Hekzagonal bor nitrür ve grafen esaslı nanoakışkanlar kullanılarak ısı borularının performansının iyileştirilmesi
Upgrading the performance of heat pipes by using hexagonal boron nitride and graphene based nanofluids
Yazar: FURKAN BUĞRA ÖZTAŞKIN
Danışman: PROF. DR. TAYFUN MENLİK
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Sistemleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Son yıllarda yapılan çalışmalarda çalışma akışkanına süspansiyon olarak nanopartiküllerin eklenmesiyle elde edilen nanoakışkanların termofiziksel özelliklerini iyileştirdiği fark edilmiştir. Bu çalışma için hazırlanan ısı borusu deney düzeneğinde deneyler, %1, %1,5 ve %2 konsantrasyonlarında hekzagonal bor nitrür (h-BN) ve levha yapılı grafen nanopartikülleri ile deiyonize su ve %0,5 hacimde sürfaktan olarak Triton X-100 kullanılarak hazırlanan nanoakışkanlar ile yapılmıştır. Deneyler sırasında ısı borusu yüzeyindeki sıcaklıkları ve buna bağlı olarak verimlilik, ısı borusundaki nanoakışkanların direnç ve ısı iletim katsayılarındaki değişimler deneysel olarak araştırılmıştır. Isı borusundaki işlemler vakumlu çalışma koşullarında 200-300-400 W ısıtma gücü, 5-7,5-10 g/s soğutma suyu debileri ve -0.7, -0.8, -0,9 barlık çeşitli ısı borusu vakum değerlerinde gerçekleştirilmiştir. Çeşitli konsantrasyonlarda hazırlanan nanoakışkanların sistem performansını iyileştirdiği belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Isı borusunun veriminin iyileştirme oranının en iyi sonucu vakum değerinin -0,8 bar ve %1,5 konsantrasyon oranında grafen/deiyonize su nanoakışkanının 400 W ısıtıcı gücünde ve 10 g/s debide yapılan çalışmada %30,88 olarak bulunmuştur. Termal dirençteki iyileştirme oranı en yüksek olduğu parametreler ısı borusunun en yüksek vakum altında (-0,9 bar), ısıtıcı gücü 400 W, debi 5 g/s ve %2 konsantrasyonda grafen/deiyonize su nanoakışkanı ile %35,24 olarak elde edilmiştir. Isı transfer katsayısının ısı borusunun en yüksek vakum altında çalışması ile 400 W ısıtıcı gücü 5 g/s soğutma suyu debisi ve %2 grafen/deiyonize su nanoakışkanı kullanıldığında deiyonize su çalışma akışkanına göre %54,43 oranında arttığı gözlemlenmiştir. Isı borusu verimi, termal direnç ve ısı iletim katsayısındaki iyileştirme oranlarında h-BN/deiyonize su nanoakışkanı deiyonize suya göre daha iyi bir performans göstermiştir. Ayrıca grafen/deiyonize su nanoakışkanlarının h-BN/deiyonize su nanoakışkanına göre daha iyi sonuçlar verdiği belirlenmiştir.

Abstract:
In recent studies, it has been noticed that nanofluids obtained by adding nanoparticles as a suspension to the working fluid improve the thermophysical properties. In the heat pipe experimental setup prepared for this study, the experiments were carried out using hexagonal boron nitride (h-BN) and sheet-structured graphene nanoparticles at 1%, 1.5%, and 2% concentrations, deionized water and 0.5% volume of Triton X-100 as a surfactant made with prepared nanofluids. During the experiments, the temperature on the heat pipe surface and, accordingly, the efficiency, the changes in the resistance, and the heat conduction coefficients of the nanofluids in the heat pipe were investigated experimentally. The processes in the heat pipe were carried out under vacuum operating conditions with 200-300-400 W heating power, 5-7.5-10 g/s cooling water flow rates, and various heat pipe vacuum values of -0.7, -0.8, and -0.9 bar. It was determined that nanofluids prepared at different concentrations improved the system performance. Obtained results were analyzed comparatively. The best result of the improvement rate of the efficiency of the heat pipe was found as 30.88% in the study performed at 400 W heater power and 10 g/s flow rate of graphene/deionized water nanofluid at a vacuum value of -0.8 bar and 1.5% concentration ratio. The parameters with the biggest improvement in thermal resistance were obtained with the heat pipe under highest vacuum (-0.9 bar), heater power of 400 W, flow rate of 5 g/s, and 35.24% with graphene/deionized water nanofluid at 2% concentration. It was observed that the heat transfer coefficient increased by 54.43% compared to the deionized water working fluid when the 400 W heater power, 5 g/s cooling water flow rate, and 2% graphene/deionized water nanofluid were used with the operation of the heat pipe under highest vacuum. The h-BN/deionized water nanofluid performed better than deionized water in terms of heat pipe efficiency, thermal resistance, and heat conduction coefficient improvement rates. In addition, it was determined that graphene/deionized water nanofluids gave better results than h-BN/deionized water nanofluids.