Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi santrallerinde kullanılmak üzere termofiziksel özellikleri iyileştirilmiş nitrat bazlı tuz eriyik/nanogözenekli alumina membran kompozit yapıların tasarlanması
Design of nitrate-based molten salt/nanoporous aluminum membrane composite structures with improved thermophysical properties for use in concentrated solar termal plants
Yazar: MUSTAFA GÖKTÜRK YAZLAK
Danışman: DOÇ. DR. HATİCE DURAN DURMUŞ
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Erimiş tuzlar = Molten salts ; Yüksek sıcaklık = High temperature

Özet:
Çevre bilincinin gelişmesi ve mevcut enerji teknolojilerinin optimizasyonu o kadar önemli hale geldiki tuz eriyiklerin benzersiz fizikokimyasal özelliklerinden dolayı hem ısı transfer ajanı (ITA) hem de termal enerji depolama (TED) akışkanı olarak çok çeşitli uygulamalar için kullanımları tekrar gündeme gelmiştir. Çünkü, tuz eriyikler ve bunların karışımları, düşük viskozite, düşük buhar basıncı, düşük maliyet, yüksek kimyasal kararlılık ve çevre dostu olmaları gibi önemli avantajlarından dolayı bir endüstriyel akışkan için istenilen tüm özelliklere sahiptirler. Günümüzde bu eriyikler çalışma sıvısı olarak nükleer enerji santralleri , kimya endüstrisi ,  petrol rafinerileri ve yoğunlaştırılmış güneş enerjisi (YGE) santralleri gibi birbirinden çok farklı alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Tüm bu uygulamalarda, kullanılan tuz karışımı türü ve oranları kullanım alanlarına göre seçilmektedir. Uygun bir ITA ve TED malzemesinin seçilmesi, güneş ışını alıcısının, termal depolama tanklarının ve ısı değiştiricilerinin maliyetini en aza indirmek ve yüksek termodinamik verimlilik elde etmek için önemlidir. Mevcut erimiş tuz ITA'ları yüksek erime noktalarına (> 200°C) sahiptir ve 600°C'nin üzerinde bozunmaya başlar. Bu uygulamadaki ana sorun, tuz eriyiklerin akşamları veya kış aylarında kolayca donabilmesi ve bu durumda boru hattını tıkayarak çalışma koşullarını zorlaştırmasıdır.  Bu nedenle, daha düşük bir erime noktasına ve daha yüksek bir termal stabiliteye sahip ucuz tuz eriyik bileşimlerinin geliştirilmesi, YGE santrallerinin hem termodinamik veriminin arttırılmasında hem de çalışma koşullarının iyileştirilmesinde önemlidir. Bu tez çalışmasında düşük erime noktası (< 200°C) ve yüksek termal iletkenlik elde etmek için yeni bir nanoyapılı tuz eriyik tasarlanmıştır. Farklı gözenek büyüklüğüne (25 ile 400 nm arasında) sahip anodik alümina oksidin (AAO) içerisine yerleştirilmiş potasyum nitrat (KNO3), sodyum nitrat (NaNO3) ve bunların ötektik karışımlarının (Solar Tuz, kütlece 60% NaNO3 - 40% KNO3) termal ve yapısal özelikleri incelenmiştir. Hazılanan AAO/tuz kompozit yapının termal karakterizasyonu diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) ve termal özellikler analizörü (TPS) ile yapısal karakterizasyonu ise taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve X-ışını kırınımı (XRD) ile incelenmiştir. DSC ile yapılan karakterizasyonda, AAO porlarına sıkıştırılan KNO3, NaNO3 ve ötektik karışımın erime sıcaklıklarında ani bir düşüş gözlemlenmiştir. DSC souçlarına göre AAO/KNO3 ve AAO/Solar Tuz kompozit yapısında por çapına bağlı sistematik bir düşüş gözlemlenmemiştir ancak AAO/NaNO3 kompozit yapısında por çapı arttıkça erime sıcaklığının daha fazla düştüğü gözlemlenmiştir. En fazla erime sıcaklığı düşüşünün 173°C ile 400nm por çapına sahip AAO/KNO3 kompozit yapıda gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Yapılan TPS ölçümlerine göre bütün kompozit yapılarda belirgin bir termal iletkenli artışı görülmektedir. Bu artışın yine AAO/KNO3 ve AAO/Solar Tuz kompozit yapılarında sistematik olmadığı ancak AAO/NaNO3 kompozit yapıda sistematik olduğu gözlemlenmiştir. En fazla termal iletkenlik artışı %78 ile 35nm por çapına sahip AAO/KNO3 kompozit yapısında görülmektedir. XRD analizi, KNO3'ün gözeneklerin uzunlamasına eksenine paralel yönlendirilmiş tek bir kristal yapı oluşturduğunu göstermiştir.

Abstract:
Due to the development of environmental awareness and optimization of existing energy technologies, the use of salt melts as a heat transfer agent (HTA) and thermal energy storage (TES) fluid has been brought up again for a wide variety of applications due to the unique physicochemical properties. Because, salt solutions and their mixtures have all the desired properties for an industrial fluid due to their important advantages such as low viscosity, low vapor pressure, low cost, high chemical stability and environmental friendliness. Today, these melts are widely used as working fluids in many different fields such as nuclear power plants1, chemical industry2, oil refineries3 and concentrated solar power (CSP) plants4. In all these applications, the salt mixture type and proportions are selected according to their usage areas. Choosing a suitable HTA and TES material is important to minimize the cost of solar receiver, thermal storage tanks and heat exchangers and achieve high thermodynamic efficiency. Existing molten salt ITAs have high melting points (> 200 ° C) and begin to decompose above 600°C. The main problem with this application is that salt melts can freeze easily in the evening or in the winter, and in this case, it obstructs the working conditions by blocking the pipeline. Therefore, the development of inexpensive salt melt compositions with a lower melting point and a higher thermal stability is important in both improving the thermodynamic efficiency of CSP plants and improving operating conditions. In this thesis, a new nanostructured salt solution was designed to achieve low melting point (<200°C) and high thermal conductivity. Thermal and structural of potassium nitrate (KNO3), sodium nitrate (NaNO3) and their eutectic mixtures (Solar Salt, 60% by weight NaNO3 - 40% KNO3) placed in anodic alumina oxide (AAO) with different pore sizes (between 25 and 400 nm). features are examined. Thermal characterization of the prepared AAO / salt composite structure was investigated by differential scanning calorimetry (DSC) and thermal properties analyzer (TPS), and its structural characterization was examined by scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD). In characterization with DSC, a sudden drop in the melting temperatures of KNO3, NaNO3 and eutectic mixture compressed into AAO pores was observed. According to DSC results, no systematic decrease in pore diameter was observed in AAO / KNO3 and AAO / Solar Salt composite structure, but it was observed that melting temperature decreased more as pore diameter increased in AAO/NaNO3 composite structure. It has been observed that the maximum melting temperature decrease is 173°C in AAO / KNO3 composite structure with pore diameter of 400nm. According to the TPS measurements, a significant increase in thermal conductivity is observed in all composite structures. It was observed that this increase was not systematic in AAO / KNO3 and AAO / Solar Salt composite structures, but it was systematic in AAO / NaNO3 composite structure. The highest thermal conductivity increase is seen in AAO / KNO3 composite structure with pore diameter of 35nm. XRD analysis showed that KNO3 forms a single crystal structure directed parallel to the longitudinal axis of the pores.