Doğal sirkülasyonlu güneş enerjili sıcak su hazırlama sistemlerinde çekirdek-kabuk yapıda nanoakışkan kullanımının ısı transfer performansına etkisinin incelenmesi
Core-shell structured nanofluids employment in solar water heating systems with natural circulation and their effect on heat transfer performance
Yazar: OSMAN SAMET ÖZDEMİR
Danışman: DOÇ. DR. İBRAHİM ATMACA
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Düz güneş toplayıcısı = Flat plate solar collector ; Enerji verimliliği = Energy efficiency ; Güneş toplayıcıları = Solar collectors ; Nanoteknoloji = Nanotechnology ; Termal verimlilik = Thermal efficiency

Özet:
Bu tez çalışmasında her biri çekirdek–kabuk yapısına sahip üç farklı nanoakışkan kullanılarak, bu nanoakışkanların kapalı devre güneş enerji sisteminin performansı üzerine etkileri incelenmiştir. Kullanılan nanoakışkanlar sırasıyla SiO2 kabuk – TiO2 çekirdek, SiO2 kabuk – Fe3O4 çekirdek ve SiO2 kabuk – ZnO çekirdek içeren partiküller ile elde edilmiştir. Baz akışkan olarak su kullanılan nanoakışkanların her üçünün konsantrasyonu da kütlece %2 olacak şekilde hazırlanmıştır. Nanoakışkanların ısıl performansa etkilerini incelemek için birbirinin aynısı iki deney düzeneği hazırlanmıştır. Deney sistemleri düz plakalı kollektöre sahip doğal sirkülasyonlu kapalı devre güneş enerjili sıcak su hazırlama sistemleridir. Sistemlerden birinde çalışma akışkanı olarak saf su kullanılırken diğerinde nanoakışkanlar sıralı olarak kullanılmıştır. Böylece saf su kullanılan sistemin performansı referans kabul edilerek nanoakışkan kullanımının performans üzerine etkisinin görülmesi amaçlanmıştır. Kollektör giriş sıcaklığı, kollektör çıkış sıcaklığı, yutucu yüzey sıcaklığı, depo sıcaklığı, çevre sıcaklığı, güneş ışınım şiddeti ve rüzgâr hızı gibi parametrelerin zamanla değişimi kayıt altına alınarak iki farklı sistemin sistematik bir şekilde karşılaştırılması sağlanmıştır.   Çalışma sonucunda; Fe3O4-SiO2 ve ZnO-SiO2 esaslı nanoakışkan ile performans artışı elde edilirken, TiO2-SiO2 esaslı nanoakışkanla bu artış gözlenememiştir. TiO2-SiO2 esaslı nanoakışkan ile saf su kullanılan sisteme oranla taşınım katsayısında %4.13 azalma, Fe3O4-SiO2 kullanılan sistemde %8.60 artış ve ZnO-SiO2 esaslı nanoakışkan kullanılan sistemde taşınım katsayısında %3.07 artış tespit edilmiştir. TiO2-SiO2 çekirdek-kabuk yapılı nanoakışkanın kullanıldığı kollektörde toplanan ortalama faydalı enerjide saf suya göre %1.97 azalma tespit edilirken, Fe3O4-SiO2 esaslı nanakışkanın kullanıldığı kollektörde saf suya nazaran %16.65, ZnO-SiO2 çekirdek-kabuk yapıdaki nanoakışkanın kullanıldığı kollektörde ise saf suya göre %5.4 artış olduğu görülmüştür. TiO2-SiO2, Fe3O4-SiO2 ve ZnO-SiO2 esaslı nanoakışkanların kullanıldığı sistemlerin ortalama verimlerinde sırasıyla; %4.43 azalma, %16.25 artış ve %7.39 artış olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
In this study, the effects of nanofluids on the performance of the closed-circuit solar energy system were investigated by using three different nanofluids, each with a core-shell structure. The nanofluids used are based on SiO2 shell – TiO2 core, SiO2 shell – Fe3O4 core and SiO2 shell – ZnO core. Pure water was used as the base fluid in each nanofluid. In addition, 2 wt% mass concentration was used in the preparation of each nanofluid. An experimental set-up with flat-plate, natural circulation solar water heating system was prepared. Two identical experimental setups were prepared to examine the effects of nanofluids on thermal performance. In one of the experimental setups, pure water was used as the working fluid.  In the other setup, nanofluids were used as the working fluid. Thus, the performance of the system with pure water was taken as reference for the comparison with nanofluids. In this respect, the effects of nanofluid usage on the system performance were investigated. By recording the time-dependent changes in the collector inlet temperature, collector outlet temperature, absorber surface temperature, storage tank temperature for the both setup, ambient temperature, solar radiation intensity and wind speed, the thermal performances of the both systems were examined and compared with each other. The results show that higher performances were obtained for Fe3O4-SiO2 based and ZnO-SiO2 based nanofluids. On the other hand, any performance enhancement could not be achieved with TiO2-SiO2 based nanofluid. It was determined that convective heat transfer coefficient decreased by 4.13% with TiO2-SiO2 based nanofluid. In contrast, in the system working with Fe3O4-SiO2 based nanofluid, the convective heat transfer coefficient increased by 8.60%. Similarly, in the system working with ZnO-SiO2 based nanofluid, 3.07% increase in the convective heat transfer coefficient was determined. Useful energy values obtained for TiO2-SiO2, Fe3O4-SiO2 and ZnO-SiO2 based systems; decrease by 1.97%, increase by 16.65% and increase by 5.4%, respectively. Collector efficiencies was also similar to these results. For TiO2-SiO2, Fe3O4-SiO2 and ZnO-SiO2, average collector efficiencies were decreased by 4.43%, increased by 16.25% and increased by 7.39%, respectively.