Soğutma sistemlerinde kullanılan nanoyağlayıcıların termal özelliklerinin incelenmesi
Investigation of thermal properties of nanolubricants used in refrigeration systems
Yazar: AYBÜKE ÖZKAN
Danışman: PROF. DR. AYSEL KANTÜRK FİGEN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Modern dünyanın artan küresel enerji talepleri, enerji verimliliği arayışı büyük bir öncelik haline gelmiştir. Soğutma sistemleri dünya çapında önemli bir enerji tüketimini oluşturduğundan, bu sistemlerin verimliliğinin artırılması, sürdürülebilir gelişim ve enerji tasarrufu için hayati öneme sahiptir. Kompresörler, soğutucu akışkanın sistem boyunca hareketini sağlayarak ısı transfer sürecini etkinleştirirler. Bu sistemlerin merkezinde yer alan kompresörler, soğutucu akışkanın sistem boyunca hareketini sağlayarak ısı enerjisinin sistemden dışarıya verimli bir şekilde taşınmasında kritik bir role sahiptir.
Kompresörlerin sıkıştırma işlemini yerine getirirken en iyi performansı gösterebilmeleri için yağlayıcılar hayati bir rol oynar. Yağlayıcılar, kompresör içindeki hareketli parçalar arasında sürtünmeyi azaltarak aşınmayı minimize eder ve bileşenlerin uzun ömürlü olmasını sağlar. Aynı zamanda kompresör içerisindeki ısının transferini sağlayarak, sistemin genel enerji verimliliği ve termal dinamikleri üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Yağlayıcıların termal iletkenlik, viskozite ve özgül ısı kapasitesi gibi termal özellikleri, kompresörler içindeki ısı transferi süreçlerinin verimliliğini belirleyen kritik faktörlerdir. Bu özelliklerin optimize edilmesi, kompresörün daha verimli çalışmasına yol açabilir ve böylece enerji kullanımını azaltabilir.
Geleneksel yağlayıcılar, modern soğutma sistemlerinde artan verimlilik ve performans taleplerini karşılama konusunda genellikle yetersiz kalmaktadır. Bu yetersizlik, gelişmiş termal özelliklere sahip ileri düzey yağlayıcıların keşfine yol açmıştır. Bu alandaki umut verici bir yaklaşım, konvansiyonel yağlayıcılara nanopartiküller eklenmesiyle elde edilen nanoyağlayıcılardır. Nanopartiküller, yüksek yüzey alanları ve termal özellikleri sayesinde, yağlayıcıların termal performansını önemli ölçüde artırabilir. Bu iyileştirme, daha etkili ısı transferi, azaltılmış enerji tüketimi ve kompresörlerin daha iyi operasyonel kararlılığı ile sonuçlanabilir.
Bu tez, nanoyağlayıcıların termal özelliklerini ve bu özelliklerin soğutma kompresörlerinin performansı üzerindeki etkisini araştırmaktadır. Tez, karbon bazlı nanopartikülleri standart yağlayıcılara ekleyerek, bu iyileştirmelerin yağlayıcının viskozite, termal stabilite ve termal iletkenliğini nasıl etkilediğini analiz etmeyi amaçlamaktadır. Çalışma, nanoyağlayıcıların termal davranışının kapsamlı bir anlayışını sağlamak için hem deneysel ölçümleri hem de teorik modellemeyi içermektedir.
Deneysel çalışmanın ilk bölümünde, PoliAlfaOlefin (PAO), AlkilBenzen (AB) ve Mineral bazlı VG5 sınıfı yağlayıcıların kompresör performans katsayısına ve güç tüketimine etkilerini incelemek amacıyla, bu yağlayıcıların termal özellikleri araştırılmıştır. Yüksek sıcaklıklarda yağlayıcıların termal stabiliteleri ve ayrışma sıcaklıkları Termogravimetrik Analiz (TGA) yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Ayrıca, yağlayıcıların oksidatif bozunma sıcaklıkları Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) ile analiz edilmiştir. Isı transfer performansını değerlendirmek için termal iletkenlik eğrileri oluşturulmuştur. Yağlayıcıların akışkanlık davranışlarını modellemek kinematik viskozite-sıcaklık eğrileri çizilmiş ve viskozite indeksleri (VI) hesaplanmıştır. Üç farklı baz yağın termal analizleri sonucunda, kompresörler için uygun yağlayıcının seçimi ve enerji verimliliği stratejilerinin belirlenmesine yönelik önemli bulgular elde edilmiştir.
