Mini/mikro kanallarda nanoakışkan ile  
ısı transferinin deneysel incelenmesi
Experimental investigation of heat transfer of nanofluids flowing inside a circular mini/microchannels
Yazar: BEYTULLAH ERDOĞAN
Danışman: DOÇ. DR. ADNAN TOPUZ ; PROF. DR. TAHSİN ENGİN
Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, sabit yüzey sıcaklığı sınır şartı altında daire kesitli, yatay mikrokanallarda Al2O3, TiO2 ve ZnO nanoakışkanlarının ısıl performansları ve basınç düşüşleri deneysel olarak incelenmiştir. %0.5, %0.7 ve %1.0 hacimsel derişime sahip nanoakışkanlar hazırlamak için, taşıyıcı sıvı olarak kullanılan saf suya Al2O3 (13nm), TiO2 (10-25nm) ve ZnO (18nm) nanoparçacıkları ilave edilmiştir. Hazırlanan nanoakışkanlar kararlılık süresini arttırmak amacı ile yüzey aktif maddesi olan Sodyum Dodesil Sülfat (SDS) içerisinde karıştırılmıştır. Deneysel çalışmalar için bir deney seti kurulmuştur. Bu amaçla, farklı malzemelerden (paslanmaz çelik, Poly Ether Ether Ketone (PEEK)) imal edilmiş farklı iç çap ölçülerine (400, 750, 1000 μm ) sahip farklı yüzey sıcaklıklarında (15, 25, 40°C) 20 cm uzunluğundaki mikro kanallar kullanılmıştır. Ayrıca, farklı giriş sıcaklığı, hacimsel debi (20, 35, 50 mL/dk) ve derişim oranlarına sahip nanoakışkanlar çalışma sıvısı olarak kullanılmıştır. Sıcaklık, debi ve basınç ölçümleri ile ısı transferi, ısı taşınım katsayısı, Nusselt sayısı, basınç düşüşü ve sürtünme faktörü değerleri hesaplanmıştır. Hesaplamalar için gerekli olan ısıl iletkenlik ve viskozite değerleri ayrı ayrı ölçülmüştür. Taguchi yöntemi kullanılarak hesaplanmış değerlerin yardımı ile optimum koşullar belirlenmiştir. Bu optimum koşullarda, deneyler saf su ve nanoakışkanlarla tekrarlanmıştır. Aynı optimum koşullar altında saf su ve nanoakışkanda elde edilen ısıl performans ve basınç düşüşü karşılaştırılmıştır. Bu çalışmada, ısıl performans ve basınç düşüşüne etki eden parametreler belirlenmiştir. Ayrıca tespit edilen bu parametrelerin sonuçları ne kadar etkilediği yüzdelik dilim olarak açıklanmıştır. Nanoakışkanların kullanıldığı ısı transferi uygulamalarında yüksek ısıl performans ve düşük basınç düşüşü için hangi parametrelere odaklanılması gerektiği vurgulanmıştır. Sonuç olarak kararalılığı sağlanmış nanoakışkanlar arasında Al2O3 nanoakışkanı için en uygun değerler tespit edilmiştir. Al2O3 nanoakışkanı saf su ile karşılaştırıldığında, ısı transferi, ısı taşınım katsayısı ve Nusselt sayısı değerlerinde sırasıyla ve %15.3, %21.7, %11.1 artış ve basınç düşüşünde %39.2 azalma belirlenmiştir.

Abstract:
In this study, the thermal performance and the pressure drops of Al2O3, TiO2 and ZnO nanofluids flowing through a horizontal circular microchannel under constant surface temperature boundary condition have been experimentally investigated. Al2O3 (13nm), TiO2 (10-25nm) and ZnO (18nm) nanoparticles were added to deionized water used as base fluid in order to prepare nanofluids with 0.5%, 0.7% and 1.0% volume concentrations. The prepared nanofluids were mixed in Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) as surfactant to extend the stability time. An experimental setup has been made for the experimental study. For this purpose, a 20 cm length of microchannels made by both the different materials (Stainless steel, Poly Ether Ether Ketone (PEEK)) and the different inner diameter (400, 750, 1000 μm) have been used under the different surface temperatures (15, 25, 40°C). And also, the nanofluids had the different inlet temperature, the volume flow rates (20, 35, 50 mL/min) and the concentrations have been used as a work fluid. Heat transfer, convection heat transfer coefficient, Nusselt number, pressure drop and friction factor results have been calculated by temperature, flow rate and pressure measurements. The thermal conductivity and viscosity values needed for the calculations have been measured separately. The optimum conditions have been determined from the calculated results being used Taguchi approach. Under those optimum conditions, the experiments have been conducted with deionized water, too. The thermal performance and the pressure drops of the nanofluid and the deionized water obtained under the same optimum conditions have been compared. This study has been showed that what parameters are effective or negligible on the thermal performance and the pressure drop. Furthermore, it has been explained how much those parameters affect the results as percent. For high thermal performance and low pressure drop at heat transfer applications with nanofluids, it has been highlighted what parameters it is necessary to be focused to. Consequently, the best result was obtained for Al2O3 nanofluid. When Al2O3 nanofluid is compared with deionized water, it is obtained that 15.3%, 21.7%, 11.1% increase and 39.2% decrease for heat transfer, convection heat transfer coefficient, Nusselt number and friction pressure drop, respectively.