Isı değiştiricilerde ısı aktarımının nanoakışkanlar kullanılarak arttırılması
Enhancement of heat transfer by using nanofluids in heat exchangers
Yazar: KORAY KARABULUT
Danışman: PROF. DR. ERTAN BUYRUK ; DOÇ. DR. KERİM YAPICI
Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Isı değiştiriciler = Heat exchangers ; Isı geçişi = Heat transfer ; Isı geçişi katsayısı = Heat transfer coefficient

Özet:
Yapılan bu doktora tez çalışmasında, nanoakışkanların tipleri, hazırlama ve kararlılıklarını değerlendirme yöntemleri ile kararlılıklarını artırma yolları, uygulama alanları ve termofiziksel özellikleri hakkında bilgi verilerek, ısıl iletkenlik ve viskozitesine etki eden faktörler ayrıntılı olarak değerlendirilmiştir.  
Tezin deneysel ve sayısal çalışmaları kapsamında, test bölümü dış yüzeyinde üniform sabit ısı akısı sınır şartı olan 8 mm, 12 mm, 16 mm ve 20 mm iç çaplara, 2 mm et kalınlığına ve 1830 mm uzunluğa sahip dört farklı çapta yatay bakır borudan oluşmaktadır. Deneylerde, grafen oksit-su (GO) nanoakışkanı dört farklı çaptaki boru için de kullanılırken, çok tabakalı karbon nanotüp (MWCNT)-su nanoakışkanı ile ilgili deneyler yalnızca 8 mm iç çapa sahip boruda yapılmıştır. Grafen oksit-su ve MWCNT-su nanoakışkanları için kullanılan hacimsel konsantrasyonlar sırasıyla % 0.01, % 0.02 ve % 0.01' dir. Deneylerde, 0.9 l/dak., 1.2 l/dak., 1.5 l/dak. ve 1.8 l/dak. (laminerden türbülansa) olmak üzere dört farklı hacimsel debi ile çalışılmış ve sırasıyla Dic=20 mm ve Dic=8 mm çaplı borular için kullanılan min. ve max. ısı akısı değerleri 1811.873 W/m2 - 7247.492 W/m2 olmak üzere üç farklı ısı yükü değeri (250 W, 350 W ve 500 W) kullanılmıştır.
Deneysel araştırmalar, MWCNT-saf su ve GO-saf su nanoakışkanlarının nanoparçacıklarının dört farklı boru çapı için boru içindeki hareketlerinin ısı transferi ve yük kaybı (basınç düşüşü) üzerindeki etkisini değerlendirmek için yapılmış ve sayısal çalışmada tek fazlı akışkan yaklaşımıyla sonlu hacim yöntemi-ANSYS 15.0-FLUENT üç boyutlu korunum denklemlerini çözmek için kullanılmıştır. Elde edilen deneysel sonuçlar, sayısal sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Yapılan çalışmada, hacimsel debinin, nanoakışkan hacimsel konsantrasyonunun, ısı akısının ve borunun iç çapının nanoakışkanın ısı taşınım katsayısı ve yük kaybı hK, artışı üzerindeki etkileri araştırılmıştır. 
Ayrıca, deneylerde elde edilen sonuçlara göre oldukça düşük konsantrasyonda            (% 0.01-% 0.02) bile yüksek ısı taşınım katsayısı elde edilebilen MWCNT ve GO nanoakışkanlarının ısı transferi uygulamalarında geleneksel çalışma akışkanlarına iyi bir alternatif olarak kullanılabileceğini göstermektedir.

Abstract:
In this Ph. D. thesis, it was given information about nanofluid types, preparation, assessment methods and increment ways of stability and application areas and thermophysical characteristics of nanofluids and also factors affecting the thermal conductivity and viscosity were evaluated in detail.
In the scope of experimental and numerical studies of thesis, test section is composed of four different types of copper tubes having inner diameters of 8 mm, 12 mm, 16 mm and 20 mm and 1830 mm length and 2 mm tube thickness and also each of horizontal copper tube has uniform heat flux at its outer surface as boundary condition. In the experiments, while graphene oxide-water nanofluid was used for four different diameter tubes, experiments related with MWCNT-water nanofluid was only carried out in tube with 8 mm inner diameter. The used volume concentrations for graphene oxide and MWCNT-water nanofluids were 0.01 %, 0.02 % and 0.01 %, respectively. In experiments, it was studied with four different volumetric flow rates of 0.9 l/min, 1.2 l/min, 1.5 l/min and 1.8 l/min (laminar to turbulent flow regimes) and the heat flux was varied from 1811 W/m2 - 7247.492 W/m2 as min. and max. value used for Dic=20 mm and Dic=8 mm, respectively and also three different heat load values (250 W, 350 W and 500 W) were used. 
Experimental investigations were carried out to evaluate the effect of nanoparticle movements of multi-walled carbon nanotube (MWCNT)-distilled water and graphene oxide-distilled water nanofluids in the tubes on the heat transfer and head loss hK, (the pressure drop) characteristics for four different tube diameters and in numerical study, finite volume method-ANSYS 12.1-FLUENT was employed to solve the continuity, momentum, energy equations in three dimensional domains with single-phase fluid approach. The obtained experimental results were compared with numerical results. The effects of volumetric flow rate, particle volume concentration, heat flux and tube inner diameter on the convective heat transfer coefficient and head loss hK, (pressure drop increment) were investigated.
Finally, according to obtained results from experiments GO and MWCNT nanofluid could be used as a good alternative conventional working fluids for heat transfer applications even at fairly low concentrations (0.01 %-0.02 %).