Çalışmanın ikinci bölümünde, kompresörlerin enerji verimliliğini artırmak ve güç tüketimini azaltmak amacıyla yağlayıcıların performansını iyileştirme odaklı deneyler gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda, Grafen NanoPlatelets (GNP), yağlayıcıların termal özelliklerini iyileştirmek için potansiyel bir katkı maddesi olarak seçilmiştir. GNP'nin yağlayıcıya eklenmesiyle, termal iletkenliğin artırılması, sürtünmenin azaltılması ve genel yağlayıcı performansının iyileştirilmesi hedeflenmiştir. Çalışmada, GNP'nin \%0.05, \%0.2, \%0.4 ve \%0.6'lik  konsantrasyonlarının yağlayıcının akışkanlık davranışı, termal stabilitesi ve ısı transfer yeteneği üzerindeki etkileri incelenmiştir. Ayrıca, bu konsantrasyonların kompresör performansı üzerindeki uzun vadeli etkileri de değerlendirilmektedir.
Çalışmanın son aşamasında, GNP'nin yağlayıcıya eklenmesinin buzdolabı kompresörlerinin Performans Katsayısı (COP) üzerindeki etkilerini değerlendirmek amacıyla kalorimetre testleri yürütülmüştür. GNP'nin farklı konsantrasyonlarına sahip yağlayıcılarla çalışan kompresörlerin COP değerleri, geleneksel yağlayıcılarla çalışan kompresörlerle karşılaştırılarak, GNP'nin enerji verimliliğine etkileri değerlendirilmiştir. Bu etkileri, hem geleneksel hem de nano geliştirilmiş yağlayıcılar kullanan kompresörlerdeki performans testleri aracılığıyla değerlendirilmiş ve bu da nanoyağlayıcıların faydalarını ve potansiyel sınırlamalarını vurgulayan karşılaştırmalı bir analiz sunmaktadır.
Bulgular, nanoyağlayıcıların soğutma sistemlerinin verimliliğini artırma potansiyeline sahip olduğunu göstermektedir. İyileştirilmiş termal özellikler, daha etkili ısı transferine ve daha düşük enerji gereksinimlerine yol açar, bu da bu sistemlerin işletme maliyetlerinin ve çevresel ayak izinin azaltılmasında hayati önem taşır. Ayrıca, bu araştırmadan elde edilen bilgiler, enerji verimli teknolojiler alanına önemli katkılar sağlar ve yeni nesil yağlayıcıların geliştirilmesi için değerli rehberlik sunar.
Sonuç olarak, nanoyağlayıcıların termal özelliklerinin araştırılması, soğutma sistemlerinin verimliliğini artırmaya yönelik kritik bir adımı temsil etmektedir. Nanopartiküllerin benzersiz avantajlarından yararlanarak, bu sistemlerin performansını ve sürdürülebilirliğini artırabiliriz ve artan enerji zorluklarıyla karşı karşıya olan bir dünyada daha verimli enerji kullanımına yönelik acil ihtiyaca yanıt verebiliriz. Bu araştırma, sadece soğutma sistemlerindeki yağlayıcıların rolünü daha derinlemesine anlamakla kalmaz, aynı zamanda nanoteknolojinin enerji tasarrufu çabalarına uygulaması için yeni yollar açar.

Abstract:
Increasing global energy demands of the modern world have made the pursuit of energy efficiency a significant priority. Given that cooling systems constitute a substantial part of energy consumption worldwide, enhancing the efficiency of these systems is crucial for sustainable development and energy savings. Compressors enable the heat transfer process by moving the refrigerant throughout the system. As the central components of these systems, compressors play a critical role in efficiently transferring heat energy out of the system by moving the refrigerant throughout the system.
