Dolomit ve boksit esaslı nanoakışkanların termofiziksel özelliklerinin belirlenmesi ve ısıl sistemlerdeki performansa etkisi
Determination of thermophysical properties of dolomite and bauxite based nanofluids and effect on performance of thermal systems
Yazar: DUYGU YILMAZ AYDIN
Danışman: PROF. DR. METİN GÜRÜ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Isı transferi için temel akışkan olarak en çok kullanılan su, etilen glikol, mineral yağlar gibi geleneksel akışkanlar zayıf ısı aktarım karakteristikleri nedeniyle ısıl sistemlerde istenilen performansı sağlayamamaktadırlar. Bu dezavantaj nanopartiküllerin temel akışkan ile süspansiyon oluşturulmasıyla giderilmeye çalışılmaktadır. Bu çalışmada temel akışkan olarak su, etilen glikol, etilen glikol-su (50:50) kullanılarak iki adım metoduyla farklı konsantrasyonlarda (%1, %2, %4)  dolomit ve boksit nanoakışkanları hazırlanmış, hazırlanan nanoakışkaların termofiziksel özellikleri belirlenmiş ve ısıl sistemlerdeki performansa etkileri incelenmiştir. Spex tipi bilyeli öğütücüde optimum şartlarda sırasıyla 24,5 nm ve 38,9 nm boyutunda dolomit ve boksit nanopartikülleri elde edilmiştir. Nanoakışkanların kararlılıklarının belirlenmesinde zeta potansiyeli ölçüm yöntemi kullanılmıştır. Hazırlanan nanoakışkanların termal iletkenlik, özgül ısı, vizkozite ve yüzey gerilimi gibi termofiziksel özellikleri deneysel olarak ölçülmüştür. Dolomit nanoakışkanının, boksit nanoakışkanına göre daha üstün termofiziksel özelliklere sahip olduğu belirlenmiştir. Isı borusu deneylerinde kullanılan sistem, 1 m uzunluğunda, iç ve dış çapı sırasıyla 13 mm ve 15 mm olan çift fazlı kapalı bakır borudur. Deneylerde evaporatör bölümüne 200 W, 300 W ve 400 W ısıtma gücü uygulanmış ve kondenser bölümünde farklı debilerdeki (5 g/s, 7,5 g/s, 10 g/s) su ile soğutma gerçekleştirilmiştir. Isı borusu duvar sıcaklığı, termal direnci ve verimi temel akışkanların ve nanoakışkanların ısı borusunda çalışma akışkanı olarak kullanımıyla ayrı ayrı incelenmiş ve elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Nanoakışkanlar, üstün termal özelliklerinden dolayı ısı borusunda çalışma akışkanı olarak kullanıldıklarında, temel akışkanlara göre evaporatör bölgesinin ortalama sıcaklığını daha fazla düşürmüşlerdir. 200 W ısıtma gücü ve 10 g/s soğutma suyu debisinde dolomit-EG nanoakışkanı çalışma akışkanı olarak kullanıldığında evaporatör bölgesindeki ortalama duvar sıcaklığı etilen glikol kullanıldığı duruma göre 26,25 °C düşmüştür. 200 W ısıtma gücü, 5 g/s debide, %2 konsantrasyondaki dolomit-su nanoakışkanı kullanıldığında ısı borusu termal direncinde saf suya göre %36,84 iyileşme görülmüştür. 400 W, 10 g/s debide dolomit-etilen glikol nanoakışkanı çalışma akışkanı olarak kullanıldığında etilen glikole kıyasla ısı borusu veriminde %47 artış sağlamıştır.

Abstract:
Conventional fluids such as water, ethylene glycol, mineral oils, which are most commonly used as base fluids for heat transfer, cannot provide the desired performance in thermal systems due to their poor heat transfer characteristics. This disadvantage is tried to be overcome by suspending the nanoparticles with the base fluid. In this study, dolomite and bauxite nanofluids were prepared by using two-step method in different concentrations (1%, 2%, 4%) using water, ethylene glycol, ethylene glycol-water (50:50) as the base fluid, and the thermophysical properties of the prepared nanofluids were determined and effects on performance of thermal systems were investigated. Dolomite and bauxite nanoparticles of 24.5 nm and 38.9 nm were obtained in the Spex type ball mill under optimum conditions, respectively. Zeta potential measurement method was used to determine the stability of nanofluids. Thermal conductivity, specific heat, viscosity and surface tension of the prepared nanofluids were measured experimentally. Dolomite nanofluid has superior thermophysical properties compared to bauxite nanofluid. The system used in the heat pipe tests is a two phase closed copper pipe with a length of 1 m, inner and outer diameter of 13 mm and 15 mm, respectively. In the experiments, 200 W, 300 W and 400 W heating power were applied to the evaporator section and cooling was performed with different flow rates (5 g/s, 7.5 g/s, 10 g/s) in the condenser section. Heat pipe wall temperature, thermal resistance and efficiency were investigated separately by using the base fluids and nanofluids as working fluids in the heat pipe and the obtained results were compared. Because of their superior thermal properties, nanofluids have reduced the average temperature of the evaporator section more than base fluids when used as working fluid in the heat pipe. When the dolomite-EG nanofluid was used as the working fluid at 200 W heating power and 10 g/s cooling water flow rate, the average wall temperature in the evaporator section decreased by 26.25 °C compared to ethylene glycol. At a heating power of 200 W and a flow rate of 5 g/s, thermal resistance of the heat pipe improved by 36.84% when 2% concentration of dolomite-water nanofluid was used. At the conditions of 400 W and 10 g/s, the dolomite-ethylene glycol nanofluid used as working fluid provided a 47% increase in heat pipe efficiency compared to ethylene glycol.