخل و پایداری حرارتی بالا. پارک و همکارانش لایه نازک سیلیکا آئروژل را برای لایهی داخلی دی الکتریک مورد بررسی قرار دادند و ثابت دی الکتریک را تقریبا 9/1 اندازه‌گیری کردند. آن‌ها ثابت دی الکتریک بسیار پایین فیلم‌های آئروژل را برای لایهی داخلی مواد دی الکتریک تولید کردند. فیلم های سیلیکا آئروژل به ضخامت Å 9500، % 5/79 تخلخل، و ثابت دی الکتریک پایین 2 با روش فرآیند خشک کردن محیط با استفاده از n-هپتان به عنوان حلال خشک کن به‌دست آوردند [63].
3-5-5 آئروژل به عنوان کاتالیزورمساحت سطح ویژه‌ی بالای آئروژل‌ها منجر به کاربردهای زیادی می‌شود، از جمله جاذب شیمیایی برای پاکسازی نشتی. این ویژگی کاربرد زیادی را به عنوان کاتالیزور یا حامل کاتالیزور به همراه دارد. آئروژل‌ها در کاتالیست‌های همگن مناسب هستند، زمانی که واکنش‌دهنده‌ها هم در فاز مایع و هم در فاز گاز هستند [27].
3-5-6 آئروژل به عنوان ذخیره سازیتخلخل بالا و مساحت سطح زیاد سیلیکا آئروژل‌ها می‌تواند برای کاربردهایی مثل فیلترهای گازی، جذب رسانهای برای کنترل اتلاف، محصور سازی، ذخیره سوخت هیدروژن به کار رود. آئروژل‌ها می‌توانند در مقابل تنش گذار مایع/گاز مقاومت کنند زیرا بافت آنها در طول پخت تقویت شد به عنوان مثال در ذخیره سازی، انتقال مایعات چون سوخت موشک‌ها کار برد دارد. به علاوه وزن پایین آئروژل‌ها بزرگ‌ترین مزیت است که در سیستم حمل دارو به دلیل ویژگی زیست سازگار آن‌ها مورد استفاده است [64]. کربن آئروژل‌ها در ساخت الکتروشیمی ابر خازن دو لایه کوچک استفاده شد. ابر خازن‌های آئروژل مقاومت ظاهری پایینی در مقایسه با ابر خازن‌های معمولی دارد و می‌تواند جریان بالا را تولید یا جذب کند.
3-5-7 آئروژل‌ها به عنوان قالبفیلم‌های سیلیکا آئروژل برای سلول‌های خورشیدی رنگ حساس استفاده شدند. مساحت سطح ویژه‌ی فیلم‌های آئروژل روی فیلم‌های شیشه‌ای رسانا تهیه شدند. نشست لایه اتمی برای پوشش قالب آئروژل با ضخامت‌های مختلف 2TiO با دقت کمتر از نانومتر انجام شد. غشاء آئروژل پوشش داده شده با 2TiO در سلول خورشیدی رنگ حساس گنجانیده شد. طول نفوذ شارژ با افزایش ضخامت 2TiO افزایش یافت که منجر به افزایش جریان شد [65].
3-5-8 آئروژل به عنوان عایق گرماجدای از تخلخل بالا و چگالی پایین یکی از جذاب‌ترین ویژگی‌های آئروژل رسانندگی گرمایی پایین آن‌ها است، علاوه بر این، از یک شبکه‌ی سه بعدی با ذرات ریز متصل شده تشکیل شده‌اند. بنابراین انتقال گرما از میان بخش جامد آئروژل‌ها از طریق مسیر پر پیچ و خمی است. فضای اشغال نشده در یک جامد توسط آئروژل به طور معمول با هوا پر شده مگر آن که تحت خلاء مهروموم شده باشد. این گازها می‌توانند انرژی حرارتی را از طریق آئروژل انتقال دهند. حفره‌های آئروژل باز هستند و اجازه عبور گاز از میان مواد را می‌دهند [27].
3-5-9 آئروژل‌ها در کاربرد فضاییناسا از آئروژل‌ها برای به دام انداختن ذرات گرد و غبار روی فضاپیما استفاده کرد. ذرات در برخورد با جامد اسیر شده، گازها تبخیر می‌شوند و ذرات در آئروژل به دام می‌افتند [27].
جدول 3-1 کاربردهای مختلف آئروژل‌ها را به طور مختصر نشان می‌دهد.
3-6 خلاصهدر این فصل پس از مقدمه‌ی کوتاه، اندکی در مورد سنتز آئروژل با روش سل-ژل گفته شد. پس از آن فرآیند‌های لازم برای شکل‌گیری ژل بیان شد و سپس تکنیک‌های مختلف خشک کردن و شرایط لازم برای این کار با مختصری توضیح نوشته شد. بعد مروری کوتاه به برخی از تلاش‌های انجام شده در این زمینه داشتیم و در آخر برخی از کاربردهای مختلف آئروژل‌ها را با ذکر مثال درج شد.
جدول 3-1 کاربردهای مختلف آئروژل‌ها [27].
خاصیت ویژگی کاربرد
رسانایی الکتریکی بهترین جامد عایق
شفاف
مقاومت در برابر درجه حرارت بالا
سبک ساخت و ساز ساختمآن‌ها و عایقبندی لوازم خانگی
ذخیره سازی
ماشین، وسیله نقلیه فضایی
دستگاه‌های خورشیدی
چگالی/تخلخل سبک‌ترین جامد مصنوعی
سطح ویژه_ی بالا
کامپوزیت‌های چندگانه کاتالیزور
حسگر
ذخیرهی سوخت
تبادل یون

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

فیلترهای آلاینده‌های گازی
اهداف ICF
حامل رنگ‌دانه
قالب
اپتیکی شفافیت
شاخص بازتاب پایین
کامپوزیت‌های چندگانه اپتیک سبک وزن
آشکارسازهای چرنکوف
راهنماهای نوری
عایق صوتی سرعت صوت پایین اتاق‌های ضد صدا
تطبیق مقاومت ظاهری صوتی در التراسونیک
مکانیکی الاستیک
سبک جاذب انرژی
تله برای ذرات سرعت بالا
الکتریکی ثابت دی الکتریک پایین
قدرت دی الکتریک بالا
سطح ویژهی بالا دی الکتریک برای ICها
جدا کنندهی الکترودهای خلا
خازن
فصل چهارمسنتز و بررسی ویژگی‌های نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/نانوذرات فریت کبالت21434265186580مقدمهآئروژل‌ها کاندیدا‌های ایدهآلی برای طراحی نانوکامپوزیت‌های کاربردی تقویت شده با نانوذرات فلزی یا اکسید فلزی هستند. مساحت سطح ویژهی بالا با ساختار حفره‌ای، آئروژل‌ها را قادر می‌سازد تا به طور موثری میزبان نانوذرات ریز پراکندهشده باشند و این اطمینان را می‌دهد که نانوذرات در دسترس هستند.
راه گسترش آئروژل‌های کاربردی برای تهیهی مواد کاربردی خلاق از طریق طراحی نانوکامپوزیت‌ها است، به طوری که نانوذرات فلز یا اکسید فلز به داخل ماتریس آئروژل الحاق می‌شوند. با توجه به گسترش محدوده و قابلیت زیستی آئروژل‌ها، تهیه این نانوکامپوزیت‌ها برای جلوگیری از تجمع نانوبلورها و رشد از طریق ذرات بستر برای یک کاربرد خاص را فراهم می‌کند.
4-1 مواد مورد استفاده در پژوهش آلکوکسیدهای فلزی یک دسته از خانواده‌ی ترکیبات آلی فلزی میبا شند که شامل یک بنیان آلی چسبیده به یک عنصر فلزی یا شبهفلزی میباشند. تترا اتیل اورتو سیلیکات (TEOS) که دارای نماد شیمیایی 4)5H2Si(OC می‌باشد از جمله الکوکسیدهایی است که به عنوان پیشماده در سنتز سیلیکا آئروژل به کار می‌رود. در این پژوهش از TEOS به عنوان پیشماده سیلیکا ژل با جرم مولی g/mol 33/208 استفاده شد. متداول‌ترین آئروژل‌ها با بسپارش سل-ژل سیلیکا الکوکسید سنتز شدند [66]. نیترات آهن(ΙΙΙ) 9 آبه و نیترات کبالت(ΙΙ) 6 آبه به ترتیب با جرم مولی‌های g/mol 404 و g/mol 04/291 برای تهیه نانوذرات فریت کبالت به کار رفت. متانول و آب دیونیزه به عنوان حلال نیاز بود.
4-2 روش تجربی و جزئیاتدر ابتدا برای سه درصد وزنی مورد نظر میزان گرم و لیتر مورد نیاز هر ماده محاسبه شد که در جدول 1 نشان داده شدهاست. در همهی درصد وزنی‌ها نسبت نیترات آهن(ΙΙΙ) 9 آبه به نیترات کبالت(ΙΙ) 6 آبه 2 به 1 باقی ماند.
جدول 4-1 میزان گرم و لیتر مواد مورد نیاز.
10% 15% 20% lit 0/20 lit 9/18 lit 8/17 TEOS
gr 4/2 gr 0/4 gr 8/4 نیترات آهن(ΙΙΙ) 9 آبه
gr 87/0 gr 4/1 gr 7/1 نیترات کبالت(ΙΙ) 6 آبه
پس از آن برای تهیه نانوذرات فریت کبالت ابتدا نیترات آهن(ΙΙΙ) 9 آبه در مقدار لازم آب دیونیزه روی همزن مغناطیسی بهخوبی حل شد و به طور همزمان نیترات کبالت(ΙΙ) 6 آبه در متانول حل گردید. پس از آنکه هرکدام از نیترات‌ها به مدت 30 دقیقه هم خوردند، محلول اول به محلول دوم اضافه شد و ترکیب حاصل 30 دقیقه دیگر روی همزن مغناطیسی باقی ماند. بعد TEOS به آرامی به آن اضافه شد.

شکل 4-1 فازهای مجزا نمونه روی همزن.
همانطور که در شکل 4-1 دیده می‌شود، در ابتدا فاز دو ترکیب مجزاست ولی بعد از گذشت مدت زمان حدود 15 الی 20 دقیقه سل یکنواختی حاصل شد که به مدت 1 ساعت روی همزن مغناطیسی ماند. پس از آن سل حاصل درون غالب ریخته شد تا عملیات هیدرولیز در دمای اتاق اتفاق بیافتد و الکوژل نهایی شکل بگیرد. هنگامی که نمونه‌ها در غالب ریخته شد، برای جلوگیری از در معرض هوا قرارگرفتن، با پوشش محکمی محافظت شد (شکل 4-2).

user8275

شکل5-2 میزان درجه حرارت محیط در ساعات گوناگون ماه های گرمایی کشور ایران92شکل5-3 میزان تغییر درجه حرارت گره میانی مخزن در طول ساعات روز را برای سطوح مختلف کالکتور خورشیدی و در ماه می با فرض=1500 Kg WTANK،=85 T1196شکل5-4 میزان تغییر بار حرارتی هیتر کمکی در طول ساعات روز را برای سطوح مختلف کالکتور خورشیدی و در ماه می با فرض=1500 Kg WTANK،=85 T1196شکل5- 5 میزان تغییر درجه حرارت گره میانی مخزن در طول ساعات روز را برای سطوح مختلف کالکتور خورشیدی و در ماه می با فرض=50 m2 Ac،=85 T1197شکل5- 6 میزان تغییر بار حرارتی هیتر کمکی در طول ساعات روز را برای سطوح مختلف کالکتور خورشیدی و در ماه می با فرض=1500 Kg WTANK،=85 T1197شکل5- 7 روند تغییر در نرخ هزینه محصول در اثر تغییر در سطح کالکتور خورشیدی102شکل5-8 روند تغییر در نرخ هزینه محصول در اثر تغییر در حجم تانک ذخیره آب داغ.................. 102شکل5-9 روند تغییر دمای تانک ذخیره آب داغ در ساعت 14 از یک روز در ماه می و میزان انرژی مصرفی در هیتر کمکی نسبت به تغییرات دمای آب داغ ورودی به ژنراتور103شکل5-10 روند تغییر سطوح تبادل حرارتی در تجهیزات سیکل جذبی و میزان نرخ اتلافات اگزرژی کل سیکل نسبت به تغییر دمای آب داغ ورودی به ژنراتور104شکل5-11 روند تغییر نرخ تولید محصول در اواپراتور نسبت به تغییر دمای آب داغ ورودی به ژنراتور104 TOC h z c "شکل1-"
TOC h z c "شکل2-" شکل7- 3 تغییرات بار حرارتی با دمای تبخیرکنننده (، 40°C = TC=TA، ،ESHX=0.40 ، TG=90°C)119شکل7- 4 تغییرات بارهای حرارتی با دمای کندانسور (TC=5°C ، ،TC=TA=ESHX=0.40 ،TG =90°C )............................................................................................................................................................... 120شکل7- 5 تغییرات بارهای حرارتی با دمای جاذب (TE=5°C ، 40°C TC= ،ESHX=0.40 ، TG=90°C)120شکل7- 6 تغییرات پارامترهای کارایی با دمای ژنراتور کننده (TE=5°C ، 40°C TA=TC= ،ESHX=0.40 ، TG=90°C)............................................................................................................................121شکل7- 7 تغییرات پارامترهای کارایی با دمای تبخیرکننده(40°C = TA=TC ،ESHX=0.40 ، TG=90°C)121شکل7- 8 تغییرات پارامترهای کارایی با دمای کندانسور (TE=5°C ، 40°C TA=TC= ،ESHX=0.40 ، TG=90°C)..........................................................................................................................122شکل7- 9 تغییرات پارامترهای کارایی با دمای جاذب (TE=5°C ، 40°C = TC=TA ، ESHX=0.40 ، TG=90°C).............................................................................................................................122شکل7- 10 تغییرات دمای محلول با اثرگذاری SHX (TE=5°C ، 40°C = TA=TC ،TG=90°C)123شکل7- 11 تغییرات کاهش بار حرارتی با اثرگذاری SHX (TE=5°C ، 40°C = TA=TC ، TG=90°C)123شکل7- 12 تغییرات PIR با اثرگذاری SHX(TE=5°C ، 40°C = TA=TC ، TG=90°C)124شکل7- 13- تغییرات پارامترهای کارایی با اثرگذاری SHX (=5°C TE ، 40°C TA=TC=،ESHX=0.40 ،TG=90°C)................................................................................................................124شکل7- 14 تغییرات TCRبا غلظت LiBr125 HYPERLINK l "_Toc226876988" شکل7- 15 تغییراتCOP با دمای ژنراتور و همچنین اثر SHX بر روی خط بلورینگی(TE=5°C
40°C TA=TC=)125

فهرست علائم و اختصارات
COP ضریب عملکرد
Tدما(℃)
Qحرارت(kw)
xغلظت(%)
mجرم(kg)
LiBr لیتیم برماید
hآنتالپی ویژه(kwkg)
mدبی جرمی(kgs)
CRنسبت گردش محلول(%)
Wکار پمپ محلول،وزن تانک ذخیره آب داغ(kgوkw)
vحجم مخصوص
Pفشار (kpa)
Uضریب انتقال حرارت کلی (kwatt℃*m2)
Aسطح تبادل حرارتی(m2)
ΔTlmاختلاف دمای لگاریتمی(℃)
εکارآیی مبدل حرارتی
qUمقدار حرارت مفید کسب شده بوسیله کالکتور بر حسب(wattm2)
Itθمقدار کل تابش خورشید روی کالکتور بر حسب(wattm2)
,)θ ضریب عبور پوشش ، ضریب جذب صفحه در زاویه برخورد θ
FRضریب انتقال حرارت کالکتور
ηراندمان
Fضریب تابع کنترلی اعمالی بر سیستم حورشیدی
CPگرمای ویژه فشار ثابت آب(kjkg)
FNPکسر بار خورشیدی از بار کل
اگزرژی(kj)
نرخ اگزرژی(kw)
راندمان اگزرژتیک
راندمان اگزرژتیک
نرخ بازگشت ناپذیری(kw)
نرخ هزینه($Year)
نرخ هزینه دستگاه($Year)
هزینه واحد اگزرژی($Gj)
نرخ هزینه ثابت($Year)
هزینه تعیرات و نگهداری
هزینه خرید تجهیز($)
ضریب بازگشت سرمایه
نرخ بهره
تعداد سال عملکرد سیستم
s آنتروپی(kj)
u انرژی داخلی(kj)
e اگزرژی ویژهkjkgfkفاکتور اگزرژواکونومیک
qمیزان انتقال حرارت بر واحد جرم
PIRنسبت افزایش کارایی
Rدمای آب ورودی و خروجی برج خنک کن(℃)
Aدمای آب ورودی و دمای حباب تر(℃)
Fدبی آب ورودی به برج خنک کن
زیرنویس
Lسطح پایین دمایی، اتلاف حرارتی از کالکتور،اتلاف اگزرژی
Hسطح بالای دمایی
Aسطح میانی دمایی
e اواپراتور
g ژنراتور
c کندانسور،کالکتور خورشیدی،کارنو
a جاذب
shx مبدل حرارتی محلول
lلیتیم برماید
wآب
sh-hسمت گرم مبدل حرارتی محلول
sh-cسمت سرد مبدل حرارتی محلول
highسطح فشاری بالای سیکل
lowسطح فشاری پایین سیکل
Rتبریدی
hحرارتی
gminحداقل دمای مورد نیاز ژنراتور جهت حصول دمای اواپراتور
pسفحه جاذب کالکتور
atمحیط
fiورودی جریان به کالکتور
feخروجی جریان از کالکتور
apمساحت دهانه‌ای از کالکتور که اجازه عبور پرتوهای رسیده را داده است
θ زاویه تلاقی خورشیدی
offخاموش شدن پمپ مابین تانک و کالکتور
onروشن شدن پمپ مابین تانک و کالکتور
m,iجریان شبکه در گره iاز تانک ذخیره آب داغ
S,iوضعیت تانک در گره iاز تانک
COخروجی از کالکتور
L,rخروجی از بار(ژنراتور)
inter ورود به سطح تماس دو گره در تانک ذخیره آب داغ
refمرجع(ورود به ژنراتور)
auxهیتر کمکی
loadبار(ژنراتور)
Dتخریب اگزرژی
Pمحصول
fسوخت
Wکار
qانتقال حرارت
insادوات کنترلی و ابزار دقیق
SCکالکتور خورشیدی
Tتانک ذخیره آب داغ
Tankتانک ذخیره آب داغ
Collectorکالکتور خورشیدی
Cقیمت بر واحد سطح کالکتور خورشیدی
wbحباب تر
Cooling Towerبالانویس
Lبار وارده از طرف تانک ذخیره آب داغ به کالکتور
cکالکتور خورشیدی