Lubricants are vital for compressors to perform at their best during the compression process. They minimize wear by reducing friction between the moving parts inside the compressor and ensure the longevity of components. Additionally, lubricants have a significant impact on the overall energy efficiency and thermal dynamics of the system by facilitating heat transfer within the compressor. The thermal properties of lubricants, such as thermal conductivity, viscosity, and specific heat capacity, are critical factors that determine the efficiency of heat transfer processes within compressors. Optimizing these properties can lead to more efficient compressor operation and consequently reduce energy usage.
Traditional lubricants often fall short of meeting the increasing demands for efficiency and performance in modern cooling systems. This shortfall has led to the exploration of advanced lubricants with improved thermal properties. A promising approach in this field is the development of nanolubricants, which are achieved by adding nanoparticles to conventional lubricants. Nanoparticles can significantly enhance the thermal performance of lubricants due to their high surface area and thermal properties. This improvement can result in more effective heat transfer, reduced energy consumption, and better operational stability of compressors.
This thesis investigates the thermal properties of nanolubricants and their impact on the performance of cooling compressors. It aims to analyze how the addition of carbon-based nanoparticles to standard lubricants affects their viscosity, thermal stability, and thermal conductivity. The study incorporates both experimental measurements and theoretical modeling to provide a comprehensive understanding of the thermal behavior of nanolubricants.
In the first part of the experimental study, the thermal properties of lubricants, such as PolyAlphaOlefin (PAO), AlkylBenzene (AB), and Mineral-based VG5, were examined to assess their effects on compressor performance coefficient and power consumption. The thermal stability and decomposition temperatures of lubricants at high temperatures were investigated using Thermogravimetric Analysis (TGA). Furthermore, the oxidative degradation temperatures of the lubricants were analyzed using Differential Scanning Calorimetry (DSC). Thermal conductivity curves were created to evaluate heat transfer performance. Kinematic viscosity-temperature curves were plotted, and viscosity indexes (VI) were calculated to model the fluid behavior of the lubricants. The thermal analysis of the three different base oils yielded significant findings for selecting suitable lubricants for compressors and determining energy efficiency strategies.
In the second part of the study, experiments were conducted to improve the performance of lubricants with the goal of enhancing the energy efficiency of compressors and reducing power consumption. In this context, Graphene NanoPlatelets (GNP) were chosen as a potential additive to improve the thermal properties of lubricants. The addition of GNP aimed to enhance thermal conductivity, reduce friction, and improve overall lubricant performance. The study examined the effects of GNP at concentrations of 0.05\%, 0.2\%, 0.4\%, and 0.6\% on the fluid behavior, thermal stability, and heat transfer capability of the lubricants.
In the final phase of the study, calorimeter tests were conducted to evaluate the effects of adding GNP to lubricants on the Coefficient of Performance (COP) of refrigerator compressors. The COP values of compressors operating with lubricants containing different concentrations of GNP were compared with those of compressors using conventional lubricants to assess the impact of GNP on energy efficiency. These effects were evaluated through performance tests on compressors using both traditional and nano-enhanced lubricants, providing a comparative analysis that highlights the benefits and potential limitations of nanolubricants.
The findings indicate that nanolubricants have the potential to improve the efficiency of cooling systems. Enhanced thermal properties lead to more effective heat transfer and lower energy requirements, which are crucial for reducing the operating costs and environmental footprint of these systems. Moreover, the insights gained from this research make significant contributions to the field of energy-efficient technologies and provide valuable guidance for the development of next-generation lubricants.
In conclusion, investigating the thermal properties of nanolubricants represents a critical step toward improving the efficiency of cooling systems. By leveraging the unique advantages of nanoparticles, we can enhance the performance and sustainability of these systems and respond to the urgent need for more efficient energy use in a world facing increasing energy challenges. This research not only deepens our understanding of the role of lubricants in cooling systems but also opens new avenues for applying nanotechnology to energy-saving efforts.