İç içe borulu bir ısı değiştiricide metal oksit nanoakışkanların ısı transfer performansı üzerindeki etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of metal oxide nanofluids on heat transfer performance in a concentric tube heat exchanger
Yazar: CELAL FATİH AKBAŞ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ DİNÇER BURAN
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, tek adım yöntemiyle sentezlenmiş bakır oksit/su (CuO/H2O) nano akışkanın hidrodinamik ve ısı transfer karakteristiklerinin ters akışlı iç içe borulu bir ısı değiştirici kullanılarak araştırılması amaçlanmıştır. Bu amaçla hazırlanan deney düzeneğinde 1 metre uzunluğunda, bakır borular kullanılarak imal edilmiş ters akışlı iç içe borulu bir ısı değiştirici kullanılmıştır. Çalışmada tek adım yöntemiyle üretilmiş ağırlıkça %3,3 CuO konsantrasyonuna sahip su bazlı bakır oksit nano akışkan kullanılmıştır. Deneyler farklı akış koşullarını oluşturabilmek amacıyla, farklı sıcak ve soğuk akışkan debilerinde gerçekleştirilmiştir. Kararlı rejim şartlarında, ısı değiştirici giriş ve çıkış sıcaklıkları K tipi termokupl kullanılarak ve ısı değiştirici boyunca sıcak akışkandaki basınç kaybı bir U manometresi kullanılarak ölçülmüştür. Bakır oksit/su nano akışkanı için hesaplanan hidrodinamik ve ısıl performans parametreleri benzer koşullarda test edilen deiyonize suyun parametreleriyle karşılaştırılmıştır. Su için sayısal modelleme yapılmış ve bulunan sonuçlar deneysel verilerle karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Çalışmada ayrıca, CuO/H2O nanoakışkanına alüminyum oksit (Al2O3) nanopartiküller iki adım üretim yöntemine göre eklenerek, hibrit nanoakışkan üretimi de gerçekleştirilmiştir. Ancak deney düzeneğine hibrit nanoakışkan ilave edildikten sonra oluşan çökelme ve topaklaşma problemleri sebebiyle, hibrit nanoakışkan ile yapılan deneylerin sonuçları analiz edilmemiştir.

Yapılan deneyler süresince, nispeten yüksek sıcaklıklarda çalışan bakır oksit/su nanoakışkanın, stabilitesini genel olarak muhafaza ettiği gözlenmiştir. Analizler neticesinde elde edilen sonuçlar, nanoakışkanın deiyonize suya nazaran daha fazla basınç düşümü ve daha yüksek sürtünme faktörüne (Re=10000-20000 aralığında ortalama %17 civarında) sahip olduğunu göstermiş olup, ihtiyaç duyulan pompa gücünün artırılması gerektiğini ortaya koymaktadır. Isı transfer karakteristikleri açısından, akışın türbülans seviyesine göre değişmekle birlikte bakır oksit/su nanoakışkanın ısı taşınım katsayısında baz akışkana kıyasla iyileşme sağlandığı tespit edilmiştir (%12 @Re=10000). Bakır oksit/su nano akışkanın ısıl performans faktörünün (Nusselt sayısının hesaplanmasında göz önüne alınan yaklaşım metoduna göre değişiklik göstermesine rağmen) incelenen türbülanslı akış koşullarının tamamında 1'in üzerinde olduğu ve Reynolds sayısının 30000 değerinde 1,27'ye kadar çıktığı hesaplanmıştır. Endüstriyel uygulamalarda su yerine CuO/su nanoakışkanı kullanımı halinde, ısı transferindeki iyileşme etkisiyle basınç düşüşündeki artış etkisinin bastırılabileceği anlaşılmaktadır.

Abstract:
In this study, it is aimed to investigate the hydrodynamic and heat transfer characteristics of copper oxide/water (CuO/H2O) nanofluid synthesized by the one-step method using a counter-flow concentric tube heat exchanger. In the experimental setup prepared for this purpose, a counter flow, concentric tube heat exchanger with a length of 1 meter manufactured using copper pipes was used. In the study, water-based copper oxide nanofluid with a CuO concentration of 3.3% by weight, produced by the one-step method, was used. Experiments were carried out at different hot and cold flow rates in order to create different flow conditions. Under steady-state conditions, the heat exchanger inlet and outlet temperatures were measured using a K-type thermocouple and the pressure loss in the hot fluid across the heat exchanger was measured using a U manometer. The hydrodynamic and thermal performance parameters calculated for the copper oxide/water nanofluid were compared with the parameters of deionized water tested under similar conditions. Numerical modeling was done for water and the results were verified by comparing with the experimental data. 
In this study, hybrid nanofluid, named as Al2O3-CuO/H2O, production was also carried out by adding aluminum oxide (Al2O3) nanoparticles to the CuO/H2O nanofluid. Due to the precipitation and aggregation occurred after the hybrid nanofluid addition in the experimental study, the results of the experiments with the hybrid nanofluid were not considered to analyze for further study.

During the experiments, it was observed that the copper oxide/water nanofluid operating at relatively high temperatures generally maintained its stability. The results obtained as a result of the analyzes showed that the nanofluid has more pressure drop and higher friction factor (around 17% in the range of Re=10000-20000) compared to deionized water, revealing that the required pump power should be increased. In terms of heat transfer characteristics, although it varies according to the turbulence level of the flow, it has been determined that the heat transfer coefficient of the copper oxide/water nanofluid is improved compared to the base fluid (12% @Re=10000). According to the Nusselt number calculated from approach method, the thermal performance factor of the copper oxide/water nanofluid is over 1 under all applied turbulent flow conditions. So, the thermal performace factor of the mentioned nanofluid's value was increased upto 1.27 while the Reynolds number was at 30000. It is understood that if CuO/water nanofluid is used instead of water in industrial applications, the increase in pressure drop can be suppressed with the improvement in heat transfer.