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

CH شیمیایی
PH فیزیکی
CI هزینه های سرمایه گذاری
OMهزینه های عملیاتی و تعمیرات
CH شیمیایی
مقدمهتولید سرمایش در زمینه زندگی روزمره بشری، کابردهای بسیار فراوانی از قبیل تولید مواد غذایی، مصارف تهویه مطبوع، موارد تولید دارو، سرمایش صنعتی و....دارد. سیکلهای سرمایش قدیمی و اولیه مانند سیکلهای تراکمی بخار دارای دو مشکل عمده هستند که امروزه نیز با آن دست در گریبانند. این دو مشکل عبارتند از[1]:
-افزایش جهانی مصرف انرژیهای اولیه و فسیلی: سیکلهای سرمایش قدیمی که توسط الکتریسیته و حرارت عمل میکنند، به طور شدیدی میزان زیادی انرژی فسیلی و اکتریکی را مصرف میکنند. انستیتوی بین المللی تبرید و سرمایش در پاریس(IIFIIR) %15از میزان کل انرژی الکتریکی که در جهان تولید میشود را به اهداف سرمایشی و تهویه مطبوع در انواع گوناگون آن اختصاص داده است. مطابق با گزارش این سازمان، %45 از سهم انرژیهای مصرفی برای زمینههای تهویه مطبوع، به مصارف ساختمانهای مسکونی و تجاری اختصاص دارد. علاوه بر آن در تابستان مشکلات بسیار زیاد در افزایش چشمگیر پیک مصرف همچنان ذهن محققان را در کاهش آن به خود مشغول داشته است.
-سیستمهای سرمایش متداول سبب مشکلات زیست محیطی جدی میشدند: سیالات عامل مرسوم و غیر طبیعی در سیستمهای تجاری سابق(همانند کلرو فلو کربن ها(CFCs)، هیدروکلرو فلوروکربنها(HCFCs)و هیدروفلروکربنها(HFCs))سبب هر دو مشکل تخریب لایه اوزون و افزایش گرما در سرتاسر جهان میشدند. از زمان تصویب پروتوکل مونترال در سال 1987، توافقات بینالمللی بر کاهش استفاده از این سیالات تأکید کردهاند. به عنوان مثال اتحادیه اروپا بیان کرده که تا سال 2015 تمامی سیستمهایی که با سیال HFCFs کار میکنند میبایست از مدار خارج گردند.
بعد از بحران نفتی دهه 1970 در اروپا و به ویژه در سالهای اخیر، تحقیقات بر روی توسعه تکنولوژیهایی که سبب کاهش در مصرف انرژی، تقاضای پیک اکتریسیته و قیمت انرژی بدون کاهش در سطح شرایط مطبوع لازمه گردند، معطوف گشتهاند. به همین دلیل در سالهای اخیر امکان استفاده از انرژی خورشیدی برای سرمایش و رطوبت زدایی ذهن بشر را به خود مشغول کرده است و موجب پیشرفت در تکنولوژی بهره برداری از انرژی خورشیدی شده است. در مناطق گرم سیری جهان که ضرورت سرمایش و تهویه مطبوع به طور جدی وجود دارد، ذهن بشر متوجه استفاده از انرژی در دسترس خورشیدی است تا بتواند با استفاده از آن رفاه و آسایش زندگی را فراهم آورد. علاوه بر این، کاربرد انرژی خورشیدی در مقایسه با سایر کاربردها جذابیت بیشتری دارد زیرا زمانی که نیاز به آن وجود دارد (سرمایش و تهویه مطبوع) میزان انرژی خورشیدی زیاد است و می توان از آن بهره گیری کرد. سیستمهای سرمایش جذبی خورشیدیدارای هر دو مزیت عدم خطرناک بودن از لحاظ زیست محیطی و کم بودن مصرف انرژی به ویژه در ساعات پیک الکتریکی را دارا هستند.
در مقایسه با دیگر کاربردهای انرژی خورشیدی این کاربرد پیچیدگی بیشتری دارد چه به لحاظ مفهومی و چه به لحاظ کاربردی. به همین دلیل توسعه و کاربرد جهانی پیدا نکرده است. در این روش تنها دریافت و جذب انرژی خورشیدی کافی نیست، بلکه باید بتوانیم این روش را به سرما تبدیل کنیم و سپس به طرف فضای مورد نظر بفرستیم. باید وسیله ای وجود داشته باشد که حرارت را از دمای پایین (فضای مورد تهویه) گرفته و با دمای بالاتر (فضای بیرون) انتقال دهد یا در اصطلاح ترمودینامیکی به یک پمپ حرارتی نیاز است. در شکل 1 نمای یک سیکل تهویه مطبوع خورشیدی با تمام تجهیزات به طور کامل نشان داده شده است.
سیال منتقل کننده حرارت در کالکتورهای خورشیدی تا دمای بالاتر از دمای محیط گرم شده و به عنوان محرک و انرژی در یک سیکل قدرت (که خود یک پمپ حرارتی است) وارد میگردد.
سیال انتقال دهنده گرما ممکن است هوا، آب و یا سیال دیگری باشد. گرما میتواند برای زمانهایی که تابش خورشید وجود ندارد نیز ذخیره گردد. گرمای گرفته شده از سیکل خنککن خورشیدی به محیط اطراف منتقل میشود، این کار به وسیله هوای محیط یا آب خروجی از برج خنک کن خنک میشود.
تجهیزات سرمایش ممکن است اثر سرمایش را به طرق مختلف ایجاد کنند. یکی از روشها تولید آب سرد و فرستادن به سمت تجهیزاتی است که به وسیله ی آب سرد محیط را خنک میکنند (به کمک هواساز) و یا فنهای بادزن. همچنین میتوان هوا را به صورت مستقیم خنک کرد و به سمت فضای مورد تهویه فرستاد.
کالکتورهای خورشیدی قسمت مهمی از هر سیستم خورشیدی هستند که انرژی خورشیدی را به گرما در دمای مناسب تبدیل میکنند، که این گرما قدرت مورد نیاز برای سیکل سرمایش است. کالکتورها انواع مختلفی دارند که از صفحات تخت با دمای پایین تا صفحات پیچیده با دمای بسیار بالا را شامل میشوند. با افزایش تقاضا برای تهویه مطبوع در سالهای اخیر به خصوص در مناطق گرمسیر و مرطوب تقاضا برای مصرف انرژی زیاد شده است. از آنجایی که در فصل گرما تقاضا برای مصرف انرژی الکتریکی بسیار زیاد میشود در این فصل با قطعی جریان برق مواجه هستیم و تقاضای بیشتر برای انرژی الکتریکی با مشکل مواجه است. با استفاده از تکنولوژیهای جدید میتوان از انرژی خورشیدی در چنین مواقعی استفاده کرد.

شکل (1): نمای یک سیکل تهویه مطبوع خورشیدی
در این نوشتار سیکلهای جذبی خورشیدی مورد بررسی قرار خواهد گرفت. ابتدا مطالعه مقدماتی و حرارتی سیستمهای جذبی متداول و سیستمهای جذبی خورشیدی مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به متغیر بودن میزان تابش خورشیدی در طول ماهها و ساعات مختلف فصول گرمایی، آنالیز حرارتی و ترمودینامیکی به صورت وابسته به زمان ( آنالیز دینامیکی) مورد تحلیل وبررسی قرار گرفته است. در مرحله بعد آرایش کامل سیستمهای جذبی خورشیدی از نظر موضوعات اگزرژی و قانون دوم مورد بررسی قرار گرفته تا به کمک آن تحلیل جامع ترمواکونومیک سیستم و بهینه سازی آن قابل بررسی باشد.
مرور تحقیقات انجام شده قبلیکارایی کلی سیکلهای جذبی در مورد اثر تبریدی در واحد انرژی ورودی ضعیف است. هرچند حرارت اتلافی مانند آنچه از وسایل برقی دفع میشود را میتوان برای به دست آوردن بهرهوری انرژی کلی بکار گرفت. سیستمهای آمونیاک/آب (NH3/H2O) به صورت گسترده درمواردی که دمای کمتر مورد نیاز است، بکار گرفته میشوند. هرچند، سیستمهای آب/ برمید لیتیم (H2O/LiBr) به صورت وسیع در مواردی که دمای معتدل مورد نیاز است، مورد استفاده قرار میگیرند (دستگاه تهویه هوا) و سیستم دوم نسبت به سیستم اول کارآمدتر است. مطالعات گوناگونی برای انتخاب سیال عامل مناسب اجرا شده است.در تحقیق Saravanan و Maiya [2] یک سیستم مبرد جذبی بخار بر پایه آب با چهار مخلوط دو دویی مورد آزمایش قرار گرفت. اختلاف کاراییهای گوناگون پارامترها برای ترکیبات سیالات عامل بر پایه آب مورد مقایسه قرار گرفت. در تحقیق Sun [3]خصوصیات ترمودینامیکی مخلوط های دودویی بر پایه آمونیاک (NH3-H2O,NH3-LiO2,NH3-NaSCN) داده شدو کارایی سیکلها مورد مقایسه قرار گرفت. Yoon و Kown [4] خصوصیت کارکردی سیال عامل جدید (H2O/LiBr + HO(CH2)3OH) را به عنوان جانشین H2O/LiBr ارائه کرد، و یک شبیه سازی سیکل برای بررسی طراحی بهینه و شرایط کارکردی سیستم جذبی هوای خنک شده انجام شد. Kayanaki و Yamanka--eniz [5] اثر مبدلهای حرارتی که برای احیاء انرژی حرارتی در ARS ها بکار میروند، را بر روی ضریب کارایی (COP) مورد بررسی قرار دادند. یک محلول آمونیاک-آب به عنوان یک جفت مبرد- جاذب در نظر گرفته شد. آنالیزهای ترمودینامیکی برروی سیستم انجام شد و خصوصیات ترمودینامیکی آمونیاک و محلول آمونیاک- آب ارائه گردید. Mos--vi و Agnew[6و7] اثر دمای محدود را بر روی واحدهای جذبی که در آنها لیتیم برماید – آب بکار میرفت، آزمودند. آثار دماهای ورودی آب خنک کننده، آب داغ و آب خنک بر روی ناحیه سطحی جاذب و خصوصیات جاذب به وسیله Atmaca و همکاران[8] مورد بررسی قرار گرفت.
Srikhirin و همکاران[9] یک پروژه - ریسرچمروری در مورد تکنولوژی مبردهای جذبی مانند مدلهای گوناگون ARS ها، تحقیقات انجام شده در مورد سیالات عامل و اصلاح فرآیندهای جذبی ارائه کردند. Kececiler و همکاران [10] یک مطالعه تجربی درمورد آنالیز ترمودینامیکی یک ARS بازگشت پذیر با استفاده از مخلوط آب و برمید لیتیم انجام داد. Joudi و Lafta [11] یک مدل شبیه سازی کامپیوتری حالت- ثابت برای پیش بینی کارایی یک ARS که در آن از لیتیم برماید – آب استفاده می شود، ارائه داد.
علاوه بر اینها، در مطالعات پارامتری Wijeysundera [12]اختلاف بیشترین ظرفیت خنک کنندگی، ضریب کارایی و راندمان قانون دوم یک نوع سیکل جذبی با متغیرهای کارکردی مورد بررسی قرار گرفتند. یک مطالعه مشابه به وسیله Chen [13] انجام شد که در آن نرخ انتروپی تولید و پارامترهای اولیه کارکردی یک سیکل مبرد جذبی مورد محاسبه قرار گرفت. . Kreider و Kreith [14]در 1981 یک سیستم تهویه هوای خورشیدی LiBr-H2O با دو تانک ذخیره آب داغ را معرفی کردند. فواید این سیستم آن است که گرمای جمعآوری شده به وسیله یک آرایه کالکتور داده شده، ممکن است به وسیله فاکتور 3/1 تا 5/1 افزایش یافته باشد. در همین زمان، COP فصلی ممکن است 15% افزایش یابد. Butz و همکاران[15]، یک شبیه سازی کامپیوتری را بر روی سیستم تهویه هوای خورشیدی LiBr-H2O انجام دادند که وابسته بودن بودن خروجی بر سطح کالکتور و طریقهای که در آن راندمان سالیانه سیستم با افزایش سطح کالکتور، کاهش مییابد، را نشان میدهد. Tsilingiris [16]نیز تئوری مدل میکروکامپیوتری مناسب برای پیش بینی کارایی و بررسی رفتار کارکردی نمونه ساده سیستم خنک کننده LiBr-H2O برای کاربردهای خانگی را گسترش داد. نتایج بدست آمده بهینه سازی طراحی و تخمین اقتصادی اولیه سیستم برای کارکرد تحت شرایط آب و هوایی محلی (یونان) را میسر ساخت. همچنین بیان شد که با قیمت حال حاضر سوختهای فسیلی، انرژی الکتریکی و اجزاء مکانیکی، کاربرد تهویه هوای خورشیدی بدون ترکیب با گرم کننده خورشیدی، اقتصادی و کم حاشیه است. Muneer و Uppal[17] مدل شبیهسازی عددی جزئی برای چیلرهای جذبی خورشیدی در دسترس از لحاظ تجاری، ارائه کردند. نتایج نشان داد حجم ذخیره به سطح کالکتور دارای که یک نسبت بهینه است. همچنین، با سطح کالکتورهای نسبتاً کوچک، کسر بالایی انرژی خورشیدی میتوان بدست آورد حتی اگر کالکتورها از نوع ارزان قیمت باشند. نکته جالب این بود که سیستم در شرایط بار طراحی شده با دمای ژنراتور کمتر از ℃80 کار میکند با توجه به این حقیقت که در شرایط خشک Sahara دمای خیلی پایین آب خنک کننده در دسترس است. هدف از این پروژه - ریسرچارائه فواید سیستم ذخیره سازی طبقهبندی شده زمانی که برای یک سیستم جذبی تعریف میشود، میباشد. بنابراین، یک مدل شبیهسازی عددی جزئی برای چنین سیستم خنک کننده جذبی اصلاح شده ارائه میشود و نتایج نشان میدهد که با تانک ذخیره طبقهبندی شده، اثر خنک کنندگی خیلی زودتر از سیستمهای جذبی سنتی با تانک ذخیره یکتا، میتواند آزاد شود.
Misra و همکاران [18و19] روش میانگین هزینهها را برای بهینهسازی سیستم مبرد جذبی لیتیم برماید- آب به کار بردند. این روش شامل آنالیزهای اگزرژی جزئی به همراه میانگین هزینه در واحد اگزرژی همه جریانهای داخلی و محصولات ظاهر شده در سیستم ترمواکونومیک مورد نظر است. Sahin و Kodal [20] و Kodal و همکاران[21] آنالیز کارایی را با استفاده از ترمواکونومیک زمان محدود بر اساس تابع هدف ترمودینامیک برای مبردهای جذبی و پمپهای حرارتی انجام دادند. Sahoo و همکاران [22] در باره حداقل کردن کارکرد کلی و هزینه استهلاک سیستم مبرد جذبی آمونیاک-آب مطالعاتی انجام دادند. Accadia و Vanoli[23] از روش ساختاری برای بهینه سازی ترمواکونومیک کندانسور پمپ حرارتی متراکم کننده بخار استفاده کردند. Al-Otaibi و همکاران[24] بهینه سازی ترمواکونومیک سیستم مبرد متراکم کننده بخار با استفاده از قانون اول ترمودینامیک و آنالیز هزینه سیستم را مورد مطالعه قرار دادند. Accadia و Rossi [25]کاربرد تئوری ترمواکونومیک برای بهینه سازی اقتصادی دستگاه مبرد مرسوم با هدف حداقل کردن کارکرد کلی و هزینه استهلاک را بررسی کردند. Valdes و همکاران [26]راه ممکنی برای بدست آوردن بهینه سازی ترمواکونومیک سیکل ترکیبی دستگاه توربین گازی نشان دادند. بهینه سازی با استفاده از الگوریتم ژنتیک انجام شد.
فصل یکم-تکنولوژی چیلر های جذبی مقدمه:در عمل تفاوت چندانی بین تجهیزات پمپ حرارتی و ماشین گرمایی وجود ندارد. سیکلهایی که با دفع و جذب حرارت از دو منبع سرد و گرم به تولید کار میپردازند (ماشین گرمایی) دارای کار خروجی قابل مشاهده میباشند و کار آنها به طور مستقیم برای راه اندازی بخشهای دیگر مورد استفاده قرار میگیرد.
در پی بحران انرژی در دهه 1970، تحولات بزرگی در استفاده از انرژی خورشیدی روی داد بهطوری که طی چند سال شاهد افزایش تقاضا برای بهکارگیری انرژی خورشیدی برای راه اندازی سیستمهای موتورگرمایی و پمپ حرارتی بودهایم. موتور گرمایی که میتواند در سیکل استرلینگ یا رانکین به کار گرفته شود، از یک سیال عامل بهره می گیرد. پمپ حرارتی از کمپرسورهای بخار موسوم به تجهیزات سرمایشی کمک میگیرد، هرچند بسیاری از تلاشها در حد کاربرد در مصارف آزمایشگاهی بوده است.
آزمایشها نشان داده است که سیستم سیکل بسته برای سیستمهای خورشیدی بر پایه سیکل جذبی مناسب تر است، که در نهایت تقابل بین دو قسمت ماشین از بین میرود. سیستمهای جذبی دارای مزایای زیر میباشند :
در گسترهی وسیعی از دمای چشمه (منبع حرارتی گرم) و چاه (منبع حرارتی سرد) کار میکنند،
قادرند برای افزایش COP تا چند مرحله دمای چشمه را افزایش دهند،
به دلیل نداشتن تجهیزات متحرک زیاد، دارای سر و صدای کمی هستند،
سیال عامل آنها از لحاظ زیست محیطی مناسب است و به ویژه قابلیت عملکرد در فاز خورشیدی به عنوان پشتیبانی حرارتی را دارا میباشد.
علاوه بر این، سیستمهای جذبی قادرند به عنوان تجهیزات سرمایش در سیستمهای خورشیدی به کار گرفته شوند. استفاده و کابرد سیکلهای جذبی از زمان اختراعشان در قرن نوزدهم بر اساس قیمت نسبی سوخت و الکتریسیته و بهبود در تکنولوژی تراکم مکانیکی و جذب ، متغاوت بوده است.
1-1اصول اولیه ترمودینامیکیبا توجه به گزینههای مختلف که برای سیستم پمپ حرارتی به کار گرفته در سیستم خورشیدی وجود دارد، ابتدا باید به اصول ترمودینامیکی تجهیزات سرمایش پمپ حرارتی پرداخته شود. نوعاً سیستم مذکور بین دمای منبع حرارتی در سه سطح دمایی کار میکند: دمای پایین فضای سرمایش یا فضای مورد تهویه، دمای بالای فراهم شده توسط انرژی خورشیدی، که دمای میانی سرد و گرم است و در واقع دمای محیط است که به عنوان چاه حرارتی مورد استفاده قرار میگیرد (شکل 1-1‌).
همان طور که در شکل 1-1 نشان داده شده است تجهیزات سرمایش میتوانند در غالب عبارات ترمودینامیکی به صورت تلفیقی از پمپ حرارتی و موتور گرمایی تشریح شوند. موتور گرمایی حرارت را در دمای از منبع گرم (انرژی خورشیدی) دریافت و به چاه حرارتی در دمای (محیط) انتقال میدهد و کار مکانیکی w را ایجاد مینماید. با توجه به قانون دوم ترمودینامیک میدانیم اگر سیکل تحت شرایط بازگشت پذیر طبق الگوی سیکل کارنو کار کند، بهترین کارآیی را خواهد داشت. تحت چنین شرایط بهینهای، ضریب کلی عملکرد سیستم (COP) سرمایش عبارت است از :
(1-1)
همان طور که در معادلهی 1-1 مشاهده میشود ضریب عملکرد سیستم سرمایش وابستگی زیادی به دمای عملکرد سیستم دارد که به طور قطع افزایش دمای موجب افزایش کارآیی سیستم میگردد.[27] بنابراین نوع کالکتور به کار گرفته شده در سیستم خورشیدی تأثیر مستقیم روی COP دارد و در واقع عامل محدود کننده (کنترل کننده) COP است.
با استفاده از کالکتورهای صفحه تخت معمولی، گرمای بهدست آمده در دمایی نه چندان بالا حاصل خواهد شد. کالکتورهای متمرکزکننده دمای بالاتری را فراهم میآورند ولی دارای قیمت بالاتری هستند و هم پیچیدگی و مشکلات بیشتری به سبب نیاز به تعقیب مسیر خورشید دارند. نتیجه گیری دیگری که از رابطه 1-1 میتوان کرد این است که می توان کارآیی (COP) را با کاهش دمای (چاه حرارتی، محیط) افزایش داد. با توجه به این نکته میتوان نتیجه گیری کرد که سرمایش با آب نسبت به هوا دارای مزیت است[27].

شکل 1-1 شرح ترمودینامیکی سیستم سرمایش[27]1-2 سیکل سرمایش جذبیبه طور کلی عملکرد سیستمهای جذبی مشابه سیستمهای تراکمی بوده ولی وابستگی شیمیایی ماده جاذب به مبرد سبب به وجود آمدن اثر سرمایش خواهد شد. این سیکل با در نظر گرفتن عملکرد 4 جزء اصلی آن یعنی جاذب، ژنراتور، میعان کننده یا کندانسور و تبخیر کننده به خوبی درک خواهد شد. شکل 1-2 شماتیکی از یک سیستم تبرید جذبی را در ساده ترین حالت (تک اثره ) نمایش میدهد. روش کار چیلر جذبی تک اثره به طور جامع در مراجع معرفی شده آورده شده است ولی به طور مختصر در اینجا اشاره میشود. مایع مبرد در فشار و دمای بالا در شکل 1-2 وارد کندانسور شده و با ازدست دادن حرارت خود به مایع تبدیل می شود. به جز سیستمهای کاملاً کوچک، در سایر موارد از کندانسورهای خنک شونده با آب استفاده میشود. سپس مایع مبرد داغ از طریق یک اوریفیس منبسط و وارد اواپراتور میشود. این مایع که در دما و فشار بسیار کمی قرار دارد در آنجا تبخیر شده و حرارت خود را از محیطی که قرار است سرد شود دریافت میکند. سپس بخار خروجی از از اواپراتور در همان فشار پایین وارد قسمت جاذب شده و جذب محلول LiBr غلیظ میشود. فرآیند جذب، به علت قابلیت مولکولی مابین مبردو ماده جاذب امکانپذیر بوده و گرمای ناشی از این عمل به مجموعه دسته لوله جاذب که از آب یک برج خنک کن یا هر سیستم دور ریزش حرارتی قابل تأمین است، انتقال مییابد. معمولاً این سیستم با سیتم دور ریزش حرارتی در کندانسور یکی خواهد شد. سپس محلول به وسیله یک پمپ با عبور از یک مبدل حرارتی تماس مستقیم) و به منظور بالا بردن دمای مخلوط و افزایش راندمان، با صرف کمی کار وارد ژنراتور میشود.

