Nanoakışkan kullanılan ısı değiştiricilerde entropi-ekserji analizi
Entropy-exergy analysis in heat exchangers used nanofluid
Yazar: NİHAT OCAK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ KORAY KARABULUT
Sivas Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Bilimleri ve Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Yapılan bu yüksek lisans tez çalışmasında, nanoakışkanların hazırlanması, uygulama
alanları ve termofiziksel özelikleri hakkında bilgiler verilerek, incelenen deneysel
sistemin entropi ve ekserji analizi ayrıntılı olarak araştırılmıştır.
Tezdeanalizi yapılan deneysel test bölümü,iç çapları 8 mm, 12 mm, 16 mm ve 20 mm,
cidar kalınlığı 2 mm ve uzunluğu 1830 mm olan dört farklı çapta ve dış yüzeyinde
üniform sabit ısı akısı sınır şartı olan yatay bakır borulardan oluşmaktadır.Deneylerde,
%0,01 ve %0,02 hacimsel konsantrasyonlarda grafen oksit-su (GO) nanoakışkanı
kullanılırken, 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 çalışılmıştır. Ayrıca, çalışmada Dic=20 mm ve Dic=8
mm iç çaplı borular için kullanılan en düşük ve en yüksek ısı akısı değerleri 1811.873
W/m2
-5073.244 W/m2
olmak üzere iki farklı ısı yükü değeri (250 W ve 350 W)
kullanılmıştır.
İncelenen borularda meydana gelen ısı transferi (Süretim, t) ve sürtünme kaynaklı (Süretim,f)
entropi üretim miktarları, tüm borular için farklı debi ve GO-Su nanoakışkanları göz
önüne alınarak değerlendirilmiştir.
8 mm iç çaplı boru boyunca %0.01 konsantrasyondaki GO-Su nanoakışkınının 3623.746
W/m2
(250 W) ısı akısında entropi üretim miktarı farklı debilerde hesaplanmıştır. 1,2 l/dak
hacimsel debiye sahip nanoakışkan için 0,9 l/dak hacimsel debili nanoakışkana göre
entropi üretiminin %27,3 daha düşük olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, 5073W/m2
(350 W) 
vii
ısı akısında %0,02'lik konsantrasyona sahip nanoakışkanın %0,01'lik konsantrasyondaki
nanoakışkana göre entropi üretimi %3,4 azalmaktadır.
Bununla birlikte, 20 mm iç çaplı boru boyunca 2536W/m2
(350 W) ısı akısında 1,2 l/dak.
hacimsel debili nanoakışkan 0,9 l/dak. hacimsel debili nanoakışkana göre %5,8 daha az
entropi üretirken, 1811 W/m2
(250 W) ısı akısında 1,2 l/dak. debili nanoakışkan 0,9 l/dak.
debili nanoakışkana göre %10,5 daha az entropi üretmektedir.
Nanoakışkanların ekserji analizleri değerlendirildiğinde, 8 mm çaplı boruda 250 W ısı
yükünde, 1,8 l/dak. debili %0,01 konsantrasyonlu GO-Su nanoakışkanının, 0,9 l/dak.
debili ve aynı konsantrasyonlu nanoakışkana göre %61 daha fazla çıkış ekserjisi değerine
sahip olduğu tespit edilmiştir. 1,5 l/dak.' lık hacimsel debi ve %0,02 konsantrasyona
sahip GO-Su nanoakışkanının ikinci yasa verimi %96 iken, %0,01 konsantrasyonlu GOSu nanoakışkanının ikinci yasa veriminin ise %93,6 olduğu saptanmıştır. Bu sonuç,
nanoakışkan konsantrasyonundaki artışla artan ısı transferine bağlanabilir.
20 mm iç çaplı boru için yapılan ekserji değerlendirmelerinde ise 250 W ısı yükü ve 0.9
l/dak. debide %0,02 GO-Su nanoakışkanı için ikinci yasa verimi %85,6 iken 1.5 l/dak.
debide %91,3 değerine ulaşmaktadır. Bununla birlikte, entropi üretimine paralel olarak
boru çapı arttıkça ikinci yasa verimi azalmaktadır.
Ayrıca, taban akışkanı olan saf suya göre ikinci yasa verimlerinin yüksek olması
nanoakışkanın faydalanılabilir iş potansiyelinin daha yüksek olduğunu göstermektedir.

Abstract:
In this master's thesis, informations about the preparation, application areas and
thermophysical properties of nanofluids were given and entropy and exergy analysis of
the researched experimental system were investigated in detail.
The experimental test section, which is analyzed in the thesis, consists of four different
inner diameters of 8 mm, 12 mm, 16 mm and 20 mm, wall thickness of 2 mm and length
of 1830 mm and horizontal copper pipes with uniform constant heat flux boundary
condition on the outer surface. In the experiments, while graphene oxide (GO)-water
nanofluids with 0.01% and 0.02% volumetric concentrations were used, four different
volumetric flow rates (laminer to turbulance) as 0.9 l/min, 1.2 l/min, 1.5 l/min. and 1.8
l/min. were studied. Besides, two different heat load values (250 W and 350 W) were
employed as 1811.873 W/m2
-5073.244 W/m2 which were used the lowest and the highest
heat flux values for tubes with inner diameters of Did=20 mm and Did=8 mm in the study.
The amount of entropy generation in the heat flux of 3623.746 W/m2
(250 W) of GOWater nanofluid with 0.01% concentration along the 8 mm inner diameter pipe was
calculated in different flow rates.For nanofluid having a volumetric mass flow of 1.2 l
/min.,it was determined that entropy generation was 27.3% lower than nanofluid with 0.9
l/min. Furthermore, nanofluid entropy generation with a concentration of 0.02% in the
5073 W/m2
(350 W) heat flux decreased by 3,4% when compared to the nanofluid
concentration of 0,01%.
ix
However, while the nanofluid with 1,2 l/min. generates 5,8% lower entropy than
nanofluid with 0,9 l/min. at the 2536 W/m2
(350 W) heat flux along the 20 mm inner
diameter pipe, nanofluid with 1.2 l/min. flow rate at 1811 W/m2
(250 W) heat flux
produces 10.5% less entropy according to 0.9 l / min.
When evaluated the exergy analysis of nanofluids, In the 8 mm diameter pipe with 250
W heat load, it has been found that GO-Water nanofluid with a concentration of 0.01%
and volumetric flow rate of 1.8 l/min. has 61% more outlet exergy value compared to 0,9
l/min. and same concentration nanofluid. The second law efficiency of GO-Water
nanofluids with a volumetric flow rate of 1.5 l/min and a concentration of 0.02% was
found to be 96%, while the second law efficiency of GO-Water nanofluid with 0.01%
concentration was 93.6%. This result can be attributed to increased heat transfer by an
increase in the concentration of nanofluid.
In exergy evaluations for pipes with an internal diameter of 20 mm, while the second law
efficiency at 250 W heat load and 0.9 l/min. is 85,6% for 0,02% GO-Water nanofluid, it
reaches to 91,3% value at flow rate of 1,5 l/min. However, as the pipe diameter increases
in parallel to entropy generation, the second law efficiency decreases.
In addition, the higher efficiency of second law compared to pure water as base fluid
shows that useful work potential of nanofluids is higher