Birbirine yaklaşan-uzaklaşan kıvrımlı levhalar arasında nanoakışkan akımlarında ısı transfer artışının sayısal incelenmesi
Numerical investigation of heat transfer enhancement performance in periodically converging-diverging nanofluidic turbulent duct flows
Yazar: GİZEM YILDIZHAN
Danışman: DOÇ. DR. LÜTFÜ NAMLI
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Termal sistemlerde ısı transferini iyileştirmeye yönelik çalışmalar son yıllarda yoğun bir şekilde devam etmektedir. Son yıllarda, konvansiyonel ısı transferi akışkanları içerisine katılan nano boyuttaki partiküller, bu alanda yeni bir yöntem olarak karşımıza çıkmaktadır. İçerisine bu partiküllerin katıldığı akışkanlar "nanoakışkanlar" olarak adlandırılmaktadır. Diğer taraftan, kompakt ısı değiştiricilerin ısıl performansta önemli bir artış sağlaması için geliştirilen oluklu kanallardaki iyileştirme çalışmaları tüm endüstriyel gereksinimleri karşılamak için yetersiz kalmıştır. Bu nedenle, bu kanallarda geliştirme tekniği üzerine yapılan araştırmalar çok belirgin hale gelmiştir. Dalgalı kanallar, pasif bir yöntem olarak, kompakt ısı değiştiricilerde ısı transferini arttırmak için kullanılan ucuz ve uygun bir yoldur. Nanoakışkanların, geleneksel akışkanlar yerine oluklu kanallarda bir iş akışkanı olarak kullanılmasıyla elde edilen yüksek ısı transfer katsayıları, daha kompakt bir tasarımla ısı değiştiricilerin ısıl performansında iyileşme sağlanabileceğini göstermiştir.
Bu çalışmada, periyodik olarak birbirine yaklaşan-uzaklaşan farklı şekillerdeki kanallarda nanoakışkanların ısı geçişine etkisi incelenmiştir. Çözümlemeler, Reynolds sayısının 2400-9000 aralığında, sabit yüzey sıcaklığı sınır şartında tutulan kanallarda gerçekleştirilmiştir. Mevcut çözümlemelerde aynı uzunluk ve hidrolik çapa sahip düz, keskin oluklu tepeli ve yuvarlak oluklu tepeli olmak üzere üç farklı kanal tipi ve iki farklı oluk açısı kullanılmıştır. Isı transfer yağı temel akışkan olarak kullanılmış, ısı transfer yağı-Al2O3 ve ısı transfer yağı-TiO2 nanoakışkanlarının üç farklı geometride ısı geçiş performansına etkisi araştırılmıştır. Düz kanallarda ısı transfer yağı kullanıldığı durum referans alındığında, oluklu kanallar ve nanoakışkanlar ile yapılan çalışmada en yüksek Nusselt sayısı değeri, Al2O3/ yağ nanoakışkanı ve 40o keskin oluklu kanalda ortaya çıkmıştır aittir. Al2O3/yağ nanoakışkanı ve 40o keskin oluklu kanal için %99,88 iyileştirmenin olduğu görülmüştür. Ayrıca daha iyi bir performans değerlendirmesi için çalışmada ekserji analizi de yapılmıştır.

Anahtar Kelimeler: Nanoakışkanlar, ısı geçişinin iyileştirilmesi, yakınlaşan-uzaklaşan kanallar, türbülanslı akış, ekserji analizi

Abstract:
Studies in recent years have been continuing intensively to improve heat transfer in thermal systems. Incorporating nano-sized particles into conventional heat transfer fluids has arisen as a new manner in this field during the recent years. Fluids that contains the subject particles is called as "nanofluids". On the other hand, improvement studies on corrugated ducts that developed in order to provide a significant increase in thermal performance of compact heat exchangers have been failed to satisfy all industrial requirements. Thus, investigations on development techniques in these ducts have become thoroughly apparent. As a passive method, corrugated ducts are a cheap and suitable way of increasing heat transfer in compact heat exchangers. High heat transfer coefficients obtained by using nanofluids as a working fluid in corrugated ducts instead of conventional fluids have showed that thermal performance of heat exchangers could be improved with a more compact design.
In this study, the effect of nanofluids on the heat transfer in different channels, which periodically converge and diverge to each other, is investigated. The analyzes have been performed in ducts where the Reynolds number is in the range of 2400-9000 and the constant surface temperature is maintained in the its heat condition. In the present analysis, three different channel type and two different groove angles with flat, sharp corrugated and round corrugated tops with the same length and hydraulic diameter were used. Heat transfer oil was used as primary fluid and it was investigated that the effect of heat transfer oil- Al2O3 and heat transfer oil-TiO2 nanofluids on heat transfer performance in three different geometries. In the case of the use of heat transfer oil in straight ducts, the highest Nusselt number value in the study with corrugated channels and nanofluids belonged to the Al2O3 / oil nanofluid and the sharp grooved channel with an angle of 40 degrees. It was observed that 99,88% improvement for Al2O3 / oil nanofluid with 40o sharp corrugated duct. Furthermore, exergy analysis was also performed in the study for a better performance evaluation.

Keywords: Nanofluids, heat transfer enhancement, converging-diverging ducts,   turbulent flows, exergy analysis