3486159144000شکل 1-2 تشریح شماتیکی چیلر جذبی تک مرحله ای[28]شکل 1-3نمایش یک سیکل جذبی تک اثره در سطوح مختلف دمایی و فشاردر این قسمت با صرف میزان کمی انرژی حرارتی، ماده جاذب از مبرد با افزایش حرارت مخلوط و به علت تفاوت در نقطه جوش جدا و ماده مبرد به سمت کندانسور و محلول غلیظ ماده جاذب به سمت مبدل حرارتی رفته و در آنجا خنک و به جذب کننده برگشته و سیکل کامل میشود.
همانطور که آشکار است سیستم بین دو سطح فشار کار می کند و با سه منبع حرارتی مختلف تبادل حرارت دارد(شکل 1-3) : دمای پایین در اواپراتور ، دمای متوسط در کندانسور و جاذب و دمای بالا در ژنراتور . همانطور که از بحث قبل مشاهده شد یک سیستم جاذب با دو سیال (مبرد و جاذب) کار میکند، در حالی که در سیکلهای تراکمی از یک سیال استفاده میشود.
1-3 تکنولوژی چیلر های جذبی:تقسیم بندی
اولین اساس برای تقسیم بندی سیستمهای جذبی نوع سیال عامل به کار رفته در آنها است. زوج لیتیم برماید – آب و زوج آب و آمونیاک (NH3-H2O) معمولترین سیالهای رایج در سیستمهای تبرید جذبی هستند. در زوج آب- لیتیم برماید، آب به عنوان ماده مبرد و نمک لیتیم برماید به عنوان ماده جاذب و در زوج آب آمونیاک، آب ماده جاذب و آمونیاک ماده مبرد است. اکثر واحدهای سرمایش جذبی تجاری و با ظرفیتهای بالا از سیال عامل آب - لیتیم برماید استفاده میکنند. این در حالیست که سیستمهای آب- آمونیاک نیاز به دماهای بالاتری در سطوح انتقال حرارت مربوطه دارند و نیز عملکرد آنها نسبتاً پایین است در حالیکه دماهای پایین تر از نقطه انجماد را میتوان در آنان ایجاد نمود (در این حالت آب نقش جاذب را دارد). بنابراین برای کاربردهای تبریدی مورد استفاده قرار میگیرد، در صورتی که سیستم تشریح شده با سیال آب و لیتیم برماید برای مصارف تهویه به کار میروند. سیالات دیگری نیز در سیستمهای جذبی وجود دارند که اخیراً محققان از آنها برای سیستمهای جذبی خورشیدی استفاده میکنند. از این موارد میتوان به زوجهای NH3-CACL2و NH3-SRCL2 و سهگانههایی از قبیل NAOH-KOH-CSOH نام برد.[1]
سیستمهای جذبی عادی را همچنین میتوان بر اساس منبع حرارتی در ژنراتورهای آنها تقسیمبندی نمود[28]:
- واحدهای اشتعالی مستقیم که حرارت را به طور مستقیم از طریق اشتعال گاز طبیعی یا هرگونه سوخت فسیلی توسط مشعل تأمین میکنند،
- واحدهای اشتعالی غیر مستقیمکه حرارت را از طریق بخار آب تأمین می کنند،
- واحد های استفاده کننده از گاز خروجی دیگر واحدها (مانند خروجی توربین گاز) یا واحدهای بازیابی حرارت،.
-کالکتورهای خورشیدی.
در نهایت مشخصات غالب سیستمهای جذبی که هم اکنون مورد استفاده قرار میگیرند عبارتند از[28]:
5429250شکل 1-4نمای جانبی و شماتیک یک چیلر جذبی تک اثره[28]
- ساده بودن طراحی بدون وجود اجزاء متحرک و کارکرد در دماها و فشار های نسبتا پایین،
- نیاز به انرژی الکتریکی کم،
- نرخ بالای دور رریزش حرارتی به منبع بالای گرمایی که نسبت به سیستم های تراکمی نیازمند برج های خنک کن با ظرفیت بالا و انرژی زیاد فن و پمپ میباشد،
-اندازه و وزن نسبتا زیاد این تجهیزات،
-استفاده این سیستمها از سیالات عامل بی خطر و بدون تأثیرات گرمایشی زمین و بیخطر برای لایه اوزون.
1-3-1 سیکل های جذبی یک یا چند اثره با سیال عامل لیتیم برماید:
سیکل نمایش داده شده در شکلهای 1-3و1-4 سیکل یک مرحلهای یا تکاثره نامیده میشود. میزان دمای لازمه برای ژنراتور این گونه چیلرها در حدود 93 تا 132 درجه سانتیگراد میباشد و بخار آب به کار رفته در ژنراتور این تجهیزات میبایست دارای فشار 6/1 تا 2 بار باشد. [28]چنانچه دمای کاری چیلر کمتر از مقدار حداقل فوق باشد، راندمان سیکل به شدت کاهش خواهد یافت. اگرچه مطابق با استانداردهای امروزی سیستمهای یک مرحلهای از لحاظ حرارتی ناکارآمد هستند، اما زمانیکه قیمت بخار ارزان بوده و یا در حالتیکه در خروجی تجهیزات دیگر به صورت بازیابی حرارتی به کار گرفته شود، کارا و مفید هستند. ولی به طور کلی در بهترین حالت ضریب عملکرد این تجهیزات به میزان حدود 7/0 تا 8/0نمیرسد. اشکال1-4 تا 1-6 بیانگر شکل تجاری این گونه سیستمها میباشند. در فصل 2 جزییات ترمودینامیکی بیشتری از این سیکلها در آرایش خورشیدی آنان بیان خواهند شد.
سیستمهای جاذب تک اثره خورشیدی با COP محدود 7/0تا8/0کار می کنند. سیستمهای یک مرحلهای برای حصول دماهای بالاتر از 100در جه سانتیگراد مناسب نمیباشند، علاوه بر آن بر خلاف سایر سیکلهای پمپ حرارتی ، در اثر افزایش بیش از حد دمای ژنراتور میزان ضریب عملکرد سیکل، به علت افزایش در تلفات مخلوط شدن وگردش جریان ، به شدت کاهش خواهد یافت. به همین علت برای غلبه بر این مشکل و افزایش ظرفیت و راندمان سیکل و بهره گیری از منابع گرمایی با دمای بالا، سیستم جذبی (بخش جذب) را می توان با استفاده از مراحل بیشتر تبدیل نمود.

9144000شکل1-5 برشی از یک چیلر جذبی تک اثره تجاری[28]
تفاوت مابین سیکل یک اثره و چند اثره استفاده از گرمای دفع شده در کندا نسور در ژنراتور میباشد، در نتیجه بدون به کارگیری منابع جدید حرارتی خورشید سرمایش تولیدی را میتوان 2 تا 3 برابر افزایش داد. برای این سیستمها دمای کاری ژنراتور در حدود 188 درجه سانتیگراد و فشار کاری آنان 9/8 بار است. میزان ضریب عملکرد آنها نیز در حدود 22/1 تا 19/1 است. سیستمهای جذبی دو اثره از نظر نوع جریان مابین مبدلهای حرارتی آنها به سه دسته تقسیم میشوند: جریان موازی، جریان سری و جریان معکوس. در حالت جریان سری، محلول ضعیف لیتیم برماید در طول مبدلهای حرارتی دما پایین و دما بالا قبل از وارد شدن به ژنراتور اصلی به صورت سری باهم جریان مییابد. در حالت جریان موازی، محلول ضعیف بعد از خارج شدن از مبدل حرارتی اولیه، دو قسمت شده که یکی به مبدل حرارتی جریان بالا و دیگری به ژنراتور ثانویه میرود. در حالت جریان معکوس، محلول ضعیف توسط بخار ژنراتور اصلی قبل از ورود به ژنراتور دوم گرم میشود. [28]
771525330136500

شکل1-6نمایی از دو چیلر جذبی تک اثره متفاوت[28]
در شکل 1-7 نمایی از سیستم جذبی دو اثره نمایش داده شده است که در آن یک سیستم جذبی با سیال آب – لیتیم برماید و دو ژنراتور و یک کندانسور و با به کار گیری یک جاذب و اواپراتور کار میکند. در شکل 1-9 نیز نوع دیگری از این سیستم ارائه شده است.

شکل1-7نمایی از فلودیاگرام سیکل جذبی چند مرحله ای[28]

شکل1-8 برشی از یک سیکل جذبی چند مرحله ای تجاری[28]
این سیستم همانند سیستم ارائه شده در شکل (1-3) است با این تفاوت که کندانسور ، ژنراتور ، مبدل و شیر فشارشکن به آن اضافه شدهاند. در عملکرد این سیستم 3سطح فشار و 4سطح دمایی وجود دارد، محلول رقیق جاذب را ترک می کند و به داخل دو ژنراتور که به صورت سری اند جریان یافته و در دو مرحله عمل جدا سازی در ژنراتور صورت میگیرد. در ژنراتور دما پایین سطح حرارتی پایینتری مورد استفاده قرار میگیرد که این حرارت از کندانسور تأمین میشود.

شکل 1-9 نمایش یک سیکل جذبی چند اثره خورشیدی در سطوح مختلف دمایی و فشار[27]
در سیستمهای چند اثره، خروجی کندانسورها در فشارشکن منبسط شده و این در حالی است که در سیستمهای تک اثره از یک کندانسور استفاده میشود، لذا این سیستمها را سیستمهای تبرید دو اثره می نامند. همین قوانین را می توان با به کارگیری 3ژنراتور و 3 کندانسور در سیستمی موسوم به سیستم جذبی سه اثره مورد استفاده قرار داد و این در حالی است که حرارت منبع گرمایی به اندازه کافی باشد. در این سیستم ها نیز که نمونهای از فلو دیاگرام آنان در شکل (1-12) توضیح داده شده است، بازده حرارتی سیستم در حدود %50افزایش یافته و به مقادیر ضریب عملکرد در حدود 4/1نیز دست مییابند. همچنین ظرفیت برج خنک کن و میزان آب آرایشی برای این سیکلها نیز به علت نیازمندیهای کمتر انرژی ورودی سیستم، کاهش مییابند.[28]
یک نوع طراحی که همچنان در حال توسعه میباشد، شامل دوآبشار چیلر تک مرحلهای که یکی در دمای سابق و دیگری در دمای بالاتری کار میکند، میباشد. همانطور که قبلاً گفته شد سیستمهای تبرید جذبی غالباً سیستمهای تبرید جذبی تک اثره با دمای ژنراتور نسبتاً پایین میباشند. با توسعه سیستمهای تبرید جذبی گاز سوز خصوصاً در آمریکا و ژاپن، سیستمهای تبرید با COP بالا در دسترس قرار گرفته است. همچنین سیستمهای جذبی دو اثره با COP 1-2/1 و نیز سه اثره با COP 7/1 در بازار موجود است. این سیستمها را میتوان برای تبرید جذبی خورشیدی به شرط فراهم شدن حرارت لازم به کار گرفت.

شکل1-10نمایی از چیلر جذبی 2 مرحله ای تجاری[28]

شکل 1-11 ضریب عملکرد به عنوان تابعی از دمای تأمین شده در سیکل تبرید یک، دو و سه
مرحله ای[28]

شکل 1-12 نمایی از فلودیاگرام یک چیلر جذبی 3 مرحله ای [28]
شکل 1-11 COP را بر حسب دمای تأمین شده خورشیدی در ژنراتور برای سیستمهای تبرید جذبی یک، دو، سه اثره با اجزای یکسان نشان میدهد. آب سرد ورودی در 30 درجه وارد و در 7 درجه خارج می شود. همچنین در این شکل عملکرد یک سیستم که در یک سیکل کارنو کار میکند برای مقایسه ارائه شده است، آشکار است که برای سیستم چنانچه درجه حرارت ژنراتور تأمین شده کمتر از این دمای حداقل باشد، سیستم قادر به کارکردن نمیباشد.[28]
1-3-2 سیستمهای جذبی آب-آمونیاک
این گونه سیستم-ها در کابردهای سرمایشی و تهویه مطبوع برای منازل مسکونی و تجاری مورد استفاده قرار نگرفته و بیشتر برای موارد سرمایشی و تبریدی در درجه حرارتهای بسیار پایین ودر ظرفیتهای محدود مورد استفاده قرار میگیرند. یکی از موارد اصلی تحقیق و توسعه سیستمهای جذبی در حال حاضر استفاده از این گونه چیلرها در مدلهایی که دارای ظرفیت بالاتر و بازدهی حرارتی بهتری هستند ، می باشد.
همانطور که در بالا توضیح داده شد، در چیلرهای جذبی آب-آمونیاک، آب به عنوان ماده جاذب و آمونیاک به عنوان مبرد عمل می کند. در این گونه سیکل ها باز تولید محلول غلیظ ماده جاذب توسط فرآیند تقطیر جزئی در بالای ژنراتور صورت میگیرد(به علت طبیعت فیزیکی و شیمیایی آب وآمونیاک)همچنین در این آرایش یک نوع مبدل حرارتی برای ماده مبرد که پیش خنک کن نامیده می شود در بالای اواپراتور قرار داده شده تا از این طریق میزانی از گرمای جذب کننده را نیز قبل از تبخیر کسب کند و راندمان سیکل افزایش یابد.

شکل 1-13 فلودیگرام سیکل جذبی آب-آمونیاک[28]

شکل1-14دو چیلر مونتاژ شده 25 تنی مستقیم اشتعالی و هوا خنک شونده آب-آمونیاک [28]
در حال حاضر سیستمهای دو یا چند مرحلهای لیتیم برماید-آب ضرایب عملکرد بالاتری را نسبت به این گونه سیستم ها نشان میدهند. اما سیستمهای لیتیم برماید-آب نیز دارای محدودیت هایی میباشند. یکی از بزرگترین محدودیتهای سیستمهای لیتیم برماید آب که در همین فصل به آن اشاره خواهد شد، عدم توانایی عملکرد این چیلرها در کارکرد در دماهای پایین اواپراتور (دماهای زیر 4/4 درجه سانتیگراد)میباشد [28].در سیستمهای جذبی آب- آمونیاک این مشکل وجود نداشته و می توانند به طور نا محدودی در درجه حرارت های بسیار پایین اواپراتور عمل و از این لحاظ با سیستم های تراکمی چه از نظر قیمت و چه از نظر راندمان قابل رقابت هستند. این امر کاربرد این سیتم ها را در موارد سرمایشهای فرآیندی و صنعتی و به عنوان مثال ذخیره سازی یخ مناسب می سازد.
سیستمهای آب-آمونیک همچنین قادرند تا در فشار های کندانسور در حدود 1/20بار و فشار های اواپراتور در حدود 8/4 بار کار کرده و نیاز به قطر مخزن تحت فشار پایین 6 اینچ می باشند. در این چیلرها پمپ لازمه برای بالا بردن فشار محلول ضعیف، میبایست از نوع جابجایی مثبت باشد.همچنین با توجه به فشار بالای کندانسور میتوان در این سیتم ها از خنک کاری هوایی به جای خنک کاری تبخیری یا توسط برج خنک کن ،استفاده نمود که از این منظر از هزینه های کلی تجهیزات،تعمیرات و پیچیدگی سیستم های تبخیری اجتناب می شود.در شکل 1-13 نمونه ای از فلو دیاگرام اینگونه سیستم ها نمایش داده شده است.در شکل 1-14 نیز مونتاژ یک مدل چیلر جذبی آب-آمونیاکی با خنک کاری هوایی نشان داده شده است.
1- 4 بلورینگی
بلورینگی یا تشکیل ذرات جامد، در سیستم های جذبی لیتیم برماید-آب یک مسأله نگران کننده تاریخی در زمینه عملکرد این سیستمها می باشد. چنانچه دمای محلول کاهش یابد، میزان غلظت مجاز حداکثر نیز کاهش و ذرات جامد شروع و تشکیل و مسیر سیال در سیستمهای لوله کشی چیلر بسته شده و عملکرد دستگاه متوقف خواهد شد. یکی از مکانهایی در سیکل که بیشترین امکان را برای این امر دارد، خروجی مبدل حرارتی مابین ژنراتور و جذب کننده و قبل از جذب کننده است. در این حالت گرم کردن مسیر لوله به منظور ذوب ذرات جامد و روان نمودن حرکت محلول امری اجتناب ناپذیر خواهد بود. بلورینگی میتواند از عواملی مانند درجه حرارت بسیار پایین آب مایع در کندانسور یا عوامل دیگری مانند عیوب توانی و یا نشتی هوا به سیستم و یا عملکرد در بار بسیار پایین چیلر به وجودآید.
معمولا دمای آب کندانسور به حداقل درجه حرارت 13 تا 16 درجه سانتیگراد محدود و این امر توسط یک شیر کنار گذرتامین خواهد شد. همچنین در اغلب طرحها یک لوله جریان مازادکه سبب گرمایش مسیر سیال از ژنراتور به جذب کننده شده و امکان رفع بلورینگی و توقف حرکت سیال را در هر کجای سیکل با اعمال حرارت به وجود میآورد، تعبیه میشود. [28]
یکی از موارد مهم توسعه و تحقیق در تجهیزات جذبی، امکان استفاده از طرحهای متفاوت جریان سیال در سیکل است که امکان عملکرد در بارهای پایین با درجه حرارت و غلظت های پایین محلول را به وجود آورده و در عین حال امکان بلورینگی نیز از بین برود. تحقیق در این زمینه جهت استفاده از تجهیزات کنترلی پیشرفته جهت این مشکل و امکان پذیر کردن استفاده ازآنان در مدلهای تجاری توجه محققان را به خود معطوف ساخته است.
فصل دوم-تکنولوژی چیلرهای جذبی خورشیدی
مقدمهدر فصل قبل به اجزاء جذبی و حرارتی سیستم های جذبی خورشیدی اشاره شد. در این فصل به معرفی کامل این سیستم ها و تلفیق اجزاء فوق میپردازیم. همانطور که اشاره شد در سیستمهای جذبی خورشیدی حرارت لازمه در ژنراتور توسط کالکتورهای خورشیدی تأمین میشود. اما کنار هم قرار دادن اجزاء جذبی و حرارتی مستلزم تکنولوژی مجزا و متفاوت از سیستم های جذبی معمولی است. در این فصل به مهمترین تکنولوژیها و مزایا و معایب این سیستم ها اشاره می شود.
در سه دهه گذشته پروژههای بسیاری با استفاده از انرژی خورشیدی برای سیستمهای تبرید جذبی خصوصاً با سیال آب-لیتیم برماید (در سیستم جذبی تک اثره) مورد بهره برداری قرار گرفتهاند. سیستمهای اولیه مورد استفاده در اصل برای سوختهای فسیلی طراحی شده بودند. به همین دلیل، بسیاری از تجهیزات از کارآیی بالایی برخوردار نبودند (به علت کم بودن دمای ژنراتور در سیستم خورشدی نسبت به استفاده از سوخت فسیلی). پس از آن تلاشهای بسیاری جهت اصلاح سیستم فوق و بهره گیری از حرارت انرژی خورشیدی انجام گرفت.
با وجود پتانسیل بسیار بالای بازار برای چیلرهای جذبی خورشیدی، سیستمهای خورشیدی موجود به علت قیمتهای اولیه کلی بالای اجزاء آن با سایر سیستمهای راننده جذبی مانند الکتریسیته و گاز طبیعی قابل رقابت نیستند. سیستمهای برودتی خورشیدی متفاوتی همانند سیستم های جذبی بخار–مایع(سیکل بسته)،سیستم های جذبی بخار-جامد(سیکل باز) و سیستمهای تراکمی عادی و فوتو ولتیک توسط محققان مورد آزمایش قرار گرفته اند که بسیاری از آنان به مرحله تجاری و تولید عمده نرسیده اند. [29]
مهمترین مشکل سیستمهای برودتی خورشیدی، وابستگی شدید آنها به پارامترهای محیطی مانند دمای آب خنککن، دمای هوا، میزان تشعشع محلی خورشیدی، سرعت باد و ...است. به عبارتی دیگر، راندمان تبدیل انرژتیک آنان پایین و از منظر اقتصادی قابل قیاس با سیستمهای قدیمی نیستند.
همانطور که در قسمتهای قبل اشاره شد، معمولاً سیستمهای برودتی خورشیدی را بر اساس تفاوت در تکنولوژی های مورد استفاده در دو بخش حرارتی و جذبی آنان تقسیم بندی میکنند. حال در این قسمت نیز به طور خلاصه به بیان کلی تقسیم بندی هر دو جزء سیستم که توسط Best and Ortega [29]در سال 1998 ایجاد شد میپردازیم:
انواع اجزاء حرارتی در سیستمهای جذبی خورشیدی عبارتند از:
کالکتور های تخت،
کالکتور های لوله ای غیر متمرکز،
کالکتور های ایستگاهی به صورت فشرده و بدون شکل،
کالکتور های فشرده بشقابی،
کالکتور های فشرده با زوم خطی،
استخر های خورشیدی،
سیستمهای فوتوولتیک و ترمو الکتریک.
انواع اجزاء جذبی در سیستمهای جذبی خورشیدی عبارتند از:
سیستمهای جذبی مداوم از نوع سیکل بسته،
سیستمهای جذبی متناوب از نوع سیکل بسته،
سیستمهای جذبی جامد-گاز(سیکل باز)،
سیستمهای تصعیدی.
تحقیقات اخیر اغلب به علت طبیعت تناوبی تابش خورشید در طول روز بر توسعه سیستمهای جذبی خورشیدی متناوب معطوف گشتهاند. اما برای سیستمهای دائمی به علت توسعه دانش در طی سالیان دراز در بهبود راندمان و ضریب عملکرد بالای آنها در طی این تحقیقات، نتایج مفیدی حاصل شده و تقریباً به طورکامل برای مصارف تهویه مطبوعی سازگار گشتهاند.
همانطور که در قسمت قبلی اشاره شد، یک نوع بسیار مهم تقسیم بندی سیستمهای جذبی بر اساس نوع سیال عامل آنها است. در سیستمهای جذبی خورشیدی نیز فاکتور سیال عامل امری مهم در بررسی این گونه سیستمها میباشد. WilburوMitchell [30]در سال 1975ضرایب عملکرد سیستمهای جذبی را با سیالات عامل متفاوت مقایسه نمودند. بر اساس دلایل و تفاوتهای مابین سیستمهای لیتیم برماید-آب وآمونیاک-آب و معایب و مزایای آنها و به طور خلاصه بر اساس دلایل زیر که در قسمت قبل نیز به آن اشاره شد، از سیال عامل لیتیم برماید-آب در سیستمهای جذبی خورشیدی استفاده میشود. هر چند که به دلیل مشکل تشکیل کریستال در سیکلهای لیتیم برماید-آب امروزه بیشترین تلاش محققان در توسعه این گونه تجهیزات بر استفاده از سیالات عامل دیگر معطوف گشته است:
ضریب عملکرد سیستمهای جذبی لیتیم برماید-آب از سیستمهای با سیالات عامل آب-آمونیاک بالاتر است. به طور کلی این سیستمها به میزان 10 تا 15 درصد از نظر جزء خورشیدی نسبت به سیستمهای آب- لیتیم برماید عملکرد پایینتری دارند. [31]
سیستمهای آب- آمونیاک نیازمند دمای ورودی ژنراتور بالاتری هستند. این میزان برای سیستمهای لیتیم برماید- آب در حدود 70 تا 80 درجه سانتیگراد (نوع تک مرحلهای)بوده در حالیکه برای این سیستمهای آب- آمونیاک در حدود 90 تا 108 درجه سانتیگراد است. چنانچه این سیستمها با کالکتورهای نوع تخت کار کنند، دارای ضریب عملکرد بسیار پایینی میباشند.
سیستمهای آب-آمونیاک نیازمند فشار بالاتری در ژنراتور بوده و در نتیجه نیازمند توان الکتریکی بالای پمپ میباشند.
به علت وجود سیستم تفکیک تقطیری در ژنراتور، سیکلهای جذبی آب-آمونیاک نیازمند تجهیزات بیشتر و پیچیدهتری هستند(مانندبرج تفکیکگر و یکسوساز).
به علت طبیعت خطرناک آمونیاک، در کاربردهای خانگی و تجاری دارای محدودیت استفاده هستند.
در مطالب بالا به ساختار کلی و نوع سیال عامل سیستمهای جذبی خورشیدی متدوال پرداخته شد. حال در قسمت بعد به بیان انواع این سیستمها میپردازیم. به طور کلی در اغلب این سیستمها از کالکتورهای مسطح یا لولهای خلاء استفاده میشود. انواع سیستمهای جذبی خورشیدی از نوع سیکل بسته عبارتند از:
چیلرهای جذبی خورشیدی تک مرحلهای،
چیلرهای جذبی خورشیدی تک مرحله ای با تانک ذخیره مبرد،
چیلرهای جذبی خورشیدی تک مرحله ای با تانک ذخیره آب داغ،
چیلرهای جذبی خورشیدی دو اثره،
چیلرهای جذبی خورشیدی دو مرحلهای،
چیلرهای جذبی خورشیدی دو سیکلی.
2-1 چیلرهای جذبی خورشیدی تک مرحله ایشکل 2-1 بیانگر پایه بسیاری از تحقیقات و آزمایشات در 3 دهه اخیر در مورد سیستمهای جذبی خورشیدی است. همانطور که ملاحظه میشود، آب گرم شده توسط کالکتورهای خورشیدی توسط یک پمپ سیرکولاسیون در یک تانک ذخیره و به سوی سیستم متداول قبلی که در قسمت قبلی توضیح داده شد، میرود. از انرژی این آب داغ برای تأمین انرژی ژنراتور استفاده می شود. بقیه مراحل سیکل همانند سیکل متداول قبلی است. برای سادگی از اجزاء داخلی چیلر جذبی صرفنظر شده است. همانطور که مشاهده میشود، برای دور ریزش حرارتی از یک برج خنک کن استفاده شده است که آب آن توسط یک پمپ سیرکولاسیون ابتدا وارد جذب کننده و سپس رهسپار کندانسور میشود.علت این امر آن است که درجه حرارت جذب کننده تأثیر بسیار بیشتری را نسبت به درجه حرارت کندانسور بر روی ضریب عملکرد سیستم میگذارد
اولین ژنراتور تجاری برای مصارف تهویه مطبوع و کاربردهای خورشیدی بر مبنای مبدل مشابه سوخت گازی ساخته شد. این واحد در بین مهندسانی که در زمینه سرمایش خورشیدی کار میکنند شهرت زیادی دارد و در پروژههای تجربی بیشماری مورد استفاده قرار گرفته است. قیمت آن برای واحدهای کوچک کمی بالاست. دیری نگذشت که تولید کنندههای دیگری چیلرهای جذبی با سیال آب و لیتیم برماید را با قابلیت به کارگیری در سیستمهای خورشیدی روانه بازار کردند.

