Metal, metaloksit ve karbon tabanlı nanoparçacık katkılı organik faz değişken malzemelerin termal özelliklerinin deneysel olarak belirlenmesi
Experimental determination of thermal properties of organic phase change  materials doped nanoparticles based carbon and metal oxide, metal
Yazar: BETÜL YEŞİM ÇİFTCİ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ÜMİT NAZLI TEMEL
Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Bilimleri ve Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Faz değişken malzemeler (FDM), düşük sıcaklık değişimi göstererek katıdan sıvıya veya sıvıdan katıya geçiş yapabilen yüksek oranda enerji depolama kabiliyetine sahip malzemeler olarak tanımlanmaktadırlar. FDM'lerin enerji depolama kabiliyeti esasen faz değişimi esnasında gerçekleşen gizli enerji depolama prosesine dayanmaktadır. Yüksek gizli ısıları sebebiyle FDM'ler hafif ağırlıklarına karşılık yüksek miktarda enerji depolama kabiliyetine sahiptirler. Yüksek oranda enerji depolama kabiliyeti FDM'lerin bir çok mühendislik alanında kullanılmasına imkan vermektedir. Bu mühendislik uygulamaları uzay, havacılık, askeri, tekstil, otomotiv ve inşaat olarak sıralanabilir. FDM'ler gerekli çalışma sıcaklığına göre faz değişimi gerçekleştirecek biçimde üretilebilmektedir. Uygulamada kullanılan katı-sıvı FDM'ler organik, inorganik ve ötektik olarak üç ana kategoriye ayrılmaktadır. Bunların arasından organik FDM'ler; yüksek gizli ısı ve düşük buhar basıncına sahip olma, yüksek enerji depolama kabiliyetine sahip olma, korozif olmama, katılaşma işlemi sırasında subcooling özellik (erime başlangıç-katılaşma sonlanma sıcaklığı,erime sonlanma- katılaşma başlangıç sıcaklığı arasındaki fark) göstermeme, kimyasal reaksiyona girmeme(kararlı olma) ve kolay ve ucuz temin edilebilme gibi özelliklerinden dolayı daha çok tercih edilmektedir. Bütün bu olumlu özelliklerine karşılık organik FDM'lerin bilinen tek dezavantajları düşük ısıliletim katsayısına sahip olmalarıdır (k<0.4W/mK). Düşük ısıl iletkenlik katsayısı organik FDM'lerin enerji depolama ve geri salıverme hızlarını önemli derecede yavaşlatmaktadır. Organik FDM'lerin düşük ısıl iletkenlik probleminin çözümü için literatürde birçok çalışma yapılmıştır. Bunlar FDM içerisine yüksek ısıl iletkenliğe sahip metal kanatçıkların, köpüklerin ve matrislerin yerleştirilmesi gibi birtakım yöntemler uygulanmıştır. Bu geleneksel yöntemler, FDM'nin ısıl iletkenliğini artırmasına rağmen ağırlık ve hacim artışı, zayıf kararlılık ve kristalleşme sorunları kullanılan FDM miktarının düşmesi ve emdirme problemleri gibi birtakım dezavantajlara sahiptir. Son yıllarda nanoteknoloji alanında meydana gelen gelişmelere paralel olarak sentezlenen nanoparçacıklar daha yenilikçi bir yöntemin kullanımını ön plana çıkarmıştır. Bu yöntem yüksek ısıl iletkenliğe sahip nanoparçacıkların FDM içerisine katkılanması suretiyle yüksek ısıl iletkenliğe sahip bir FDM/nanoparçacık kompozitinin elde edilmesini içermektedir. Bu yöntem metal/metal oksit veya karbon tabanlı nanoparçacıkların organik FDM içerisine belirli miktarlarda katkılanması suretiyle yeni bir nanoparçacık/FDM kompozitinin oluşturulması esasına dayanmaktadır.  
Bu tez; faz değişken malzemelerin ısıl iletkenliklerini iyileştirmek için kullanılabilecek farklı nanoparçacıkların gerek ısıl iletkenlik katsayısı üzerindeki gerekse de diğer termal özellikler üzerindeki etkisinin sistematik olarak karşılaştırılmasını içermektedir. Bu amaçla tez kapsamında, herhangi bir arayüz maddesi (surfactans) kullanılmadan farklı metal/metaloksit, karbon tabanlı nanoparçacıklar kullanılarak hazırlanmış olan FDM/nanoparçacık kompozitlerinin termal özellikleri deneysel olarak araştırılmıştır.

Abstract:
Phase change materials (PCM), showing the low temperature change can transit from solid to liquid or from liquid to solid and are defined as materials having a high energy storage capability. In fact, the enerji storage capability of PCMs is based on the actualization of the hidden enerji storage process during phase change.  Due to its hidden high heat, PCMs have the ability to store large amounts of energy despite their light weight. The ability of high energy storage makes it possible to use PCMs in a wide range of engineering. Aerospace, aviation, military, textile, automotive and building can be mentioned. PCMs can be produced so as to perform according to the required operating temperature. The solid-fluid PCMs used in applications can be divided into three main groups: organic, inorganic and euctectic PCMs are prefered due to high latent heat, low vapor pressure, high energy storage capability, non-corrosive, not showing subcooling (difference between melting onset and solidification ending temperature or melting ending and solidification onset temperature.) features during the solidification process, not entering chemical reactions (be committed) and being easily accessible. The coefficent of low thermal conductivity (k<0.4W/mK) is the only disadvantage of organic PCMs.  The coefficient of low thermal conductivity slows significantly down the speed of energy storage and release. Many studies have been made in the literature to solve the problem of low thermal conductivity of organic PCMs. These PCMs replacing into the metal fins with high thermal conductivity, is applied through a number of methods, such as foams and the placement of the matrix.  These conventional methods, although PCM increase the weight and volume, increase the thermal conductivity has a number of disadvantages such as the decrease of the amount used PCM poor stability and crystallization problems and adsorption problems. The nanoparticles are synthesized in parallel with the developments occurring in the field of nanotechnology in recent years has brought to the fore the use of more innovative methods. This method has a high thermal conductivity by doping the nanoparticles with a high thermal conductivity into PCM PCM / nanoparticle comprises obtaining composite. This method of metal / metal oxide or carbon-based nanoparticles by a new doping into a certain amount of nanoparticles in organic PCM / PCM is based on the creation of the composite.
In this project, the effect on the thermal properties of the different nanoparticles can be used to improve the thermal conductivity of the phase change material, comprises a systematic comparison. For this purpose, various metal / metal oxide, carbon-based nanoparticles, PCM / nanoparticle involves determining the effect on the thermal properties of composites.