Nanoakışkanların kaynama-yoğuşma ısı transferi karakteristiklerinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of boiling-condensation heat transfer characteristics of the nanofluids
Yazar: ERDEM ÇİFTÇİ
Danışman: PROF. DR. ADNAN SÖZEN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Damlacık yoğuşması = Dropwise condensation ; Doymuş kaynama = Saturated boiling ; Çekirdekli kaynama = Nucleate boiling

Özet:
Yüksek ısı akıları ile karakterize edilen, taşınımla ısı transferinin bir çeşidi olan kaynama ve yoğuşma birçok mühendislik uygulamasında yaygın olarak karşılaşılan ısı transferi mekanizmalarındandır. Genelde sıvılar, ısı transferi uygulamalarında ana ısı taşıyıcılarıdır ve bu nedenle bir ısıl sistemin performansı iş akışkanının termofiziksel özelliklerine önemli ölçüde bağlıdır. Nanoakışkanlar geliştirilmiş ısıl özellikleri nedeniyle ısı sistemlerinde iş akışkanı olarak kullanılmaya başlanmıştır. Bu tez çalışmasında hekzagonal bor nitrür ve silika nanoparçacıkları içeren diklorometan tabanlı nanoakışkanların havuz kaynama ve yoğuşma ısı transfer karakteristikleri deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Nanoparçacık derişiminin ısı transfer özellikleri üzerindeki etkilerini belirlemek için üç farklı hacimsel derişimde (%0,5, %1,0 ve %1,5) nanoakışkan çözeltileri hazırlanmış ve farklı ısı akısı koşulları altında test edilmiştir. Deneyler başlangıçta temel akışkan diklorometan için yapılmış, ardından temel akışkan içerisine nanoparçacık ilave edilmesinin ısı transfer özellikleri üzerindeki etkilerini belirlemek amacıyla her bir nanoakışkan çözeltisi için gerçekleştirilmiştir. Kaynama eğrileri, ısı akısıyla basıncın değişimleri, hem kaynama hem de yoğuşma işlemleri için ısı transfer katsayıları elde edilmiş ve diklorometan ile hazırlanan her bir iş akışkanı için viskozite ölçümleri yapılmıştır. Deneylerden elde edilen sonuçlar ve sayısal analiz sonuçları birbirleriyle karşılaştırılmış ve temel akışkan içerisine nanoparçacık ilavesinin nanoparçacık tipi ve derişimine bakılmaksızın ısı transfer katsayılarında iyileşme sağladığı görülmüştür. Hekzagonal bor nitrür ve silika nanoparçacıkları içeren nanoakışkanlar ile yapılan deneylerde en büyük iyileştirme oranları kaynama ısı transferi katsayısı için sırasıyla %38,1 ve %26,1 olarak, yoğuşma ısı transferi katsayısı için ise sırasıyla %17,6 ve %28 olarak elde edilmiştir. Ayrıca hekzagonal bor nitrür-diklorometan nanoakışkanı ile karşılaştırıldığında silika-diklorometan nanoakışkanının viskozitesinin daha fazla arttığı gözlemlenmiştir.

Abstract:
Boiling and condensation, which are characterized by high heat fluxes and are a form of heat transfer by convection, are among the heat transfer mechanisms commonly encountered in many engineering applications. Fluids, generally, are the main heat carriers in heat transfer applications and thereby performance of a thermal system is considerably associated with the working fluid's thermophysical properties. In thermal systems, nanofluids have been started to use as working fluid owing to their enhanced thermal properties. In this thesis, pool boiling & condensation heat transfer characteristics of hexagonal boron nitride and silica nanoparticles containing dichloromethane-based nanofluids were experimentally and numerically investigated. For determining the influences of nanoparticle concentration on heat transfer characteristics, nanofluid solutions at three different volumetric concentrations (0.5%, 1.0% and 1.5%) were prepared and tested under different heat flux conditions. Experiments were primarily carried out utilizing dichloromethane and then each nanofluid solution to specify the impacts of nanoparticle addition into the base fluid on heat transfer characteristics. Boiling curves, alterations in pressure with heat flux, heat transfer coefficients both for boiling and condensation processes were obtained and viscosity measurements were performed for dichloromethane and each working fluids prepared. The obtained findings from the experiments and numerical analysis were compared to each other and it was seen that nanoparticle addition into the base fluid provided improvement in heat transfer coefficients regardless of nanoparticle type and concentration. The maximum enhancements of 38.1% and 26.1% for the boiling heat transfer coefficient and 17.6% and 28% for the condensation heat transfer coefficient were attained during the experiments using hexagonal boron nitride and silica nanoparticles containing nanofluids, respectively. In addition, it was observed that viscosity of silica-dichloromethane nanofluid increased more compared to hexagonal boron nitride-dichloromethane nanofluid.