شکل2-1 نمایش شماتیک سیستم های اولیه جذبی با کمک انرژی خورشیدی[32]
2-1-1 هیترهای های کمکیدر طراحی سیستمهای تبرید جذبی خورشیدی دو مسأله مهم وجود دارد که آن را از سیستمهای تبرید با سوخت فسیلی رایج متمایز میسازد، نخست آن که تبادل حرارت ژنراتور در این واحدها با دمای پایین صورت میگیرد که این معمولاً پایینتر از 100 درجه سانتیگراد میباشد، زیرا که دماهای قابل دسترسی در کالکتورهای تخت محدود به 100 درجه سانتیگراد (حداکثر) میباشد و دوم اینکه نیاز به یک سیستم پشتیبان است که در زمان کاهش انرژی گرفته شده از خورشید جبران انرژی ورودی به سیستم برای سرمایش را انجام دهد. برای مشکل اول طراحی ژنراتور بر اساس انتقال حرارت استخری رایج میتواند بسیار کارگشا باشد، همچنین استفاده از یک پیش گرمکن پس از مبدل و قبل از ورودی ژنراتور میتواند سهم بسزایی در کاهش هزینه و اندازه سیستم و همچنین افزایش عملکرد مجموعه داشته باشد (شکل 2-1‌). مشکل مربوط به سیستم پشتیبان پیچیدهتر است. یک طرح خوب طرحی است که در آن سیستم سرمایش نه تنها قادر به تأمین تمام تقاضای سرمایش باشد بلکه بتواند از انرژی خورشیدی چه در زمان تابش مستقیم و چه در لحظاتی که تابش کم است (و یا نیست) استفاده کافی بنماید. در واقع هیتر کمکی در سیکلهای جذبی خورشیدی, همان گرمکن آب ورودی به ژنراتور در سیکلهای جذبی عادی است که با توجه به نوع کاربرد، آرایش و نحوه قرار گیری آن در سیکل تغییر یافته است.
شبیهسازیهای انجام شده نشان می دهد که در شرایط کاهش تابش خورشیدی، کالکتورهایی که به صورت سری با منبع حرارتی کمکی (فسیلی) قرار گرفته اند به عنوان چاه حرارتی عمل میکنند تا چشمه حرارتی و این موجب کاهش کارآیی سیکل می شود.لذا معمولاً سعی می شود که از چیدمان موازی استفاده شود.در این حالت تا زمانی که دمای تانک به زیر مقدار معینی نرسد، مدار کمکی به جریان نمیافتد. [31]
2- 1-2 منبع ذخیره آب گرمدر یک سیستم جذبی خورشیدی ، وجود منبع ذخیره آب گرم بسیار اهمیت دارد. چرا که همانند یک دریافت کننده و بهبود دهنده عمل کرده وحرارت خروجی از کالکتورها را در طول روز به منظور استفاده در ژنراتور یکنواخت میکند. Lof و Tybout [33]در تحقیقاتی که بر روی این مخزن انجام دادند حجم بهینه آن را در حدود 50 کیلوگرم به ازای هر متر مکعب کالکتور گزارش دادند. یک مشکل مهم در این مخازن میزان افت حرارتی قابل توجه آنها به محیط اطراف است که ممکن است حتی به میزانی در حدود 2 ساعت انرژی لازمه برای ژنراتور برسد. [31] البته با عایقکاری مناسب این مخازن می توان میزان اتلافات را به حداقل رساند.
2-1-3 منبع ذخیره آب سردهمانند منبع ذخیره آب گرم به منظور یکنواخت نمودن آب لازمه برای مطبوع نمودن محیط مسکونی از منبع ذخیره آب خنک شده در اواپراتور استفاده میشود. تفاوت این مخزن با قبلی در این است که به علت پایین بودن درجه حرارت محیط مطبوع، مشکلات تلفات حرارتی از مخزن مشاهده نمیشود.
مهمترین پارامتری که که بر روی عملکرد یک چیلر تاثیر میگذارد، دمای آب خنک کننده است. این امر بدین علت است که چنانچه این دما کاهش یابد، فشار اواپراتور و در نتیجه جذب کننده نیز کاهش و در نهایت این امر سبب افزایش غلظت محلول خروجی از مبدل حرارتی و در نهایت عمل کریستال زدایی خواهد شد و ضریب عملکرد سیستم به شدت کاهش خواهد یافت. [31] در سیستمهای خورشیدی که امکان کار در بارهای پایین چیلر، به علت نوسان در میزان حرارت ورودی به ژنراتور، به میزان زیاد وجود دارند، این امر بسیار محتمل تر است. البته تولید کریستال در این سیستمها می تواند توسط کاهش یافتن دمای آب خنک کننده در برج خنککن نیز حاصل شود که با در نظر گرفتن پیچیدگی و تعمیرات این تجهیزات محققان در سالیان اخیر توجه خویش را بر روی استفاده از سیستم های خنککن هوایی در سیکلهای لیتیم برمایدمعطوف کرده اند. در سال 1979Chartersو Chen [34]گزارش کاملی از مقایسه این دو سیستم و انتخاب آنان گزارش داده اند. برای حل مشکل کریستال زدایی اخیراً محققان راه حلهایی از قبیل اضافه نمودن نوعی نمک تحت عنوانLiSCN به محلول لیتیم برماید انجام دادهاند که سبب پایین آمدن فشار بخار محلول ودر نتیجه بهبود در مشخصههای محلول برای استفاده در نوع هوا خنک اینگونه سیکلها شده است.
آزمایشهای انجام شده بر روی پروژههای صورت گرفته سیستمهای جذبی تک اثره با سیال آب – لیتیم برماید خورشیدی نشان دادهاند که محدودیت اصلی به کارگیری این سیستمها مسائل مالی است که توسط بخش تأمین انرژی توسط خورشید ایجاد شده است.
سیستمهای تک اثره در محدودهی دمایی 80 تا100 درجه سانتیگراد بهترین بازده را دارند. در صورت افزایش دما از 100 تا 160 بهتر است که نوع سیستم به سیستم دو اثره تبدیل شود، همچنین در صورت تأمین دمای بالاتر 160 بهتر است که از سیستم سه اثره استفاده کنیم.
با استفاده و کابرد قوانین اول و دوم ترمودینامیک،Mansooriو Patel [35]در سال 1979 حدود بالا و پایینی را برای ضریب عملکرد چیلرهای جذبی خورشیدی تک مرحلهای ارائه دادند. این اشخاص نشان دادند که حدود بالایی و پایینی عملکردی این تجهیزات نه تنها به پارامترهای محیطی و اجزاء سیکل وابسته بوده، بلکه به شدت وابسته به خواص ترمودینامیکی مواد مبرد، جاذب و محلول آن دو دارند. از روی این مفهوم است که میتوان یک مقایسه کمی و کیفی برای مجموعههای متفاوت ماده جاذب و ماده مبرد ارائه داد.
هم اکنون یکی از مهمترین تکنیکهای توسعه تکنولوژی این تجهیزات، انجام مقایسه و انتخاب بهترین مجمموعه از بین زوج هایی از قبیل H2O-NH3,NH3-NaSCN,LiBr-H2O میباشد.
2-2 چیلرهای جذبی خورشیدی تک مرحله ای با تانک ذخیره مبرد و آب داغیکی از موارد بهبود در توسعه طراحی چیلرهای جذبی خورشیدی، استفاده از منبع ذخیره ماده مبرد میباشد. ایده و مفهوم کلی استفاده از این تجهیز، قرار گرفتن یک منبع ذخیره ماده مبرد مابین کندانسور و اواپراتور برای ذخیره و در دسترس داشتن ماده مبرد در تمام مدت زمان کاری سیکل در طول روز و استفاده از آن در موقع مقتضی میباشد .می توان مشابه چنینی منبعی را نیز برای ذخیره محلول رقیق جاذب-مبرد مابین جذب کننده و پمپ قبل از ژنراتور در نظر گرفت. آزمایشات و تحقیقات بر روی این منابع کاهش حجم برج خنک کن و عدم نیاز به گرم کننده کمکی در بسیاری از ساعات روز را نشان دادند [36].در شکل 2-2 فلودیگرام سیکل جذبی خورشیدی همراه با منابع ذخیره مبرد و محلول نمایش داده شده است. از معایب این سیستمها می توان به هدر رفتن بسیاری از میزان انرژی خورشیدی ذخیره شده در کالکتورها به علت موجود بودن ماده مبرد کافی در بسیاری از ساعات روز قبل از غروب آفتاب، پیچیده بودن سیستم از لحاظ کنترل و عملکرد پایین چیلر به علت کاهش در غلظت محلول و افزایش دما و فشار آن اشاره نمود.

شکل2-2 فلودیگرام سیکل جذبی خورشیذی همراه با منابع ذخیره مبرد و محلول [31]
یکی از راههای دیگر بالا بردن راندمان سیکلهای جذبی خورشیدی، استفاده از دو منبع ذخیره آب گرم به جای یک منبع ذخیره آب گرم است که یکی در دمای پایین تر و با حجم بیشتر و دیگری در دمای بالاتر و با حجم کمتر توسط تجهیزات کنترلی هوشمندی مابین کالکتورها و ژنراتور قرار میگیرند.

شکل 2-3نمونه ای از چیدمان و نحوه کنترل سیکل های جذبی خورشیدی با منابع ذخیره آب داغ [31]
منبع با دمای بالاتر حدود 70 تا 75 درصد از حرارت مورد نیاز در ژنراتور را تأمین و مابقی توسط منبع دما بالا که دارای تمهیدات عایق کاری است، تأمین خواهد شد. در شکل (2-3) نمونهای از چیدمان و نحوه کنترل این گونه منابع نشان داده شدهاست. آزمایشات بیانگر این مطلب است که استفاده از این نوع منابع سبب افزایش میزان حرارت ذخیره شده توسط کالکتورها را به میزان 3/1 تا 5/1 برابر و سبب 15 تا 20 درصد بهبود در ضریب عملکرد سیکل خواهد شد. محققان کاهش 30 تا 40 درصدی در سطح کالکتور های مورد نیاز را برای سیکل گزارش دادند. [31]
2-3 چیلرهای جذبی خورشیدی دو اثرهراجع به طرز کار و مفهوم استفاده از چیلرهای جذبی دو یا چند اثره در فصل 1 به طور خلاصه مطالبی شرح داده شد. اصول کار یک چیلر جذبی خورشیدی دو یا چند اثره دقیقا همانند نوع عادی آن است، با این تفاوت که حرارت لازمه برای ژنراتور دما پایین آن توسط کالکتورهای خورشیدی تأمین میشود. همانطور که در فصل 1 اشاره شد، علاوه بر آنکه ضریب عملکرد سیستمهای دو یا چند اثره به میزان قابل توجهی از سیستمهای تک اثره بالاتر است، میزان نیاز بار کندانسور یا به عبارتی دیگر برج خنک کن نیز بسیار کاهش مییابد. نمونهای متداول از این سیستمها در شکل 4-2 نمایش داده شده است.

شکل2-4 نمونه ای از سیکل های متداول سیستم های جذبی خورشیدی دو اثر [31]
در سیستمهای خورشیدی دو اثره چنانچه دمای تأمین شده از 100درجه سانتیگراد کمتر شود، عملکرد سیستم به شدت کاهش یافته به طوری که از سیستم یک اثره مشابه نیز عملکرد پایینتری ارائه میدهد. بنابراین وجود یک پشتیبان برای جلوگیری از افت دما در سیستم ضروری میباشد.
در صورت در دسترس بودن سیستمهای گازسوز دما بالا سوال زیر مطرح می شود :
با وجود COP بالا (در صورت وجود سیستم کمکی) به کارگیری کدام سیستم (تک اثره یا چند اثره) برای کاربرهای سرمایش خورشیدی مناسب تر است؟
برای پاسخ به سوال فوق مقایسه ای توسط بین سیستمهای یک، دو، و سه اثره انجام داده شده است. نتایج مقایسهها نشان میدهد که مسائل اقتصادی به شدت به قسمت خورشیدی وابسته است. به نظر میرسد که سیستمهای چند اثره نسبت به تک اثره دارای برتری نسبی میباشند که در آنها COP بالاتر در مساحت کمتر کالکتور به ازای کیلو وات سرمایش تأمین میشود، با وجود این سیستمهای چند اثره هزینه زیادتری نسبت به سیستم تک اثره که از دمای پایینتری استفاده میکند، دارند. توسعه انرژی خورشیدی در به کارگیری از دماهای بالاتر در منبع حرارتی، موجب فراهم گشتن COP بالاتر در سیستمهای خورشیدی میشود. در جدول 2-1 نمونه ای از اولین مقایسات اقتصادی انجام شده بر روی سیستمهای جذبی خورشیدی که توسط Grossmsn [27]ارائه شده است.(این فرد طراح برنامه ای به نامABSIM در زمینه تحلیل و طراحی کامل سیستم های جذبی بوده و صاحب بسیاری از تحقیقات و مقالات در این زمینه است) مطالعه بر روی این جدول صحت مطالب بالا را تأیید میکند.
جدول2-1مقایسه فنی و اقتصادی چیلرهای جذبی خورشیدی یک اثره با دو و سه اثر [27]

