Nano mineralojik akışkanların termofiziksel özellikleri ve ısıl sistemdeki performansa etkisi
Performance effect of thermal system and thermophysical properties of nano mineralogic fluids
Yazar: UĞUR KARAKAYA
Danışman: PROF. DR. METİN GÜRÜ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu çalışmada bentonit, diatomit, sepiyolit ve klinoptilolit minerolojik malzemeleri içeren nanoakışkanların termofiziksel özellikleri belirlenmiş ve kapalı termosifon tipi ısı borusu performansına olan etkileri incelenmiştir. Spex tipi yüksek enerjili öğütücü kullanılarak 50 nm boyutunda nano parçacıklar üretilmiştir. Bu nano parçacıklar kullanılarak kütlece % 2 mineralojik malzeme ve kütlece % 0,5 sodyum dodesil benzen sülfonat içeren nanoakışkanlar 5 saat ultrasonik karıştırma sonucunda hazırlanmıştır. Hazırlanan nanoakışkanların özgül ısı, ısıl iletkenlik ve viskozite değerleri deneysel olarak belirlenmiştir. Nanoakışkanların kullanılarak ısı borusu performans ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Isı borusu deneyleri 40 cm buharlaşma ve yoğunlaşma bölümü ile 20 cm adyabatik bölümden oluşan 1 metre bakır borudan oluşan deney düzeneği ile gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışma ısı borusu yatayla 90o açı yapacak şekilde dik konumda, vakum altında, toplam hacminin 1/3'ü olan 44,2 mL nanoakışkan ile dolu halde yapılmıştır. Deneysel çalışma esnasında buharlaştırıcı bölümde 200 W, 300 W ve 400 W ısıtıcı gücü uygulanmış, yoğunlaştırıcı bölümde ise her bir ısıtma gücü için 5 g/s, 7,5 g/s ve 10 g/s debide soğutma gerçekleştirilmiştir. Deneyler saf su, bentonit, diatomit, sepiyolit ve klinoptilolit içeren nanokışkanlar ile ayrı ayrı gerçekleştirilerek elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Bentonit, diatomit, sepiyolit ve klinoptilolit nanoakışkanı kullanılması durumunda ısı borusu buharlaştırıcı bölümünde ortalama sıcaklığın saf suya göre daha düşük olduğu, bu da nanoakışkanların ısıl iletkenliğinin daha fazla olmasından kaynaklandığı sonucuna varılmıştır. Deneysel çalışma sonucunda mineralojik malzeme içeren nanoakışkanlar içerisinde en yüksek verim artışını bentonit içeren nanoakışkanın sağladığı belirlenmiştir. Bentonit içeren nanoakışkan kullanıldığında 200 W ısıtıcı gücü ve 5 g/s soğutma suyu debisinde ısı borusu veriminde saf suya kıyasla % 37 oranında artış olmuştur. Ayrıca bentonit içeren nanoakışkan kullanıldığında 400 W, 5 g/s debide saf suya kıyasla ısıl direncinde yaklaşık % 39'luk bir azalma olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
In this study, the thermophysical properties of nano-fluids containing bentonite, diatomite, sepiolite and clinoptilolite minerological materials were determined and the effects on performance of closed thermosiphon type heat pipe were investigated. Nano particles with a size of 50 nm were produced using a Spex type high-energy mill. Using these nanoparticles, nanoparticles containing 2 % mineralogical material and 0,5 % Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate by mass were prepared by ultrasonic mixing for 5 hours. The specific heat, thermal conductivity and viscosity values of the prepared nanofluids were experimentally determined. Heat pipe performance measurements were performed using nanofluids. Heat conduction tests were carried out with a 40 cm evaporation and condensation section and a 20 cm adiabatic section consisting of 1 meter copper pipe. The experimental work was carried out with the heat pipe filled up with 44,2 mL of nanofluid, which is 1/3 of the total volume under vacuum, in an upright position with a horizontal angle of 90 degrees. During the experimental work, 200 W, 300 W and 400 W of heating power were applied in the evaporator section and 5 g/s, 7,5 g/s and 10 g/s of cooling was performed for each heating power in the condenser section. Experiments were compared with the results obtained by separately using nonaqueous media containing pure water, bentonite, diatomite, sepiolite and clinoptilolite. When bentonite, diatomite, sepiolite and clinoptilolite nanofluids are used, the average temperature in the heat pipe evaporator section is lower than in pure water, which is the result of the nanofluids having higher thermal conductivity. As a result of the experimental study, it was determined that the bentonite containing nanofluids provide the highest efficiency increase among the nanofluids containing mineralogical materials. When using the bentonite-containing nanofluid, heat pipe efficiency of 200 W heater power and 5 g/s coolant water flow increased by 37% compared to pure water. In addition, when bentonite-containing nanofluid was used, a reduction of about 39 % in thermal resistance compared to 400 W, 5 g/s debonded pure water was achieved.