Karbon tabanlı nanoakışkanların hava soğutmalı çapraz akışlı mikrokanallı ısı değiştiricisindeki ısı aktarım performanslarının deneysel incelenmesi.
Experimental investigation of heat transfer performance of carbon based nanofluids in air cooled cross flow microchannel heat exchanger
Yazar: ÖZGE ÖSTÜRK
Danışman: DOÇ. DR. KERİM YAPICI
Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Yüksek güç ve hızda çalışan elektronik cihazlar soğutma yüzeylerinde oldukça yüksek ısı akısı üretirler. Bu tür ekipmanların istenilen performansta çalışabilmeleri için açığa çıkan ısının etkin bir şekilde uzaklaştırılması ve cihazın güvenilir çalışma sıcaklığında tutulması gerekmektedir. Mikrokanallı soğutucu plakalar ve/veya ısı değiştiriciler sahip oldukları üstün özelliklerinden dolayı (yüksek yüzey alanı/hacim oranı; küçük boyut, kütle ve hacim; yüksek ısı aktarım katsayısı ve küçük boyutlarda soğutucu gereksinimi)  yüksek güç ve hızda çalışan mikroelektronik cihazların kullanıldığı uzay, savunma, elektronik ve otomotiv endüstrilerinde kullanılabilecek en uygun soğutma ekipmanlarıdır. Mikrokanallı ısı plakası ve/veya ısı değiştirici performanslarının arttırılmasına yönelik uygulanan yöntemler aktif ve pasif olmak üzere iki grup altında toplanmaktadır. Aktif metot ısı değiştiricisinde kullanılan çalışma akışkanının akış hidrodinamiği değiştirilerek ısı aktarım hızı arttırılması için ısı değiştiricisinin tasarımında değişikliklere dayanmaktadır. Buna karşın pasif olarak isimlendirilen yöntem de ise çalışma akışkanı yüksek ısıl özelliklere sahip çalışma akışkanları ile değiştirilmektedir. Maliyet ve zaman göz önüne alındığında pasif yöntem, aktif metoda göre daha avantajlıdır.  Gerçekleştirilen yüksek lisans tez çalışmasında, kütlece %0.05-%0.02 fraksiyon aralığında grafen oksit, karbon nanotüp nanoşerit ve asit ile işlem görmüş çok duvarlı karbon nanotüp nanomalzemeler kullanılarak hazırlanan DI su tabanlı nanoakışkanların tasarımı ve üretimi ASELSAN A.Ş. tarafından gerçekleştirilen hava soğutmalı, çapraz akışlı ve mikrokanallı ısı değiştiricisindeki ısı aktarım performanslarının deneysel olarak incelenmesi ve elde edilen sonuçların taban akışkanı olarak kullanılan olan su ile karşılaştırılması amaçlanmıştır. Mikrokanal ısı değiştiricisinde çalışma akışkanı olarak test edilen karbon tabanlı nanoakışkanlar hem kendi aralarında hem de DI su çalışma akışkanına göre ısı aktarımından elde edilen nispi artış/azalış miktarları dört farklı kütlesel akış hızı ve üç farklı ısı yükü için karşılaştırılmıştır. Gerçekleştirilen kapsamlı deneyler sonucunda: i) Ribon nanoparçacıklar ile üretilen DI su tabanlı nanoakışkanların aynı işletme koşullarında ve nanoparçacık konsantrasyonunda çalışılan diğer karbon tabanlı nanoakışkanlardan daha kararlı olduğu, ii) buna karşın aynı kütlesel bölüntü oranında nanoparçacık içeren karbon tabanlı nanoakışkanlar içerisinden toplam ısı aktarım katsayısında DI su taban akışkanına göre en yüksek artış Grafen oksit/DI su nanoakışkanı için bulunmuştur. Sonuç olarak,  taban akışkanı içerisinde yüksek dispersiyon kararlılığına sahip olan Ribon/DI su nanoakışkanı mikrokanal ısı değiştiricisinde ısı aktarım akışkanı olarak kullanılabilecek en güçlü nanoakışkan adayıdır.       

Anahtar Kelimeler: Nanoakışkan, Grafen oksit, Ribon, Asit ile muamele edilmiş çok duvarlı karbon nanotüp, Mikrokanal ısı değiştirici, Isı aktarımı

Abstract:
The increasing performance of electronic equipments lead to higher heat flux dissipation. In order to keep these devices under their allowable operating temperature and to run at desirable performance the heat released by the devices must be removed using effective cooling system. Due to superior properties of microchannel heat sinks or heat exchanger (high surface area to volume ratio, small size, mass and volume, high heat transfer coefficient and small cooler requirement), they can be considered potential candidates for cooling devices in space, defense, electronic and automotive industries. Active and passive methods are commonly employed to enhance heat transfer performance of microchannel heat sinks or heat exchangers. An active method is based on the doing modification on the structure of heat exchangers to change hydrodynamic behavior of working fluid. On the other hand replace working fluid with fluids having high thermal properties is called passive method.  In the viewpoints of cost and time, the latter one has more advantages.  The purpose of this thesis is to investigate heat transfer performance and effectiveness of DI water based nanofluids containing Graphene oxide, Ribon and acid treated multiwalled carbon nanotubes by the mass fraction of 0.005%-0.02% in the air cooled cross flow microchannels heat exchanger designed by ASELSAN.
To find out relative enhancement/reducement of heat transfer performance of carbon based nanofluids with respect to water and between each other, comparisons are carried out for four different mass flow rates and three different heat loads. Following conclusions can be drawn from the experiments: i) DI water based nanofluid containing Ribon nanoparticles exhibits higher stability than that of the other examined nanofluids at the same particle concentrations and opereting conditions; ii) on the other hand it is found that Graphene oxide/DI water nanofluids give highest overall heat transfer coefficient enhancement in the carbon based nanofluids that containing same particle mass fraction. The results obtained from the experiments suggested that due to high dispersion stability in based fluid, nanofluids containing Ribon nanoparticles can be considered potential candidate for heat transfer fluid in microchannel heat exchanger.    

Key words: Nanofluid, Graphene oxide, Ribon, acid treated multiwalled carbon nanotube, Microchannel heat exchanger, Heat transfer