در این فصل به سیستمهای تثبیت شده جذبی خورشیدی و قسمتهای مختلف آن اشاره کردیم. تمامی این سیستم ها برای دمای ژنراتور پایین 100 درجه سانتیگراد به مرحله استفاده تجاری رسیدهاند. .همانطور که در بالا نشان داده شد، دمای ورودی به ژنراتور و قیمت و نوع کالکتور مهمترین عوامل موثر در طراحی و به صرفه بودن و بررسی نوع عملکرد این تجهیزات است. همانطور که در کنار بعضی از مطالب فصول گذشته اشاره شد، این سیکلها دارای پتانسیل بسیار بالایی برای تحقیق و توسعه بوده و آرایشهای بسیار فراوانی توسط محققان کشف و مورد آزمایش قرار گرفته که صرفاًجنبه تحقیقاتی داشته و به مرحله تجاری نرسیدهاند. از جمله مهمترین این آرایشها میتوان به سیکلهای دوتاییLiBr-H2O)وNH3-H2Oا)، سیکلهای جدید تلفیقی تراکمی جذبی، سیکلهای جذبی خورشیدی سه مرحلهای و سیکل های جذبی خورشیدی با سیال عامل NH3-H2O اشاره نمود که تحقیقات در این زمینه همچنان ادامه دارند.
2-4 تکنولوژی کالکتورهای خورشیدی
کالکتورخورشیدی دستگاهی است که برای جمع‌آوری انرژی حرارتی خورشید و انتقال و ذخیره آن در محل بهره‌برداری، مورد استفاده قرار می‌گیرد. کالکتورها انواع مختلفی دارند که معمولترین آنها عبارتند از‌: کالکتورهای تخت (که پرتوهای مستقیم و پراکنده خورشیدی را جمع‌آوری می‌کنند) و کالکتورهای متمرکزکننده (که فقط پرتوهای مستقیم خورشیدی را جمع می‌کنند)همانطور که در قسمت های قبلی اشاره شد این دستگاهها دارای تنوع بسیاری بوده که به دلیل کاربرد کالکتورهای تخت در سیستمهای سرمایش، در این قسمت به معرفی این نوع از کالکتورها پرداخته و از معرفی مابقی موارد صرفنظر میکنیم.
2-4-1 کالکتورهای تخت
اقتصادی‌ترین روش جمع‌آوری انرژی خورشید استفاده از کالکتورهای تخت می‌باشد. از این نوع کالکتورها در انواع مختلف و طرحهای متفاوت به تعداد خیلی زیاد در کشورهای مختلف جهان ساخته شده و تحت آزمایش قرار گرفته است.
یک کالکتور صفحه تخت به طور کلی شامل اجزاء نشان داده شده در شکل (2-5) می‌باشد :
1- ماده شفاف که معمولاً شیشه بوده ممکن است یک لایه و یا چند لایه باشد.
2- صفحه جذب‌کننده که معمولاً به رنگ سیاه می‌باشد و می‌تواند صفحه صاف، موجدار و یا شیاردار باشد که لوله ها و یا گذرگاهها به آن متصل می‌شوند.
3- لوله‌ها و یا گذرگاهها که می‌توانند به اشکال مختلف باشند و برای هدایت سیال ناقل حرارت بکار برده می‌شوند.
4- جمع‌کننده‌ها و تقسیم‌کننده‌ها که برای عبور و تخلیه سیال ناقل حرارت به کار می‌روند.
5- عایق حرارتی که برای کاهش اتلافات حرارتی کالکتور، از سمت پشت و اطراف به کار برده می‌شود.
6- پوشش کلی کالکتور که برای حفاظت و نگهداری اجزاء فوق، ساختمان کالکتور را تکمیل می‌کند.
کالکتورهای تخت با طرح‌های مختلف و برای گرم‌کردن سیالاتی مانند : آب، هوا، محلول آب و نمک، محلول آب و گلیکول و سایر مایعات و گازها بکار برده می‌شوند و مهمترین عامل در طرح و ساخت آنها، جمع‌‌آوری هر چه بیشتر انرژی خورشیدی با کمترین هزینه ممکن می‌باشد.
یک کالکتور خورشیدی می‌بایست از موادی ساخته شود که دارای عمر مؤثر زیادی بوده و در مقابل تأثیرات مضر امواج ماوراء بنفش، خوردگی‌های اسیدی و قلیایی، منجمد شدن آب و یا گرفتگی گذرگاههای آب یا هوا، رطوبت هوا و گرد و خاک محیط، شکستگی شیشه در اثر انبساط و انقباض، خرابیهای ناشی از طوفان و تگرگ و . . . دارای مقاومت کافی باشد.

user8276

و تمام کسانی که در کنارم بودند

با تشکر از:
جناب آقای دکتر محمد عامری
جناب آقای دکتر مختار بیدی
جناب آقای دکتر ابراهیمی

فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل 1 : کلیاتی در مورد نیروگاههای سیکل ترکیبی، بویلرهای بازیاب و روشهای مختلف شیرین سازی آب 1
1-1 مقدمه 2
1-2 کلیات نیروگاه سیکل ترکیبی و بویلرهای بازیاب حرارت 3
1-2-1 انواع نیروگاهای سیکل ترکیبی 3
1-2-2 چرخههای بالایی و پایینی در سیکل ترکیبی 3
1-2-3 بررسی بیشتر نیروگاههای سیکل ترکیبی توربینگاز / توربین بخار 4
1-2-4 طبقه بندی بویلرهای بازیاب 5
1-2-5 طبقه بندی انواع بویلرها بر اساس چگونگی گردش سیال عامل 6
1-2-5-1 سیستم گردش طبیعی 6
1-2-5-2 سیستم گردش اجباری 6
1-2-5-3 بویلرهای یکبار گذر (فوق بحرانی)(Once Through Boiler): 6
1-2-6 طبقه بندی بویلرهای سیکل ترکیبی بر اساس سیستم آتش زایی 7
1-2-6-1 بویلر بازیاب حرارت بدون احتراق اضافی 7
1-2-6-2 بویلرهای بازیاب حرارت با احتراق اضافی 8
1-2-6-2-1 بویلرهای با مشعل اضافی محدود شده 9
1-2-6-2-2 استفاده از توربین گاز جهت پیش گرم کردن هوای دم بویلر 9
1-2-6-2-3 بویلرهای با حداکثر احتراق اضافی 9
1-2-7 طبقه بندی بویلرهای بازیاب حرارت بر اساس سطوح فشار بخار 9
1-2-7-1 بویلرهای بازیاب حرارت تک فشاره 10
1-2-7-2 بویلرهای بازیاب حرارت چند فشاره 11
1-2-8 تأثیر پذیری کارایی سیکل ترکیبی از شرایط کاری 13
1-2-8-1 تأثیر دمای هوای محیط بر قدرت و راندمان سیکل ترکیبی 13
1-2-8-2 تأثیر بار توربین گاز بر راندمان سیکل ترکیبی 13
1-2-8-3 تأثیر فشار بخار بر راندمان سیکل ترکیبی 13
1-2-9 مزایا و معایب سیکلهای ترکیبی 13
1-2-10 راندمان کلی نیروگاههای سیکل ترکیبی 15
1-3 کلیات شیرین سازی آب 16
1-3-1 تعریف نمکزدایی 16
1-3-2 روشهای آب شیرین کنی 16
1-3-2-1 تقطیر چند مرحلهای (MED) 17
1-3-2-2 اسمز معکوس (RO) 17
1-3-2-3 متراکم سازی مکانیکی بخار آب (MVC) 18
1-3-2-4 تبخیر ناگهانی چند مرحلهای (MSF) 18
1-3-2-5 تقطیر چند مرحله ای چگالش- گرمایی بخار(MED-TVC) 19
1-3-3 ارزیابی معیارها 19
1-3-3-1 مقدار انرژی مورد نیاز 19
1-3-3-2 هزینه تولید 20
1-3-3-3 محیط زیست 20
1-3-3-4 کدورت آب تولیدی 20
1-3-3-5 نگهداری 20
1-3-4 مبدل نمک زدای حرارتی چند مرحلهای MED-TVC 20
1-3-4-1 آرایش تغذیه پیشرو 21
1-3-4-2 آرایش تغذیه موازی 22
1-3-4-3 آرایش تغذیه موازی - متقاطع 23
فصل2: روابط مربوط به بویلرهای بازیاب و آب شیرینکن های MED-TVC و تشریح الگوریتم ژنتیک 25
2-1 مقدمه 26
2-2 روابط مهم در طراحی بویلرهای بازیاب حرارت 26
2-2-1 پارامترهای مهم در طراحی بویلر بازیاب حرارت 27
2-2-1-1 اختلاف دمای نهایی 27
2-2-1-2 نقطهی پینچ 27
2-2-1-3 نقطهی نزدیکی 28
2-2-2 استخراج روابط سیکل تک فشاره 29
2-2-3 استخراج روابط سیکل دو فشاره در آرایش مرسوم مبدلهای حرارتی 30
2-2-4 سیکل ترکیبی سه فشار ساده 31
2-2-4-1 استخراج روابط 32
2-2-4-2 رابطه کار پمپ ها 33
2-2-4-3 دبی جرمی بخار 33
2-2-4-4 تلفات سرعت در خروجی توربین 35
2-3 روابط مربوط به نمکزدای چندمرحلهای حرارتی 35
2-3-1 معادلات تعادل هر افکت 36
2-3-2 معادلات تعادل کوندانسور 38
2-3-3 بررسی ضرایب انتقال حرارت 39
2-3-4 طراحی ترموکمپرسور (کمپرسور حرارتی بخار) 44
2-4 روابط ترمودینامیکی استفاده شده برای آب ، بخار و محصولات حاصل از احتراق 47
2-4-1 روابط ترمودینامیکی استفاده شده برای آب ، بخار 47
2-4-2 روابط ترمودینامیکی استفاده شده برای مخلوط دود ورودی به بویلر بازیاب حرارت 49
2-5 الگوریتم ژنتیک 49
2-5-1 مفاهیم الگوریتم ژنتیک 50
2-5-2 الگوریتم ژنتیکی ساده 52
2-5-3 عملگرهای انتخاب، برش و جهش 53
فصل 3: روابط اگزرژواکونومیک و هزینهی تجهیزات در نیروگاه های چند منظوره تولید همزمان توان و آب شیرین 56
3-1 مقدمه 57
3-2 تحلیل اگزرژی 58
3-2-1 اجزای اگزرژی 58
3-2-2 بالانس اگزرژی و تخریب اگزرژی 62
3-2-2-1 بالانس اگزرژی در یک سیستم بسته 62
3-2-2-2 بالانس اگزرژی برای حجم کنترل 63
3-2-2-3 تخریب اگزرژی 64
3-2-3 متغیرهای اگزرژتیک 67
3-3 تحلیل اقتصادی 68
3-3-1 تخمین هزینهی سرمایه گذاری 68
3-3-2 محاسبه نیازهای درآمدی 70
3-3-3 هزینههای همسطح شده 70
3-3-4 تحلیل حساسیّت 72
3-4 تحلیل ترمواکونومیک 72
3-4-1 هزینه گذاری اگزرژی 73
3-4-2 بالانس هزینه 73
3-4-3 معادلات کمکی تعیین هزینه 74
3-5 ارزیابی ترمواکونومیکی 78
3-5-1 متغیرهای ترمواکونومیکی 78
3-5-2 ارزیابی طراحی 81
3-6 تحلیل اقتصادی و محیطی 82
3-6-1 هزینههای سرمایه گذاری سالیانه 82
3-6-2 محاسبه بازگشت سرمایه و درآمد کل 83
3-7 تشریح روشTOPSIS در یافتن نزدیک ترین حل در معادلات چند معیاره 84
فصل 4: بهینهسازی چند منظوره ترمودینامیکی، اگزرژتیک، اگزرژواکونومیک، بهینه سازی درآمدی و بازگشت سرمایه و هزینه های کلی سالانه در نیروگاه سیکل ترکیبی نکا 87
4-1 مقدمه 88
4-2 سیکل نیروگاه نکا 89
4-3 پارامترهای طراحی در الگوریتم GA تشریح روابط ریاضی مورد استفاده در سیکل 92
4-3-1 تشریح سیکل بخار مورد استفاده و معرفی پارامترهای طراحی استفاده شده در الگوریتم ژنتیک 92
4-3-1-1 تشریح سیکل بخار تحلیل شده 92
4-3-1-2 پارامترهای مرجع در مدلسازی با استفاده از الگوریتم ژنتیک 93
4-3-2 معادلات محاسبه دبی بخار، اگزرژی، کار توربین و آب شیرین تولیدی در سیکل نکا 95
4-4 مقادیر بهینه به دست آمده و نتایج حاصل از تحلیل حساسیت پارامترهای طراحی و هزینه 97
4-4-1 نتایج حاصل از بهینه سازی به در حالت های تک هدفه و چند معیاره 97
4-4-2 بررسی نتایج حاصل از تغییر TBT 98
4-4-3 بررسی نتایج حاصل از تغییرات فشار بخار پشت توربین 102
4-4-4 بررسی نتایج حاصل از تغییر سوخت ورودی به مشعل کانالی 107
4-4-5 بررسی نتایج حاصل از تغییر تعداد افکت های MED_TVC 111
4-4-6 بررسی نتایج حاصل از تغییر فشار بخش فشار بالا 113
4-4-7 بررسی نتایج حاصل از تغییر فشار بخش فشار پایین 118
4-4-8 بررسی نتایج حاصل از تغییر دبی جرمی بخار خروجی از بخش فشار ضعیف جهت استفاده در آبشیرینکن 122
فصل5 نتیجه گیری و پیشنهادات 126
5-1 بررسی نتایج 127
5-2 ارائه پیشنهادات 128
مراجع و مؤاخذ 129
پیوست 1 130
پیوست 2 136
فهرست اشکال
شکل1-1: شماتیک سیکل ترکیبی 4
شکل1-2: سیکل برایتون با بازیافت حرارت خروجی از توربین با استفاده از بازگرمکن 4
شکل1-3: طبقه بندی بویلرهای بازیاب حرارت 5
شکل1-4: بویلر بازیاب حرارت با انواع سیستم گردش آب a) گردش طبیعی b)گردش اجباری c) یک بار گذر 6
شکل 1-5: شمای حرارتی یک نیروگاه سیکل ترکیبی بدون مشعل 8
شکل 1-6: نمونهای از شمای حرارتی نیروگاههای سیکل ترکیبی با مشعل 8
شکل1-7:شماتیک بویلر بازیاب تک فشاره در حضور هوازدا 10
شکل1-8: پرفیل دمایی بویلر بازیاب تک فشاره در حضور هوازدا 10
شکل 1-9: تأثیر فشار بخار زنده بر انرژی مصرفی و تلفات اگزرژی کلی 11
شکل 1-10: شماتیک سیکل دوفشاره همراه با هوازدا تغذیهی مستقل 12
شکل1-11: پرفیل دمایی سیکل دو فشاره همراه با هوازدا 12
شکل1-12: شماتیک سیکل سه فشاره در حضور هوازدا 12
شکل1-13: پرفیل دمایی سیکل سه فشاره در حضور هوازدا 12
شکل 1-14: شمای یک نیروگاه سیکل ترکیبی در حالت سری واحدها 15
شکل 1-15 : شماتیک یک واحد MED 17
شکل 1-16: شماتیک نحوه عملکرد غشای یک واحد RO 18
شکل 1-17: شماتیک یک واحد MSF 18
شکل 1-18: شماتیک یک واحد MED-TVC 21
شکل 1-19: شماتیک یک واحد آب شیرینکن MED-TVC پیشرو (MED-TVC-F) 22
شکل 1-20: شماتیک یک واحد آب شیرینکن MED-TVC موازی (MED-TVC-P) 23
شکل 1-21: شماتیک یک واحد آب شیرینکن MED-TVC موازی - متقاطع (MED-TVC-PC) 24
شکل2-1: شماتیک سیکل ترکیبی تک فشاره در حضور هوازدا و بازگرمکن 29
شکل 2-2: نمودار T-S برای سیکل تک فشاره در حضور هوازدا و بازگرمکن 29
شکل 2-3: شماتیک سیکل دو فشاره همراه با هوازدا و بازگرمکن 30
شکل 2-4: نمودار T-S سیکل دوفشاره همراه با هوازدا و بازگرمکن 30
شکل2-5: نمودار T-S سیکل ترکیبی سه فشار ساده 32
شکل 2-6: آرایش ساده بویلر بازیاب حرارت سه فشار ساده با آرایش مرسوم مبدلهای حرارتی 33
شکل 2-7: پروفیل دمایی برای بویلر بازیاب حرارت سه فشار ساده با آرایش مرسوم مبدلهای حرارتی 33
شکل 2- 8 : متغیرهای اواپراتور و محفظهی فلش افکت i ام ]4[36
شکل 2-9: نمودار ناحیه بندی برای معادلات حاکم در روش IAPWS-IF97 48
شکل 2-10: دیاگرام بلوکی الگوریتم ژنتیکی ساده 52
شکل 2-11: انتخاب با چرخ رولتی با قطاعهای متناسب با تابع معیار هر کروموزوم 54
شکل 2-12: عملگر برش ساده با جابجایی ژنهای والدین، فرزندانی جدید میسازد 55
شکل 2-13: عملگر جهش با تغییر یک ژن نقطهای دیگر در فضای جستجو تولید میکند 55
شکل 3-1 : وسیلهای برای ارزیابی اگزرژی شیمیایی یک سوخت [19] 61
شکل 3-2: پروفیل دما و دمای متوسط ترمودینامیکی برای دو جریان که از یک مبدل حرارتی آدیاباتیک در فشار ثابت عبور میکنند 64
شکل 3-3: شماتیک یک جز از سیستم برای نمایش بالانس هزینه 74
شکل 3-4: شماتیک دستگاه تولید بخار شامل درام 75
شکل 3-5: شماتیک دستگاه تولید بخار 76
شکل 3-6: شماتیک دستگاه کمپرسور با استخراج هوای خنک کننده 76
شکل 3-7: شماتیک دستگاه هوازدا 76
شکل 3-8: شماتیک محفظهی احتراق 77
شکل 3-9: شماتیک مبدل حرارتی 77
شکل 3-10: شماتیک توربین آدیاباتیک 77
شکل 3-11: ارتباط بین هزینهی سرمایه گذاری و تخریب اگزرژی (یا راندمان اگزرژتیک) برای جز K ام یک سیستم حرارتی 80
شکل 3-12 : چارت روابط محاسبهی هزینهها در سیکل ترکیبی 83
شکل 4-1 : نمودار جریان فرآیند نیروگاه سیکل ترکیبی نکا 89
شکل 4-2: شماتیک سیکل بخار مورد بررسی در تحلیل انجام شده 92
شکل 4-3: تغییرات آب شیرین تولیدی با تغییر دمای مرحلهی اول MED-TVC 99
شکل 4-4: تغییرات GOR با تغییر دمای مرحلهی اول MED-TVC 99
شکل 4-5: تغییرات هزینه تولید آب شیرین با تغییر دمای مرحلهی اول MED-TVC 99
شکل 4-6: تغییرات هزینهی تولید توان با تغییر دمای مرحلهی اول MED-TVC 99
شکل 4-7: تغییرات تخریب اگزرژی در اجزاء مختلف سیکل تولید همزمان با تغییر دمای مرحلهی اول MED-TVC 100
شکل 4-8: تغییرات تخریب اگزرژی کل مختلف سیکل تولید همزمان با تغییر دمای مرحلهی اول MED-TVC 101
شکل 4-9: تغییرات تخریب اگزرژی سسیستم آب شیرین کن با تغییر دمای مرحلهی اول MED-TVC 101
شکل 4-10: تغییرات بازگشت سرمایه با تغییر دمای مرحلهی اول MED-TVC 102
شکل 4-11: تغییرات درآمد کل با تغییر دمای مرحلهی اول MED-TVC 102
شکل 4-12: تغییرات توان تولیدی به ازای تغییر در فشار پشت توربین 103
شکل 4-13: تغییرات آب شیرینتولیدی تولیدی به ازای تغییر در فشار پشت توربین 103
شکل 4-14: تغییرات نسبت بهره به ازای تغییر در فشار پشت توربین 103
شکل 4-15: تغییرات هزینهی آب شیرین تولید به ازای تغییر در فشار پشت توربین 104
شکل 4-16: تغییرات هزینهی تولید توان به ازای تغییر در فشار پشت توربین 104
شکل 4-17: تغییرات درآمد به ازای تغییر در فشار پشت توربین 105
شکل 4-18: بازگشت سرمایه به ازای تغییر در فشار پشت توربین 105
شکل 4-19: تخریب اگزرژی در اجزائ سیکل بخار به ازای تغییر در فشار پشت توربین 106
شکل 4-20: تخریب اگزرژی توربین بخار به ازای تغییر در فشار پشت توربین 106
شکل 4-21: آب شیرین تولیدی به ازای افزایش سوخت ورودی به مشعل کانالی 107
شکل 4-22: تغییرات نسبت بهره به ازای افزایش سوخت ورودی به مشعل کانالی 107
شکل 4-23: توان تولیدی به ازای افزایش سوخت ورودی به مشعل کانالی 108
شکل 4-24: درآمد کل به ازای افزایش سوخت ورودی به مشعل کانالی 108
شکل 4-25: دورهی بازگشت سرمایه به ازای افزایش سوخت ورودی به مشعل کانالی 109
شکل 4-26: هزینهی آب شیرین تولیدی به ازای افزایش سوخت ورودی به مشعل کانالی 110
شکل 4-27: هزینهی توان تولیدی به ازای افزایش سوخت ورودی به مشعل کانالی 110
شکل 4-28: تخریب اگزرژی تجهیزات سیکل به ازای افزایش سوخت ورودی به مشعل کانالی 111
شکل 4-29: تخریب اگزرژی به ازای افزایش تعداد مراحل موجود در آب شیرینکن MED-TVC 111
شکل 4-30: تغییرات نسبت بهره به ازای افزایش تعداد مراحل موجود در آب شیرینکن MED-TVC 112
شکل 4-31: هزینهی آب شیرین تولیدی به ازای تعداد مراحل آب شیرین کن MED-TVC 113
شکل 4-32: بازگشت سرمایه به ازای تعداد مراحل آب شیرین کن MED-TVC 113
شکل 4-33: تغییرات دبی جرمی بخار بخش فشار بالا به ازای تغییر در فشار این بخش 114
شکل 4-34: تغییرات دبی جرمی بخار بخش فشار ضعیف به ازای تغییر در فشار بخش فشار بالا 114
شکل 4-35: تغییرات دبی جرمی بخار مبدل بخار مستقل به ازای تغییر در فشار بخش فشار بالا 115
شکل 4-36: تغییرات دبی جرمی بخار محرک آبشیرینکن MED-TVC به ازای تغییر در فشار بخش فشار بالا 115
شکل 4-37: تغییرات نسبت بهره در آبشیرینکن MED-TVC به ازای تغییر در فشار بخش فشار بالا 115
شکل 4-38: تغییرات توان تولیدی در توربین بخار به ازای تغییر در فشار بخش فشار بالا 115
شکل 4-39: تغییرات درآمد کل به ازای تغییر در فشار بخش فشار بالا 116
شکل 4-40: تغییرات هزینهی تولید آب شیرین در MED-TVC به ازای تغییر در فشار بخش فشار بالا 116
شکل 4-41: تغییرات هزینهی تولید توان در توربین بخار به ازای تغییر در فشار بخش فشار بالا 117
شکل 4-42: تخریب اگزرژی در اجراء سیکل به ازای تغییر در فشار بخش فشار بالا 117
شکل 4-43: دبی جرمی تولیدی بخش کم فشار به ازای تغییر در فشار بخش فشار ضعیف 118
شکل 4-44: توان تولیدی در توربین بخار به ازای تغییر در فشار بخش فشار ضعیف 118
شکل 4-45: تغییرات نسبت GOR به ازای تغییر در فشار بخش فشار ضعیف 119
شکل 4-46: تغییرات آب شیرین تولیدی به ازای تغییر در فشار بخش فشار ضعیف 119
شکل 4-47: تغییرات درآمد به ازای تغییر در فشار بخش فشار ضعیف 120
شکل 4-48: تغییرات بازگشت سرمایه به ازای تغییر در فشار بخش فشار ضعیف 120
شکل 4-49: تغییرات هزینهی تولید آب شیرین به ازای تغییر در فشار بخش فشار ضعیف 120
شکل 4-50: تغییرات هزینهی تولید توان به ازای تغییر در فشار بخش فشار ضعیف 120
شکل 4-51: تغییرات تخریب اگزرژی کل به ازای تغییر در فشار بخش فشار ضعیف 121
شکل 4-52: تغییرات تخریب اگزرژی در اجزاء سیکل به ازای تغییر در فشار بخش فشار ضعیف 122
شکل 4-53: تغییرات آب شیرین تولیدی به ازای تغییر در میزان بخار خروجی از درام بخش فشار ضعیف 123
شکل 4-54: تغییرات GOR به ازای تغییر در میزان بخار خروجی از درام بخش فشار ضعیف 123
شکل 4-55: تغییرات درآمد کل به ازای تغییر در میزان بخار خروجی از درام بخش فشار ضعیف 123
شکل 4-56: تغییرات ROI به ازای تغییر در میزان بخار خروجی از درام بخش فشار ضعیف 123
شکل 4-57: تغییرات هزینهی تولید توان به ازای تغییر در میزان بخار خروجی از درام بخش فشار ضعیف 124
شکل 4-58: تغییرات هزینهی تولید آب شیرین به ازای تغییر در میزان بخار خروجی از درام بخش فشار ضعیف 124
شکل 4-59: تغییرات هزینههای سالیانه به ازای تغییر در میزان بخار خروجی از درام بخش فشار ضعیف 125
شکل 4-60: تغییرات تخریب اگزرژی در اجزا سیکل به ازای تغییر در میزان بخار خروجی از درام بخش فشار ضعیف 125

