Nanopartikül katkılı parafinin ısıl performansının deneysel analizi
Experimental analysis of thermal performance of nanoparticle enhanced paraffin
Yazar: NERGİZ ÜLKER
Danışman: PROF. DR. HÜSAMETTİN BULUT
Harran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Enerji depolama = Energy storage ; Isı depolama = Heat storage ; Isı enerjisi = Heat energy ; Metal nanopartiküller = Metal nanoparticles

Özet:
Gelişmekte olan sanayi, ekonomi ve teknoloji ile birlikte artan enerji talebi daha fazla fosil yakıtın kullanılmasına yol açmaktadır. Fakat bu durum atmosferdeki CO2 seviyesini arttırmakta ve küresel ısınmaya sebep olmaktadır. Termal enerji depolama sistemleri, enerji arz ve talep arasındaki uyuşmazlığı yok ederek yanan yakıt ihtiyacını azaltmaktadır. Böylece hem çevresel hem de ekonomik açıdan fayda sağlamaktadır. Gizli ısı depolayan madde olan faz değiştiren maddeler (FDM) termal enerji rezervuarı olarak sıkça kullanılmaktadır. Yapılan bu çalışmada FDM olarak yaygın kullanılan parafinin (PW) termal özelliklerinin geliştirilmesi için ısıl iletkenlik değeri yüksek olan metaloksit nanopartiküller kullanılarak nanopartikül katkılı malzemeler hazırlanmış ve termal özellikleri incelenmiştir. Ağırlıkça %2.5 kütle oranında Al2O3, ZnO, MgO, SiO2, Fe2O3, Cu2O ve grafen (GN) olmak üzere 7 farklı nanopartikül türü ve bu nanopartiküllerin parafin içinde homojen dağılımını sağlayabilmek amacıyla oleik asit (OA) kullanılarak OA'lı ve OA'sız 2 seri halinde nanopartikül katkılı parafin numuneleri hazırlanmıştır. Böylece hem 7 farklı nanopartikül türünün hem de nanopartiküllerin parafin içindeki homojenliğinin termal özellikler üzerindeki etkisi araştırılarak karşılaştırılmıştır. SEM, DSC, TGA analizleri yapılarak termal iletkenlik ölçümleri alınmış ve şarj/deşarj döngüleri incelenmiştir. Sonuç olarak nanopartikül katkılı tüm numunelerin termal iletkenlik değeri PW'ye göre arttırıldığı tespit edilmiştir. DSC analizi ile erime sıcaklığı ve donma başlangıç sıcaklıklarının azaldığı belirlenmiştir. Ayrıca katılaşma gizli ısı değerlerinin arttığı fakat bazı numuneler için erime gizli ısı değerlerinin azaldığı görülmüştür. TGA analizi ile tüm numunelerin termal stabilitelerinin PW'ye göre iyileştirildiği tespit edilmiştir. Şarj/deşarj döngülerinde ise erime sürelerinin azaldığı, donma başlangıç sürelerinin ise arttığı görülmüştür. Öte yandan OA katkılı tüm numunelerin OA'sız numunelere göre daha iyi termal özelliklere sahip olduğu ortaya konmuş ve homojenliğin termal özellikler üzerindeki olumlu etkisi kanıtlanmıştır. 7 farklı nanopartikül türü içinde termal özellik ve davranış bakımından en iyi gelişme Cu2O, Fe2O3 ve GN nanopartikül katkılı numunelerde görülmüştür.

Abstract:
Increasing energy demand with developing industry, economy and technology leads to the use of more fossil fuels. However, this situation increases the CO2 level in the atmosphere and causes global warming. Thermal energy storage systems reduce the need for burning fuel by eliminating the mismatch between energy supply and demand. Thus, it provides benefits both environmentally and economically. Phase change materials (FDM), which are latent heat storage materials, are frequently used as thermal energy reservoirs. In this study, nanoparticle doped materials were prepared by using metaloxide nanoparticles with high thermal conductivity in order to improve the thermal properties of paraffin (PW), which is widely used as FDM, and its thermal properties were investigated. 7 different types of nanoparticles, including Al2O3, ZnO, MgO, SiO2, Fe2O3, Cu2O and graphene (GN) at a weight ratio of 2.5% by weight, and oleic acid (OA) in order to ensure the homogeneous distribution of these nanoparticles in paraffin, 2 with and without OA. Paraffin samples containing nanoparticles were prepared in series. Thus, the effects of both 7 different nanoparticle types and the homogeneity of nanoparticles in paraffin on thermal properties were investigated and compared. SEM, DSC, TGA analyzes were made and thermal conductivity measurements were taken and charge/discharge cycles were examined. As a result, it was determined that the thermal conductivity value of all nanoparticle-doped samples was increased compared to PW. With DSC analysis, it was determined that the melting temperature and freezing onset temperatures decreased. In addition, it was observed that the latent heat of solidification increased, but the latent heat of melting decreased for some samples. With TGA analysis, it was determined that the thermal stability of all samples was improved compared to PW. In charge/discharge cycles, it was observed that the melting times decreased and the freezing onset times increased. On the other hand, it has been demonstrated that all OA-added samples have better thermal properties than the OA-free samples, and the positive effect of homogeneity on thermal properties has been proven. Among the 7 different nanoparticle types, the best improvement in thermal properties and behavior was seen in Cu2O, Fe2O3 and GN nanoparticle doped samples.