فهرست جداول
عنوان جدول صفحه
جدول 1-1: بازه ی فشار و دمای استفاده از انواع آب شیرینکنها 19
جدول2-1: مقادیر نقطهی پینچ برحسب دمای گازهای خروجی از بویلر بازیاب حرارت 28
جدول2-2: مقادیر نقطهی نزدیکی برحسب دمای گازهای خروجی از بویلر بازیاب حرارت 29
جدول 2-3 مقادیر خطا در محاسبات آنتروپی دود 49
جدول 3-1: نرخ اگزرژی جریانهای سوخت و محصول برای محاسبهی راندمان اگزرژتیک تجهیزات فرآیندی در شرایط عملکرد پایدار 67
جدول 3-2: محاسبهی هزینهی نصب و خرید تجهیزات سیکل ترکیبی 83
جدول 4-1: آنالیز سوخت ورودی به توربین گازی و مشعل کانالی 90
جدول 4-2: آنالیز در صد مولی هوای محیط 90
جدول 4-3: آنالیز دود خروجی از توربین گازی 90
جدول 4-4: آنالیز دود خروجی از مشعل کانالی 90
جدول 4-5: خواص ترمودینامیکی بخار در مقاطع مختلف بویلر بازیاب حرارت در دوحالت دارای مشعل کانالی و در حالت بدون حضور مشعل کانالی 91
جدول 4-6: خواص ترمودینامیکی دود در مقاطع مختلف بویلر بازیاب حرارت در دوحالت دارای مشعل کانالی و در حالت بدون حضور مشعل کانالی 91
جدول4-7: پارامترهای طراحی موجود در سیکل تولید همزمان توان و آب شیرین 93
جدول 4-8: نتایج حاصل از بهینه سازی با اهداف مختلفبه دست آمده از الگوریتم ژنتیک 97

فهرست علائم
زیروند ها: بخار خروجی بازگرمکن HRH
بخار ورودی به بازگرم کن CRH
سوپرهیت SH
اکونومایزر ECO , EC
هوازدا Dea
فشار بالا HP
فشار متوسط IP
فشار پائین LP
پمپ آب تغذیه FWP
کندانسور Cond
توربین Tur
متوسط ave
ورودی i
خروجی e
زیر کش بلودان بویلر BD
مبدل بخار مستقل Free

چکیده:
با توجه به کاهش منابع زیرزمینی آبی و سوخت های فسیلی در دنیای امروز و همچنین در ایران جلوگیری از اتلاف انرژی و معرفی روشهای نوین در تهیهی آب شیرین قابل شرب از آب دریاجایگاهی خاص در دنیای آینده خواهد داشت. استفاده از روشهایی چون روش های تبخیر – تقطیری میتواند یکی از این روشها باشد.
با توجه به بالا بودن راندمان حرارتی در سیکلهای ترکیبی موجب شده تا اقبال عمومی در جهان به این نوع از نیروگاه ها افزایش یابد اما هنوز سهم بزرگی از حرارت وارد شده به بویلرهای بازیاب این نیروگاه ها توسط برج های خنک کننده به محیط انتقال یافته و به عنوان انرزی تلف شده در نظر گرفته میشود. حال اگر بتوان روشی را پیشنهاد داد تا از این حرارت در جهت تولید آب شیرین استفاده نمود میتوان راندمان این نوع نیروگاهها را بیش از پیش بالا برد.
از این رو در این پایان نامه با استفاده از یک توربین با فشار پشت که دارای فشار خروجی بالاتری نسبت به توربینهای بخار معمولی میباشد در سیکل بخار نیروگاه نکا سعی شده است تا حرارت ورودی به یک آب شیرین کن MED-TVC را تعمین نمود. بخار وارد شده به این آب شیرین کن حرارت خود را به آب دریا میدهد تا در فشار پایین تر از محیط تبخیر گردد و با تقطیر بخار حاصل آب شیرین DM تولید گردد. در این روش اندکی میزان تولید توان به دلیل استفاده از توربین با فشار پشت کاهش خواهد یافت اما در عوض از اتلاف حرارتی بالایی که در کندانسور نیروگاه وجود داشت جلوگیری و در جهت تولید آب شیرین استفاده میگردد.
جهت بهینه سازی سیکل مذکور در افزایش درآمد و کاهش میزان تخریب اگزرژی، بازگشت سرمایه و هزینههای اولیه از الگوریتم ژنتیک استفاده شده است و همچنین در جهت بهینه سازی چند معیاره با در نظر گرفتن تمامی موارد فوق از روش TOPSIS در کنار الگوریتم ژنتیک بهره گرفته شده.
بر اساس تحلیلهای انجام شده در پایان نامهی حاضر نتایج ذیل به دست آمد:
با افزایش میزان TBT در آب شیرینکن MED-TVC میزان تولید آب شیرین و نسبت بهره در آب شیرین کن کاهش مییابد اما میزان هزینههای اولیهی ساخت و نصب و بهره برداری آب شیرینکن با کاهش روبرو میباشد.
با افزایش میزان فشار خروجی توربین با فشار پشت علاوه بر کاهش درآمد کل بازگشت سرمایه با تاخیر روبرو خواهد بود اما میزان تولید آب شیرین در خروجی توربین افزایش خواهد یافت.
با افزایش در میزان سوخت ورودی به مشعل کانالی علاوه بر افزایش درآمد کل میزان تخریب اگزرژی کل نیز افزایش خواهد یافت. با توجه به این امر مقدار بهینهای برای دبی سوخت ورودی به مشعل کانالی وجود دارد که این مقدار با روش TOPSIS، Kg/s 41/0 به دست میآید. میزان دبی سوخت ورودی به مشعل کانالی در نیروگاه نکا در حال حاضر kg/s 8/0 میباشد.
افزایش فشار در خروجی بخش فشار بالا در بویلر بازیاب علاوه بر افزایش میزان تخریب اگزرژی کل موجب افزایش درآمد کل نیز خواهد شد. این مقدار نیز با روش TOPSIS، Bar 5/148 به دست آمده است درحالی که این میزان در بویلر نیروگاه نکاbar 130 میباشد. علاوه بر آن مقدار بهینهی فشار بخش فشار پائین، دبی خروجی از درام بخش فشار پائین، تعداد مراحل آب شیرینکن و همچنین مرحلهی بهینهی خروجی بخار مکش شده در آب شیرین کن نیز به دست خواهد آمد.

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

فصل 1
کلیاتی در مورد نیروگاههای سیکل ترکیبی، بویلرهای بازیاب و روشهای مختلف شیرین سازی آب

1-1 مقدمه
بازدهی یک نیروگاه گازی را میتوان با انتخاب پارامترهایی نظیر نسبت تراکم (که در کمپرسور، محفظهی احتراق و توربین تعریف میشود) نسبت سوخت به هوا و ... بهینه نمود. علاوه بر آن با بهرهگیری از انرژی موجود در گازهای داغ خروجی از توربین میتوان راندمان کل یک نیروگاه گازی را با تبدیل آن به نیروگاه سیکل ترکیبی بهبود بخشید. برای این امر از بویلرهای بازیاب حرارت استفاده میشود.
سیکل ترکیبی از دو یا چند سیکل قدرت تشکیل میشود که هدف اصلی از ترکیب سیکلهای متفاوت به دست آوردن سیکلی است که دارای راندمان بالاتری نسبت به راندمان سیکلهای تشکیل دهنده آن باشد.
به منظور تولید برق به صورت صنعتی و تجاری سیکلهای ترکیبی گوناگونی توسط محققان مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. از حدود سال 1970 به بعد نیروگاههای سیکل ترکیبی که مرکب از سیکل گازی و سیکل بخاری میباشد که ذکر خواهد شد مورد توجه بسیاری بوده و توسعهی قابل ملاحظهای یافته است.
شیرینسازی آب دریا یک منبع عظیم تولید آب صنعتی، کشاورزی و آشامیدنی در بسیاری از مناطق جهان است. فرآیند شیرینسازی آب شور به طرق مختلفی صورت میپذیرد که همگی آنها به انرژی احتیاج دارند. این انرژی میتواند از طریق گرمایی، مکانیکی و یا الکتریکی تامین شود.
فرآیند تبخیر چند مرحلهای (MED) که از انرژی گرمایی استفاده میکند، اولین فرآیندی است که برای تولید مقادیر قابل توجهی آب خالص از آب دریا مورد استفاده قرار گرفته است. اساس این روش، چگالش بخارات حاصل از تبخیر در خلاء آب دریاست. برای ایجاد خلاء از یک کمپرسور استفاده میشود که این کمپرسور میتواند به صورت حرارتی (ترموکمپرسور) و یا مکانیکی عمل نماید. مزیت عمدهی ترموکمپرسور به کمپرسور مکانیکی، هزینههای پایین ساخت، نگهداری، تعمیرات و مصرف انرژی پایین است.
1-2 کلیات نیروگاه سیکل ترکیبی و بویلرهای بازیاب حرارت
1-2-1 انواع نیروگاههای سیکل ترکیبی
یک نیروگاه سیکل ترکیبی از ترکیب دو یا چند سیکل قدرت متفاوت که با سیال عاملهای مختلف و در دماهای متفاوت کار میکنند، تشکیل یافته است، بهطوریکه هر یک از آنها قادر است در صورت فراهم شدن شرایط مورد نیازش، بهطور مستقل به فعالیت خود ادامه دهد. در یک سیکل ترکیبی، گرمای دفع شده از سیکل با دمای بالاتر، به سیکل با دمای پایینتر، جهت تولید قدرت اضافی و درنتیجه دستیابی به راندمانی بالاتر نسبت به راندمان تک تک سیکلها مورد استفاده قرار میگیرد.
با پیشرفت تکنولوژی مفاهیم جدیدتری از نیروگاههای سیکل ترکیبی در سالهای اخیر مطرح شده است که از جملهی آنها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
موتور دیزل - سیکل بخار
موتور دیزل - سیکل با یک سیال عامل آلی
توربین گاز - سیکل بخار
توربین گاز - سیکل با یک سیال عامل آلی
فلزات مایع - سیکل بخار
MHD2 - سیکل بخار
توربین گاز - سیکل قدرت دو سیاله (هوا - بخار)
اگرچه امروزه تلاشهای زیادی جهت توسعهی نیروگاههای سیکل ترکیبی شامل مواد آلی در حال انجام است، ولی نیروگاههای سیکل ترکیبی توربین گاز/ توربین بخار، هنوز به عنوان رایجترین سیکل ترکیبی شناخته میشوند. این نیروگاهها بر اساس نیاز در انواع مختلفی ساخته و مورد استفاده قرار میگیرند به اختصار به بررسی آنها پرداخته میشود.
1-2-2 چرخههای بالایی و پایینی در سیکل ترکیبی
اصل بهبود بخشیدن راندمان از طریق افزایش دمای متوسط گرمای ورودی (Tin) و پایین آوردن گرمای متوسط دفع شده (Tout)، کماکان در نیروگاههای سیکل ترکیبی به کار گرفته میشود. در نیروگاههای سیکل ترکیبی به سیکل با دمای بالاتر، سیکل بالایی و به سیکل با دمای پایینتر، سیکل پایینی گفته میشود. سیکل بالایی میتواند در قالب سیکلهای اتو، برایتون و یا رانکین عمل کند در حالیکه تمامی سیکلهای پایینی بر اساس سیکل رانکین عمل میکنند. در سیکلهای بالا قسمتی از انرژی سوخت داده شده به سیکل، تبدیل به الکتریسیته و مابقی تبدیل به گرما در فرآهم آوردن قدرت در سیکل پایینی مورد استفاده قرار میگیرد.
1-2-3 بررسی بیشتر نیروگاههای سیکل ترکیبی توربینگاز / توربین بخار
نیروگاه سیکل ترکیبی توربینگاز/توربین بخار، به نیروگاهی گفته میشود که در آن، هم در توربین گاز و هم در توربین بخار قدرت تولید شود. ایدهی سیکل ترکیبی، به منظور بهبود چرخهی سادهی برایتون، از طریق بهرهگیری از انرژی اضافی گازهای خروجی توربین گاز مطرح شد.

شکل1-2: سیکل برایتون با بازیافت حرارت خروجی از توربین با استفاده از بازگرمکن

شکل1-1: شماتیک سیکل ترکیبی
همانطور که در شکل (1-2) نیز مشاهده میشود، با استفاده از بازگرمکن نیز میتوان، از جریان گازهای خروجی توربین گاز بازیافت انرژی را انجام داد، به طوریکه بازیافت گرما به این شیوه، انرژی هدر رفته از دودکش را از 60 به 40 درصد انرژی داده شده میرساند، ولی این روش دارای معایبی است:
استفاده از بازگرمکن منحصراً موجب افزایش راندمان میشود اما، توان خروجی از توربین گاز را به واسطهی افزایش یافتن افت فشارها و کاهش دادن نسبت فشار بهینهای که موجب بیشینه شدن راندمان میشود چند درصدی کاهش میدهد.
به دلیل سطح تبادل گرمای زیاد و لولههای بزرگ هوا و گاز در آن، هزینههای سرمایهگذاری افزایش یافته که این امر موجب گرانتر شدن نیروگاه میشود.
از این رو، یک نیروگاه سیکل ترکیبی توربین گاز/توربین بخار شامل یک واحد توربین گاز به عنوان چرخهی بالایی، بویلر بازیاب حرارت و یک توربین بخار به عنوان چرخهی پایینی می تواند علاوه بر افزایش راندمان در نیروگاه موجب افزایش کار تولیدی نیز شود. در این نوع نیروگاهها بویلر بازیاب حرارت به عنوان رابط بین دو چرخهی بالایی و پایینی میباشد. انرژی زیاد خروجی از واحد توربین گاز در بویلر بازیاب به جریان آب عبوری از مبدلهای حرارتی تعبیه شده در آن منتقل شده، و بدین ترتیب، بخار مورد نیاز جهت تغذیهی واحد بخار تأمین میگردد.

1-2-4 طبقه بندی بویلرهای بازیاب

شکل1-3: طبقه بندی بویلرهای بازیاب حرارت
بویلرهای بازیاب حرارت براساس کاربردهای مختلفی که دارند طبقهبندی میشوند. در شکل (1-3) نمونهای از طبقه بندی آنها آورده شده است.
در ادامه طبقهبندیهای انجام شده بر اساس گردش سیال عامل، سیستم آتشزایی و سطوح فشار که مهمترین مشخصهی طبقهبندی میباشد مورد بررسی قرار میگیرد.
1-2-5 طبقه بندی انواع بویلرها بر اساس چگونگی گردش سیال عامل  
1-2-5-1 سیستم گردش طبیعی
دارای لولههای عمودی است و جریان داغ گازهای عبوری از آنها افقی میباشد. در این سیستم، اختلاف دانسیته بین سیال سرد در لولههای پایین برنده با مخلوط آب و بخار در لولههای بالابرنده، موجب ایجاد نیروی رانش شده و سیال را در مدار چرخشی خود به حرکت در میآورد.

شکل1-4: بویلر بازیاب حرارت با انواع سیستم گردش آب a) گردش طبیعی b)گردش اجباری c) یک بار گذر
1-2-5-2 سیستم گردش اجباری
دراین سیستم لولههای حامل سیال عامل، افقی بوده و جریان گازهای عبوری از لولهها، عمودی است. در سیستم گردش اجباری نیروی رانش سایل از لوله های افقی مولد بخار، توسط پمپ تولید میشود.
1-2-5-3 بویلرهای یکبار گذر (فوق بحرانی)(Once Through Boiler):
بویلرهای بدون درام که دارای فشار فوق بحرانی میباشند به بویلرهای بنسون معروفند. در این نوع بویلر طراحی مجموعه محفظهی احتراق و لولههای دیوارهای به نحوی است که کلیهی آب تغذیه کنندهی موجود در لولههای دیوارهای پس از طی محفظهی احتراق و لولههای دیوارهای به بخار تبدیل شده و مستقیماً به سمت مافوقگرمکنها هدایت میگردند، لذا این بویلرها بدون درام هستند. از آنجاییکه بویلرهای بنسون دارای فشار بالایی هستند، تکنولوژی پیشرفتهای برای ساخت آنها مورد نیاز است، ولی به علت عدم وجود درام، وزن کمتری نسبت به بویلرهای زیر فشار بحرانی (درامدار) دارند. در بویلرهای بنسون حجم مشخصی از آب تغذیه با یکبار گردش در بویلر باید به بخار تبدیل شود. به عبارت دیگر عدد سیرکولاسیون، یک میباشد. ولی از آنجا که این بویلرها بالای فشار بحرانی کار می کنند، برای افزایش طول لولههای دیوارهای، بر خلاف بویلرهای درام دار لولهها را بهصورت مورب در روی دیوارهها طراحی میکنند تا ارتفاع بویلر کاهش یابد. همچنین ضخامت لولههای دیواره‌ای به علت بالا بودن فشار، بیشتر از ضخامت لولههای بویلرهای درامدار است. در ابتدای راهاندازی بویلرهای بنسون برای جداسازی آب و بخار از هم از سیکلون استفاده میکنند که با استفاده از خاصیت گریز از مرکز، آب و بخار را از هم جدا میکند و در حالت کارکرد دائم بویلر, از مدار خارج میگردند. همچنین به علت پایین بودن عدد سیرکولاسیون کنترل آنها نسبت به بویلرهای درامدار دشوارتر است و به دلیل نداشتن درام در شرایط اضطراری ذخیره آب و بخار نخواهند داشت. 
1-2-6 طبقه بندی بویلرهای سیکل ترکیبی بر اساس سیستم آتشزایی
بر این اساس دو نوع بویلر بازیاب حرارت میتواند وجود داشته باشد :
1-2-6-1 بویلر بازیاب حرارت بدون احتراق اضافی
در این نوع ، دود خروجی از اگزوز توربین گاز که حجم بالا و دمای زیادی (دمای گاز خروجی در بار اسمی در حدود 500 درجه سانتیگراد است) دارد به بویلر بازیاب حرارت هدایت میشود و به جای مشعل و سوخت در واحدهای بخاری، جهت تولید حرارت به کار می رود. بخار تولید شده نیز توربین بخار را به چرخش در می آورد. این امر باعث بالا رفتن راندمان مجموعه نیروگاهی می گردد، ضمن آنکه هزینههای بهره برداری به ازای هر کیلووات تا حد قابل ملاحظهای کاهش پیدا میکند. این مجموعه برای تولید برق پایه استفاده میشود و کارآیی آن در صورتی که فقط برای تولید برق به کار رود تا بیش از 50 درصد هم بالا می رود.
در مناطق سردسیر با بکارگیری توربین بخار با فشار خروجی زیاد (Back pressure) به جای کندانسور و برجخنککن در تأمین آب گرم و بخار مصرفی گرمایش مناطق شهری و صنعتی نیز استفاده میشود که در این صورت راندمان تا 80 درصد هم افزایش می یابد.
در شکل زیر نمونهای از شمای حرارتی نیروگاههای سیکل ترکیبی بدون مشعل آورده شده است:

شکل 1-5: شمای حرارتی یک نیروگاه سیکل ترکیبی بدون مشعل
1-2-6-2 بویلرهای بازیاب حرارت با احتراق اضافی
در نیروگاههای سیکل ترکیبی بدون مشعل، کارکرد بخش بخار وابستگی کامل به کارکرد توربین گاز دارد. در مواردی که نیاز به کارکرد دائمی بخش بخار وجود دارد با تعبیهی مشعل در بویلر، میتوان به هنگام کاهش قدرت توربین گاز به علت تغییر شرایط محیطی کاهش قدرت توربین بخار را به حداقل رساند و حتی به گونهای طراحی را انجام داد که در صورت توقف بخش گاز کارکرد قسمت بخار با اشکال مواجه نگردد، عملکرد مستقل این دو بخش تأمین میشود و بدین ترتیب، این نوع نیروگاهها شکل گرفتهاند.
این نوع سیکل ترکیبی عموماً به منظور بالا بردن قدرت و جلوگیری از نوسانات قدرت توربین بخار با تغییر بار توربینگاز به کار گرفته می شود. امکان کارکرد واحد بخار در نقطه کار مناسبتر با تعبیه مشعل ساده، به کارگیری سوخت مناسب و استفاده از گاز داغ خروجی توربینگاز به عنوان هوای دم عملی است. به کارگیری این نوع واحدها در مواردی که علاوه بر تامین انرژی الکتریکی، تأمین آب مصرفی و یا بخار مورد نیاز واحدهای صنعتی نیز مد نظر باشد، عمومیت دارد .
شکل زیر نمونه ای از شمای حرارتی نیروگاههای سیکل ترکیبی با مشعل را نمایش میدهد :
1548765403225
4419601503045شکل 1-6: نمونهای از شمای حرارتی نیروگاههای سیکل ترکیبی با مشعل
00شکل 1-6: نمونهای از شمای حرارتی نیروگاههای سیکل ترکیبی با مشعل

بویلرهای بازیاب حرارت با نصب سیستم احتراق اضافی به دو صورت زیر میباشد:
1-2-6-2-1 بویلرهای با مشعل اضافی محدود شده
این نوع بویلرها مشابه واحدهای بدون احتراق اضافی میباشند. در این نوع از بویلرها، حدکثر دمای گازهای خروجی از توربین باید بین 900-800 درجه سلسیوس باشد. سوخت مورد استفاده در این بویلرها میتواند مازوت یا گاز باشد ولی در بویلرهای ساده و بدون خنککن، محفظهی احتراق با سوخت گاز مناسبتر است، زیرا هم انتقال حرارت تشعشعی کمتر و هم قابلیت اشتعال بیشتری دارند. انواع مختلفی از سوختها را میتوان در بویلرها مورد استفاده قرار داد که رایجترین نوع سوخت برای آن گاز متان یا گاز طبیعی است.
1-2-6-2-2 استفاده از توربین گاز جهت پیش گرم کردن هوای دم بویلر
این نوع سیکل ترکیبی مشابهت زیادی با سیکل بخار معمولی دارد با این تفاوت که در نیروگاه بخاری ساده از سیستم پیشگرمکن هوا و فن تأمین کننده هوای دم که خود مصرف کننده انرژی است استفاده میگردد. لیکن در این گونه سیکل ترکیبی، سیستم گرمایش و فن دمنده هوای احتراق کوره را توربین گاز بر عهده گرفته است. بدین ترتیب راندمان واحد بخاری ساده با جانشین کردن سیستم تأمین هوای دم با توربین گاز، بهطور نسبی بهبود مییابد.
معمولاً این نوع سیکل ترکیبی در نیروگاههای بخاری بزرگ که سوخت آن ذغال سنگ و یا مازوت میباشد، به کار میرود. قدرت تولیدی توربین گاز در این نوع سیکل حداکثر 20 درصد قدرت تولید کل نیروگاه است.
1-2-6-2-3 بویلرهای با حداکثر احتراق اضافی
در نیروگاههایی که از این نوع بویلرها استفاده میکنند اساس کار سیکل بخار میباشد و توربین گاز برای بهبود راندمان کلی نیروگاه به کار میرود. پروسه بخار تقریباً مشابه نیروگاههای بخاری معمولی بوده و در بیشتر موارد نیروگاه شامل باز گرمکن و چند گرمکن آب تغذیه میباشد.
1- 2-7 طبقه بندی بویلرهای بازیاب حرارت بر اساس سطوح فشار بخار
اساس کار نیروگاههای سیکل ترکیبی، به بازیافت انرژی موجود در جریان گازهای داغ خروجی از توربین گاز و تولید بخار در بویلر بازیاب حرارت بین واحدهای گاز و بخار در بویلر بازیاب حرارت صورت میگیرد لذا سطوح مختلف فشار به کار گرفته شده در ساختار آنها، مهمترین نقش را در میزان بازیافت انرژی ایفا میکنند.
1-2-7-1 بویلرهای بازیاب حرارت تک فشاره
سادهترین نوع بویلرهای بازیاب حرارت، انواع تک فشار آنها میباشد که درسیکلهای ترکیبی مورد استفاده قرار میگیرد. سیکلهای تک فشار در سادهترین حالت خود، شامل یک یا چند توربین گاز، یک بویلر بازیاب حرارت، یک توربین بخار تحت کندانس و یک کندانسور میباشد.

شکل1-8:پرفیل دمایی بویلر بازیاب تک فشاره در حضور هوازدا

شکل1-7:شماتیک بویلر بازیاب تک فشاره در حضور هوازدا
اما عمدهترین اشکال سیستمهای تک فشار در این حالت، عدم استفادهی کامل از انرژی دود خروجی توربین گاز میباشد. راه حل سادهی جبران این عیب، استفاده از یک مبدل حرارتی اضافی دود و استفاده از این انرژی برای پیشگرم کردن آب تغذیه میباشد. این مبدل باید به گونهای طراحی گردد که دمای دود خروجی از بویلر به زیر نقطهی شبنم نرسد. بنابراین فرستادن مستقیم آب خروجی از کندانسور به داخل بویلر غیر ممکن است. برای این منظور آب خروجی کندانسور را ابتدا به وسیلهی پیش گرمکنهایی داخل بویلر پیشگرم کرده و سپس به منظور هوازدایی و جداکردن اکسیژن و سایر گازهای محلول در سیال عامل، آن را وارد هوازدا میکنند. بخار مورد نیاز جهت تغذیهی هوازدا را یا میتوان مستقیماً از بخار تولید شده توسط بویلر فراهم نمود و یا از یک مولد بخار مستقل جهت تولید آن استفاده کرد.
در این نوع از سیکلها فقط یک سطح فشار مطرح است و لذا یک درام با مولد بخار مربوط در بویلر در نظر گرفته میشود که میتواند دارای گردش طبیعی و اجباری باشد. در این نوع از سیکلها، حرارت دفع شده از کندانسور حدود نصف حرارت دفع شده از نیروگاه بخار معمولی با اندازهی مشابه است و آب مورد نیاز سیستم خنک کن آن نیز حدود نصف نیروگاه معمولی است.
1-2-7-2 بویلرهای بازیاب حرارت چند فشاره
یکی از راههای کاهش بازگشتناپذیری خارجی ناشی از وجود اختلاف درجه حرارت بین جریان گازهای داغ خروجی از توربین گاز و جریان آب/بخار در سیکل رانکین، تقسیم این دو سیکل به چند سطح فشار مختلف میباشد.
در شکل (1-9a) پروفیل دما – حرارت جریان گاز با آب را در یک سیکل بخار نشان داده میدهد. همانطور که در این شکل مشاهده میشود، در سطوح فشار پایینتر (P2)، امکان جذب حرارت بیشتری وجود دارد. در شکل (1-9b) میزان تلفات اگزرژی (T0 / T)، برحسب تابعی از حرارت (q) ترسیم شده است. همانطور که ملاحظه میگردد در سطوح فشار بالا، اختلاف دما یا بازگشتناپذیریها در نواحی دما بالا (ناحیهی C) کاهش مییابد و تلفات در نواحی دما پایین(ناحیهی A) بیشتر است. در سطوح فشار پایین، تلفات در نواحی دما (ناحیهی C) بالا غالب میباشد. بنابراین هرگاه سطح C+B+ A مینیمم باشد تلفات اگزرژی حداقل بوده و این به معنی وجود سطح فشار بهینه است.

شکل 1-9: تأثیر فشار بخار زنده بر انرژی مصرفی و تلفات اگزرژی کلی
از این رو، در برخی طراحیهای بویلرهای بازیاب حرارت، علاوه بر استفاده از یک سطح فشار بالا برای تولید بخار، از یک سطح فشار پایین نیز استفاده میشود. در شکل (1-10) شماتیک سیکل ترکیبی دو فشاره ساده که در طراحی آن از این نوع بویلرها استفاده شده و فاقد بازگرمکن بخار و در شکل (1-11) دیاگرام توزیع دما- حرارت مربوط به آن نشان داده شده است. همانطور که مشاهده میشود، در داخل پوستهی بویلر، از دو سطح فشار بالا به منظور تغذیهی توربین فشار بالا و سطح فشار پایین برای تغذیهی توربین فشار پایین استفاده شده است.
بخار خروجی از طبقه فشار بالای توربین، به سمت طبقهی فشار پایین توربین هدایت میشود و پس از مخلوط شدن با بخار فشار پایین، وارد طبقه فشار پایین توربین میشود. هر سطح فشار دارای اکونومایزر، مولد بخار و مافوقگرمکن میباشد.

شکل1-11: پرفیل دمایی سیکل دو فشاره همراه با هوازدا

شکل 1-10: شماتیک سیکل دوفشاره همراه با هوازدا تغذیهی مستقل
با مقایسهی شکل پرفیل دمایی سیکل تک فشاره با سیکل دو فشاره مشاهده میشود که اختلاف دمای بین جریان گازهای داغ و بخار در سیکلهای ترکیبی دو فشار از سیکلهای تک فشار کمتر میباشد که این امر، بزرگترین مزیت سیکلهای دو فشار را نسبت به سیکلهای تک فشار بیان میکند. زیرا بازگشتناپذیریهای خارجی در آنها به حداقل رسیده است، و درنتیجه کار خروجی بزرگتری قابل دسترسی میباشد.
با توجه به شکل (1-12) و (1-13) همانطور که ملاحظه میشود سیکلهای سه فشاره دارای سه سطح فشار مختلف میباشند و درنتیجه نسبت به بویلرهای تک و دو فشاره دارای بازگشت ناپذیری کمتری میباشند.

شکل1-13: پرفیل دمایی سیکل سه فشاره در حضور هوازدا

شکل1-12: شماتیک سیکل سه فشاره در حضور هوازد
1-2-8 تأثیر پذیری کارایی سیکل ترکیبی از شرایط کاری
1-2-8-1 تأثیر دمای هوای محیط بر قدرت و راندمان سیکل ترکیبی
تغییرات دمای هوای محیط، بر دبی جریان گاز، دما و آنالیز گازهای داغ خروجی از توربین گاز تأثیر میگذارد که این امر به نوبهی خود، بر میزان کارایی بویلر بازیاب حرارت قرار گرفته شده در پشت توربین گاز و در نهایت کارایی سیکل ترکیبی تأثیر خواهد گذاشت.
بالا بودن دمای هوا از یک طرف، موجب کاهش دانسیتهی هوا و درنتیجه کاهش دبی جریان هوای عبوری از توربین گاز، قدرت خروجی از توربین را 15 تا 25 درصد کاهش میدهد، ولی افزایش دمای گازهای خروجی، دبی بخار تولیدی در بویلر بازیاب حرارت و در نهایت راندمان کلی سیکل ترکیبی را بهبود میبخشد. قدرت خروجی نسبی با افزایش درجه حرارت محیط کاهش مییابد. بدیهی است که کارکرد یک سیکل ترکیبی، به علت تأثیر پذیر بودن توربین گاز و کوندانسور سیکل بخار از شرایط محیط، تأثیر پذیری کمتری از شرایط محیط نسبت به سیکل قدرت سادهی گازی برخوردار است.
1-2-8-2 تأثیر بار توربین گاز بر راندمان سیکل ترکیبی
به طور کلی توربینهای گازی در بارهای پایین کارایی ضعیفی دارند. بارهای پایین نه تنها کارایی توربین گاز را تحت تأثیر قرار میدهند، بلکه کارایی بویلر بازیاب حرارت و در نهایت سیکل ترکیبی را تحت الشعاع خود قرار میدهند. پایین بودن بار توربین گاز موجب کاهش دمای گازهای خروجی از توربین گاز میشود، که درنتیجهی آن، هم میزان تولید بخار در بویلر بازیاب حرارت کاهش خواهد یافت و هم امکان تشکیل بخار در اکونومایزر فراهم میگردد.
1-2-8-3 تأثیر فشار بخار بر راندمان سیکل ترکیبی
تغییرات زیاد فشار بخار، بر حجم ویژهی بخار تأثیر میگذارد و به دنبال آن افت سرعت و فشار در طول لولههای مبدل حرارتی، شیرها و... افزایش مییابد. از طرف دیگر، تغییرات فشار علاوه بر تغییر دمای اشباع درام، تنشهای حرارتی مولفههای بویلر نظیر درام، مافوقگرمکن، مولد بخار و... را دستخوش تغییرات میکند. شرایط متغیّر فشار، راندمان توربین بخار را در بارهای کم افزایش میدهد، زیرا با متغیّر بودن فشار، هم تلفات هنگام فرآیند اختناق کاهش مییابد و هم هزینههای پمپ آب تغذیه در صورتی که از پمپهای با سرعت متغیّر استفاده گردد کاهش مییابد.
1-2-9 مزایا و معایب سیکلهای ترکیبی
مزایای این نوع نیروگاهها به دلایل زیر میباشد:
به دست آوردن راندمان حرارتی بالا، زیرا دو سیکل فوق الذکر از نظر ترمودینامیکی با یکدیگر سازگاری داشته و گرمایی که از توربین گاز دفع میشود، دارای چنان دمای بالایی است که میتوان به آسانی توسط سیکل بخار مورد استفاده قرار گیرد.
سیالهای عامل هر دو سیکل در طبیعت به وفور یافت میشوند، ارزان و غیر سمی بوده و درنتیجه استفاده از این نیروگاهها آلودگی کمتر محیط زیست را در پی دارد.
تجهیزات مورد نیاز این سیکلها شناخته شده بوده و سازندگان زیادی در ساخت آنها تجربه و تبحّر دارند .
بالا بودن نسبت قدرت تولیدی به فضای اشغال شده توسط تجهیزات.
راه اندازی و شروع به کارسریع: شروع به کار این نیروگاهها از حالت سرد تقریباً دو ساعت و در حالت شروع به کار گرم تقریباً به 30 دقیقه زمان نیاز دارد. در صورتیکه این مدت برای نیروگاههای بخاری مرسوم حدوداً 18-15 ساعت میباشد.
هزینهی اولیّهی نصب و راهاندازی نیروگاههای سیکل ترکیبی در مقایسه با سایر نیروگاهها کم میباشد.
بازدهی کلّی این نیروگاهها بالا بوده و از محدوده 50 درصد تجاوز نموده و به مرز 60 درصد نزدیک شده است.
در مقایسه با نیروگاههای بخاری حجم سیال کاری کمتری (تقریباً نصف) مورد نیاز است که این امر توجیه ضرورت استفاده از این نیروگاهها در مناطق کم آب میباشد.
زمان مورد نیاز برای راه اندازی و هزینهی نصب اولیهی این نیروگاهها اندک میباشد.
توربینهای گازی جدید با ظرفیتهای بالاتری ساخته میشوند که این خود عامل عمدهای در استفاده از آنها در نیروگاههای سیکل ترکیبی با راندمان بالا میباشد.
توربینهای گازی در اندازهها و مدل های مشخّصی استاندارد شده و ساخته میشوند و تولید و توسعه یک مدل جدید که قابل اطمینان بوده و کارا باشد، هزینه سنگینی را برای سازندگان آن در بردارد. به همین جهت توربینهای گازی واحدهای سیکل ترکیبی، معمولاً از واحدهای استاندارد انتخاب میگردند که البته این واحدهای استاندارد با توجه به دانش و تکنولوژی روز، دائماً در دست تکمیل و توسعه میباشد.
اما سیکلهای ترکیبی دارای معایبی نیز میباشند که ازجملهی آن میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
طول عمر کمتر: طول عمر بخش گازی نیروگاههای سیکل ترکیبی به مراتب پایینتر از نیروگاه-های بخار است به طوریکه عمر مفید یک توربین گاز در حدود 15 سال و عمر مفید یک توربین بخار بیش از 30 سال است.
تأثیرگذاری کیفیّت سوخت بر هزینهها: در مواردی که سوخت موجود از کیفیّت پایینی برخوردار باشد جهت استفاده از آن در یک نیروگاه سیکل ترکیبی لازم است که یک سیستم مناسب تصفیهی سوخت نیز در نظر گرفته شود که این امر باعث افزایش قیمت، مخارج اولیه و تعمیرات اضافی خواهد شد.
تأثیرپذیری کارایی با تغییرات شرایط محیطی: در نیروگاههای سیکل ترکیبی کاهش یا افزایش درجه حرارت محیط باعث افزایش یا کاهش راندمان میشود در حالیکه نیروگاههای بخار در مقابل تغییرات درجه حرارت محیط حساسیت کمتری دارند.
1-2-10 راندمان کلی نیروگاههای سیکل ترکیبی
راندمان کلی یک واحد سیکل ترکیبی، به میزان تلفات حرارتی که بین دو واحد صورت میگیرد بستگی دارد. در آرایش سری سیکل ترکیبی با فرض عدم وجود اتلاف حرارتی، کل انرژی حرارتی خروجی از واحد بالایی وارد چرخهی پایینی شده و جهت تولید بخار مورد استفاده قرار میگیرد.
دراین بخش، با فرض عدم وجود اتلاف حرارتی بین دو واحد، به بررسی تأثیر استفاده از سیکل ترکیبی بر رابطهی راندمان کلی نیروگاه پرداخته میشود.

شکل 1-14: شمای یک نیروگاه سیکل ترکیبی در حالت سری واحدها
برای این منظور یک نیروگاه سیکل ترکیبی غیر مشخص، شامل یک سیکل بالایی و یک سیکل پایینی در نظر گرفته میشود. با فرض η1 به عنوان راندمان سیکل بالایی، η2 به عنوان راندمان سیکل پایینی و η به عنوان راندمان کلی سیکل ترکیبی خواهیم داشت:

پس از جایگذاری روابط:

درنتیجه:

یا
(1-1) در نتیجه برای دو سیکل کوپل شده با هم با توجه به رابطهی (1-1) خواهیم داشت:
(1-2)
رابطهی (1-2) نشان میدهد راندمان دو سیکل کوپل شده باهم در حالت سری، برابر است با: مجموع راندمان تکتک سیکلها منهای حاصلضرب راندمان آنها درهم. از این رو با ترکیب دو سیکل مجزا با یکدیگر، به راندمانی دست خواهیم یافت که در صورت مجزا بودن سیکلها، امکان دستیابی به آن میسّر نخواهد بود (راندمانی بالاتر از راندمان سیکلهای مجزا).
1-3 کلیات شیرین سازی آب
1-3-1 تعریف نمکزدایی:
نمکزدایی عبارت است از انجام عملیات روی آب شور، بد مزه یا آلوده، جهت زدودن نمک اضافی و بقیه ی مواد معدنی و آلوده از آن و یا به طور کلی تر نمک زدایی شامل زدودن نمکها و مواد معدنی است. در این فرایند آب به گونه ای به آب شیرین برگردانده میشود که جهت مصرف یا آبیاری مناسب باشد. بعضی از مواقع محصول فرایند نمکزدایی، فراورده نمک خوراکی است که این فرآورده از نظر اقتصادی مورد توجه است.
1-3-2 روشهای آب شیرین کنی
به طور کلی میتوان روشهای آب شیرینکنی را به دو بخش اصلی: گرمایی وغشایی تقسیم نمود. در ایران و جهان روشهایی مانند: اسمز معکوس، تبخیر ناگهانی چند مرحلهای، تقطیر چند مرحلهای، متراکم سازی مکانیکی بخار آب و تقطیر چند مرحله ای-چگالش گرمایی بخار طرفداران فراوانی دارند. در این پروژه - ریسرچبا توجه به استقبال گسترده از این روشها، تلاش خواهد شد تا بهترین روش برای معیارهای پیشرو انتخاب گردد.
1-3-2-1 تقطیر چند مرحلهای (MED)
تقطیر چند مرحلهای یکی از روشهای گرمایی آب شیرینکنی میباشد. در مرحله اول این روش تنها بخشی از آب شور ورودی به سلول تبخیر شده و بقیه آب وارد مرحله دوم می شود که این مرحله فشار کمتری نسبت به مرحله قبلی دارد و بوسیله بخار ایجاد شده در مرحله اول، گرما داده میشود تا با این عمل دمای بخارکاهش یافته و به مایع تبدیل شود که این چرخه چندین مرحله ادامه مییابد.

شکل 1-15 : شماتیک یک واحد MED
1-3-2-2 اسمز معکوس (RO)
اسمز معکوس یکی از روشهای غشایی-مکانیکی میباشد. در این روش از غشاهای نیمه تراوا استفاده میشود که مبنای عمل این غشاها جداسازی یونها و ناخالصیهای آب میباشند. آب شور با عبور از داخل این غشاها، نمک خود را باقی گذاشته و آب شیرین بدست میآید.

شکل 1-16: شماتیک نحوه عملکرد غشای یک واحد RO
1-3-2-3 متراکم سازی مکانیکی بخار آب (MVC)
این روش نمکزدایی یکی از روشهای تک مرحلهای آب شیرینکنی گرمایی- مکانیکی میباشد. در این روش، آبشور مقداری گرما داده میشود سپس بر روی لولههای سلول اسپری شده و مقداری از آن تبخیر میشود. بخار حاصل بوسیلهی لولههای مکش از سلول تخلیه شده و جهت متراکم سازی وارد کمپرسور میشود.
1-3-2-4 تبخیر ناگهانی چند مرحلهای (MSF)

شکل 1-17: شماتیک یک واحد MSF
این روش نمکزدایی یکی از روشهای گرمایی است که شامل مراحل تقطیر و میعان میباشد. در مرحله گرم کردن، بخار موجود با دادن گرمای خود به آب شور میعان مییابد سپس آب دریای گرم شده وارد مرحله اول میشود (که دارای فشار پایین است). ورود ناگهانی آب داغ به اتاقکی با فشار کم، باعث جوشیدن بسیار سریع آن میشود. این فرآیند چندین مرحله ادامه می یابد و نهایتاً بخار ایجاد شده متراکم و به آب تبدیل میشود.
1-3-2-5 تقطیر چند مرحله ای چگالش- گرمایی بخار(MED-TVC)
این روش بر اساس تبخیر و میعان آب دریا در خلاء که در درون سلولها گنجانده شده، طراحی گردیده است. آب دریا بر غشای نازک لولههایی که در سلول نصب شده است اسپری میشود و به وسیله گرمای حاصل از جریان بخار آب درون لولهها تبخیر میگردد. نهایتاً بخشی از بخار آب تولید شده در مرحله ی آخر بعد از اختلاط با بخار انگیخته به لوله مرحله ی اول باز میگردد و بخش دیگر وارد کندانسور شده و به آب تبدیل میشود.
جدول 1-1: بازهی فشار و دمای استفاده از انواع آب شیرینکنها

1-3-3 ارزیابی معیارها
1-3-3-1 مقدار انرژی مورد نیاز
بدیهی است در پروژههایی مانند آب شیرینکنی که نیاز بسیار بالایی به انرژی دارند باید میزان انرژی مورد نیاز پروژه سنجیده شود و در صورت وجود زیر ساخت اقدام به ساخت پروژه گردد. در غیر این صورت اقدام به ایجاد زیرساختهای مورد نیاز گردد تا پروژه به دلیل کمبود منابع انرژی به چالش کشیده نشود.
1-3-3-2 هزینه تولید
یکی از مهمترین ویژگیها برای یک پروژه هزینه تولید کالا و میزان سودآوری آن است که در صورت عدم تامین سودآوری، پروژه به تعطیلی کشیده میشود و یا اصلاً سرمایه گذاری برای آن پیدا نشده و پروژه عملی نمیگردد. از سوی دیگر میزان سرمایهگزاری به دلیل برآورد میزان سود و زمان بازگشت بسیار مهم است.
1-3-3-3 محیط زیست
محیط زیست از مهمترین عواملی است که به دلیل توجه کم به آن، خسارات جبران ناپذیر پدیدار شده است. که امروزه بیش از بیش به عنوان خطری برای سلامتی انسان مطرح میشود تا حدی که در شهرهای صنعتی ایران این مشکل رفته رفته به بحران تبدیل میشود.
1-3-3-4 کدورت آب تولیدی
از ابتداییترین عوامل در تعیین کیفیت آب است. کدورت در آب عموماً توسط مواد معلّقی مثل خاک و گل ولای، مواد آلی و معدنی ریز، ترکیبات آلی رنگی محلول و پلانکتونها و سایر میکرو اورگانیسمها ایجاد میشود.
1-3-3-5 نگهداری
یکی از مهمترین عوامل یک پروژه زمانهای تعمیر یا تعویض یا پاکسازی قطعات آن است بهویژه در پروژههای حساس که تعطیلی آن موجب بروز مشکلات عدیده برای مشترکان میگردد. از سوی دیگر نگهداری تاثیر مستقیمی بر سودآوری پروژه دارد.
1-3-4 مبدل نمک زدای حرارتی چند مرحلهای MED_TVC:
در شکل (1-18) یک مبدل نمکزدای چند مرحلهای نشان داده شده است. بخار اشباع ترک کننده مبدل بازیاب حرارت به سمت مبدل نمک زدا (MED) میرود که در آن، پس از تبخیر آب دریا در افکت اول، کندانس شده و به بویلر بازیاب برمیگردد. آب دریا در این مبدل پس از ورود به کندانسور نهایی و افزایش دما، به دو بخش تقسیم میشود. قسمتی از آن برای حذف گرمای اضافی موجود در سیستم (و صرفاً برای تبدیل کامل بخار اشباع به مایع اشباع) است و به دریا باز میگردد که آب خنک نامیده میشود. قسمت دیگر نیز که آب تغذیه نام دارد به طور موازی وارد همهی افکتها میشود.
پس از تبخیر، آب تغذیهی خود به دو بخش جدا تقسیم میشود. بخش اول بخار فاقد املاح است که پس از تبخیر و تقطیر به آب خالص بدون یون (آب دمین) تبدیل شده و به عنوان محصول نهایی وارد واحد تولید آب معدنی میشود. بخش دیگر نیز پسماند یا آب شور است که دوباره به دریا باز میگردد. آب دمین به هیچ عنوان قابل شرب نیست و آشامیدن چند قطره از آن موجب مرگ انسان میگردد؛ لذا آب محصول MED باید در واحد دیگری با افزودن مواد معدنی به آب آشامیدنی تبدیل شود. این کار در واحد معدنی سازی انجام میگردد.
در حالت کلی، این مبدل از قسمتهای مختلف شامل اواپراتور، رطوبتگیر، نازل اسپری آب دریا، محفظههای تبخیر ناگهانی، خطوط لوله و ... تشکیل شده است. کمپرسورهای حرارتی بخار انواع مختلفی اعم از مکانیکی و حرارتی دارند. در پایاننامه صرفا نوع حرارتی آن بررسی شده است.
در اینجا ما ابتدا سه نوع آرایش مختلف را برای نمکزدای چند مرحلهای حرارتی (TVC-MED) معرفی میکنیم. سپس از بین آنها، نوع موازی-متقاطع را در فصل دوم مورد بررسی قرار داده و روابط مدلسازی آنها را بیان میکنیم.

شکل 1-18: شماتیک یک واحد MED-TVC
1-3-4-1 آرایش تغذیهی پیشرو
این آرایش در شکل (1-19) نشان داده شده است.

شکل 1-19: شماتیک یک واحد آب شیرینکن MED-TVC پیشرو (MED-TVC-F)
همانطور که در شکل نیز مشخص است، در این آرایش، پش از اختلاط بخار احیا با قسمتی از بخار اشباع خارج شده از افکت آخر در کمپرسور حرارتی بخار، این بخار وارد افکت اول میشود. آب اسپری شده از سمت دریا نیز با عبور از کندانسور روی لولههای اواپراتور افکت اول پاشیده میشود. بخشی از آن بخار شده و به افکت بعد رفته و به عنوان سیال گرم وارد لولههای مرحلهی بعد میشود. بخش دیگر نیز به عنوان آب شور وارد مرحلهی بعد میشود تا دوباره روی لولههای اسپری شود و آب شیرین از آن به دست آید. به این ترتیب با این آرایش فقط در یک مرحله کل آب دریا اسپری میشود و آب شور در هر مرحله شورتر و شورتر میگردد. آب شیرین نیز از مرحلهی دوم به بعد پس از میعان بخار اشباع حاصل از مرحلهی (i-1) در لولههای مرحلهی (i) از لولهها خارج شده و وارد محافظ تبخیر ناگهانی میشود. کار محافظ تبخیر ناگهانی جداسازی بخار اشباع موجود در آب شیرین و باز گرداندن آنها به چرخهی شیرینسازی آب میباشد.
1-3-4-2 آرایش تغذیهی موازی
این آرایش در شکل (1-20) نمایش داده شده است:

شکل 1-20: شماتیک یک واحد آب شیرینکن MED-TVC موازی (MED-TVC-P)
در این آرایش، پس از اختلاط بخار احیا با قسمتی از بخار اشباع خارج شده از افکت آخر در کمپرسور حرارتی بخار، این بخار وارد افکت اول میشود. آب سپری شده از سمت دریا هم با عبور از کندانسور روی لولههای همهی اواپراتورها پاشیده میشود. بخشی از آن بخار شده و به افکت بعد رفته و به عنوان سیال گرم وارد لولههای مرحله بعد میشود. بخش دیگر یعنی آبهای شور تبخیر نشده از زیر هر کدام از افکتها خارج شده و ازطریق یک خط لوله به هم متصلاند و در نهایت به دریا باز میگردند. آب شیرین پس از میعان بخار اشباع حاصل از مرحلهی (i-1) در لولههای مرحلهی (i) از لوله ها خراج شده و وارد محفظههای تبخیر ناگهانی میشود. کار محافظ تبخیر ناگهانی در این آرایش آن است که در صورت وجود بخار در آب شیرین اشباع خروجی از لولهها، آن را از آب جداکرده و همراه با بخار اشباع حاصل از پاشش آب دریا روی لولههای اواپراتور وارد لولههای افکت بعد کند.
1-3-4-3 آرایش تغذیهی موازی - متقاطع:
تفات این آرایش (MED-TVC-PC) با نوع موازی (MED-TVC-P) در آن است که، آب شوری که مرحلهی iام را ترک میکند وارد استخر آب شور مرحلهی i+1 ام میشود. با این روش، محصول آب شیرین و بازدهی حرارتی افزایش مییابد. این بخار با بخار تشکیل شده به کمک گرمای اواپراتور همراه شده و به لولههای مرحلهی بعد وارد میشود. در سایر موارد آرایش موازی - متقاطع مشابه آرایش موازی است. شکل (1-21) نمونهای از این آرایش را نشان میدهد.

شکل 1-21: شماتیک یک واحد آب شیرینکن MED-TVC موازی - متقاطع (MED-TVC-PC)

فصل2
روابط مربوط به بویلرهای بازیاب و آب شیرینکن های MED-TVC و تشریح الگوریتم ژنتیک

2-1 مقدمه
استقبال گسترده از سیکلهای ترکیب موجب شده تا استفاده از بویلرهای بازیاب حرارت گسترش یابد و با توجه به کمبود آب در کشورمان استفاده از آب شیرینکن ها در ایران میتواند درآینده سهم مهمی را در تولید آب شرب داشته باشد. با توجه به اینکه یکی از بهترین روشهای تولید آب شیرین استفاده از روشهای شیرینسازی آب به روش تبخیر و تقطیر میباشد و همچنین وجود مبنع حرارتی بزرگی به نام کندانسور سیکل بخار که در صورت عدم استفاده این حرارت به صورت اتلاف انرژی از بین خواهد رفت استفاده از آب شیرین کن های تبخیر تقطیری در سیکل بخار نیروگاه سیکل ترکیبی میتواند موجب افزایش بازده در این سیکل ها گردد.
در این فصل به بررسی روابط و طریقهی مدلسازی ریاضی بویلر بازیاب حرارت و آبشیرینکن MED-TVC پرداخته میشود. همچنین الگوریتم ژنتیک را که در این مدلسازی از آن بهره گرفته شده، تشریح میگردد. همچنین با توجه به استفادهی روابط بخار و آب و همچینی گازهای حاصل از احتراق در برنامهی کد نویسی شده نیاز به محاسبهی خواص ترمودینامیکی آنها میباشد که در این فصل استانداردها و چگونگی محاسبهی این خواص معرفی شده است.
2-2 روابط مهم در طراحی بویلرهای بازیاب حرارت
در این بخش به بررسی روابط ترمودینامیکی مهم در طراحی بویلر بازیاب حرارت پرداخته میشود. برای این منظور ابتدا پارامترهای مهم در طراحی بویلر بازیاب حرارت معرفی شده و پس از آن روابط محاسبه دبی، توان تولیدی توربین بخار و توان مصرفی پمپها ارائه میگردد.
در بخش بعد نیز روابط محاسبه دبی آب شیرین تولیدی در آبشیرینکن MED-TVC-PC که در این پایان نامه مورد استفاده قرار گرفته است بررسی خواهد شد.
2-2-1 پارامترهای مهم در طراحی بویلر بازیاب حرارت
طراحی بویلرهای بازیاب حرارت، قسمت مهمی از طراحی نیروگاههای سیکل ترکیبی را شامل میشود. چرا که در یک نیروگاه سیکل ترکیبی، درصد عمدهای از توان خروجی نیروگاه، بوسیله سیکل بخار به دست میآید که عمدهی بخار مورد نیاز آن، بوسیلهی بویلر بازیاب حرارت تأمین میشود. از طرف دیگر معمولاً واحدهای بخار و یا گاز یک نیروگاه سیکل ترکیبی، از قبل طراحی و ساخته شده هستند، علاوه بر این تجهیزات مورد استفاده در آنها مانند کمپرسورها، توربینهای گازی، پمپها و ... تجهیزات استاندارد شدهای میباشند که براساس ظرفیت مورد نیاز انتخاب میگردند. این در حالی است که بویلرهای بازیاب حرارت بایستی بر اساس پارامترهای گازهای داغ خروجی از توربین گاز نظیر دما، دبی بخار و آنالیز دود و یا بر اساس ظرفیت توربین بخار طراحی و ساخته شوند.
در ادامه، تأثیر اختلاف دمای بین جریانهای گاز و بخار در مبدلهای حرارتی مولد بخار و اکونومایزر بویلر بازیاب حرارت که نقش بسیار مهمی در میزان هزینهها و کارایی آن دارند مورد بررسی قرار میگیرد.
2-2-1-1 اختلاف دمای نهایی
اختلاف دمای بین گازهای داغ ورودی و بویلر بازیاب حرارت و بخار مافوق گرم خروجی از مافوق گرمکن را اختلاف دمای نهایی (انتهایی) میگویند و برابر است با:
(2-1)
در حقیقت میتوان اختلاف دمای نهایی را به عنوان درجهی مافوق گرم شدن بخار دانست.
2-2-1-2 نقطهی پینچ
حداقل اختلاف دمای بین گازهای عبوری از مولد بخار و بخار آب اشباع را نقطهی پینچ و یا اختلاف دمای گلوگاهی مینامند. در یک بویلر بازیاب حرارت این نقطه، همواره در ورودی مولد بخار قرار داشته و به صورت زیر تعریف میشود:
(2-2)
اگر در قسمت اکونومایزر هیچ گونه حرارتی جذب آب نگردد، دمای پینچ با دمای خروجی از پینچ برابر خواهد بود. بنابراین حداکثر دمای دود خروجی از دودکش برابر با دمای پینچ میباشد. نکتهی مهمی که از این توضیحات بر میآید این است که در یک بویلر بازیاب حرارت، دمای گازهای خروجی از دودکش، بهوسیله پینچ تعیین میگردد و انتخاب نمیشود. انتخاب پینچ، ابعاد و میزان گسترش سطوح تبادل حرارتی مولد بخار را تعیین میکند.
با کاهش دمای پینچ، نیاز به افزایش قابل ملاحظهای در ابعاد سطوح انتقال حرارت مولد بخار و در نتیجه هزینههای اولیه میباشد، از طرفی دیگر، بالا بردن دمای نقطهی پینچ، به مفهوم کاهش راندمان بویلر است.
از این رو، بایستی هنگام طراحی بویلر بازیاب حرارت در انتخاب دمای نقطهی پینچ دقت کافی به عمل آید. در جدول (2-1) مقادیر توصیه شده برای دمای نقطهی پینچ هنگام طراحی بویلر بازیاب حرارت برحسب دمای گازهای خروجی از توربین گاز آورده شده است.
جدول2-1: مقادیر نقطهی پینچ برحسب دمای گازهای خروجی از بویلر بازیاب حرارت
دمای گازهای ورودی به بویلر بازیاب لولههای بدون فین لولههای فین دار
650-1000 65-72 16-33
400-650 45-72 5-16
2-2-1-3 نقطهی نزدیکی
نقطهی نزدیکی، اختلاف دمای میان آب خروجی از اکونومایزر و آب اشباع درون مولد بخار بویلر بازیاب حرارت را نشان میدهد که به صورت زیر تعریف میگردد:
(2-3)
از لحاظ تئوری اختلاف دما در نقطهی نزدیکی بزرگتر از صفر میباشد. دلیل این امر، اجتناب از تولید بخار درون اکونومایزر است. در مولدهای بخار با لولههای عمودی، میتوان نقطهی نزدیکی را نزدیک به صفر درنظر گرفت در صورتی که در اکونومایزر با لولههای افقی، نزدیک شدن به دمای اشباع ممکن است باعث ایجاد پدیدهی جداشدن فازها و سوختن لولههای اکونومایزر گردد. محدودهی تغییرات این پارامتر در بویلرهای بازیاب حرارت در جدول (2-2) نشان داده شده است.
جدول2-2: مقادیر نقطهی نزدیکی برحسب دمای گازهای خروجی از بویلر بازیاب حرارت
دمای گازهای ورودی به بویلر بازیاب نقطهی نزدیکی
650-1000 22-40
400-650 6-22
2-2-2 استخراج روابط سیکل تک فشاره

شکل 2-2: نمودار T-S برای سیکل تک فشاره در حضور هوازدا و بازگرمکن

شکل2-1: شماتیک سیکل ترکیبی تک فشاره در حضور هوازدا و بازگرمکن
در این بخش به بررسی مختصر سیکل تک فشاره در حضور هوازدا و بازگرمکن پرداخته خواهد شد. سیکل تک فشاره سادهترین نوع سیکلهای ترکیبی است که تنها دارای یک سطح فشار میباشد. با توجه به اینکه در این نوع سیکلها تنها یک سطح فشار وجود دارد نمیتوان مانند سیکلهای سه و دو فشاره از انرژی موجود در گازهای ورودی به بویلر بازیاب حرارت استفاده کرده و بازیابی نمود. به همین دلیل از این نوع بویلرها بیشتر در واحدهای با ظرفیت کم و یا برای نیروگاههای با بویلرهای ماکزیمم احتراق اضافی استفاده میشود و برای واحد با توربینهای گازی با ظرفیت بالا به طور خاص مانند توربینهای کلاس V بیشتر از بویلرهای دو و سه فشاره استفاده میشود.
روابط دبی جرمی و راندمان برای بخش بخار با توجه به شکلهای (2-1) و (2-2) به صورت زیر میباشد:
(2-4)
که در روابط فوق Eff راندمان مبدلهای بویلر بازیاب و Blow Down نسبت آب خروجی از درام بویلر بازیاب جهت کاهش سختی آب داخل بویلر می باشد.
(2-5)
در رابطهی فوق کار توربین و پمپ به صورت زیر میباشد:
(2-6)
(2-7)
(2-8)
2-2-3 استخراج روابط سیکل دو فشاره در آرایش مرسوم مبدلهای حرارتی
در این بخش به بررسی سیکل دو فشاره در حضور بازگرمکن و هوازدا پرداخته خواهد شد. در نیروگاههای سیکل ترکیبی از سیکل دو فشاره به دلیل بازیافت بیشتر حرارت نسبت به حالت تک فشاره بیشتر استفاده میشود.