Isı Değiştiricilerinde Nanoakışkanların Isı Transfer Performansı

Isı değiştiriciler, endüstriyel süreçlerde ve enerji sistemlerinde ısı transferini sağlamak için yaygın olarak kullanılmaktadır. Son yıllarda, nanoakışkanlar olarak bilinen, baz akışkanlara nanopartiküllerin eklenmesiyle elde edilen akışkanlar, ısı transfer performansını artırma potansiyelleri nedeniyle önemli bir ilgi görmektedir. Bu çalışmada, farklı geometrilere sahip ısı değiştiricilerinde nanoakışkanların ısı transfer performansının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi amaçlanmaktadır. Deneysel çalışmalarda, farklı konsantrasyonlardaki ve farklı nanopartikül türlerindeki nanoakışkanların, çeşitli akış hızlarında ısı transfer katsayısı ve basınç düşüşü üzerindeki etkileri incelenmiştir. Sayısal analizlerde ise, hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yöntemleri kullanılarak nanoakışkanların ısı transfer mekanizmaları ve akış davranışları detaylı olarak modellenmiştir. Elde edilen sonuçlar, nanoakışkanların ısı transfer performansını önemli ölçüde artırabileceğini göstermekle birlikte, basınç düşüşü üzerindeki etkilerinin de dikkate alınması gerektiğini ortaya koymaktadır. Bu çalışma, ısı değiştiricilerinde nanoakışkan kullanımının optimizasyonu için değerli bilgiler sağlamaktadır.

1. GİRİŞ

Enerji verimliliği ve sürdürülebilirlik, günümüz endüstrisinin ve araştırmalarının odak noktası haline gelmiştir. Isı değiştiriciler, enerji üretiminden kimyasal işlemlere kadar birçok alanda kullanılan temel ekipmanlardır. Isı transferini optimize etmek ve sistemlerin genel performansını artırmak için sürekli olarak yeni teknolojiler ve yöntemler araştırılmaktadır. Bu bağlamda, nanoakışkanlar, ısı transfer özelliklerini iyileştirme potansiyelleri nedeniyle son yıllarda büyük ilgi görmektedir.

Nanoakışkanlar, baz akışkanlara (su, etilen glikol, yağ vb.) nanometre boyutundaki katı parçacıkların (nanopartiküller) süspanse edilmesiyle elde edilen akışkanlardır. Nanopartiküllerin yüksek termal iletkenliği, yüzey alanı ve brownian hareketi gibi özellikleri, nanoakışkanların ısı transfer performansını baz akışkanlara göre önemli ölçüde artırabileceği öngörülmektedir (Choi, 1995).

Bu çalışmanın amacı, farklı geometrilere sahip ısı değiştiricilerinde nanoakışkanların ısı transfer performansının deneysel ve sayısal olarak incelenmesidir. Bu kapsamda, farklı konsantrasyonlardaki ve farklı nanopartikül türlerindeki nanoakışkanların, ısı transfer katsayısı, basınç düşüşü ve ısı transfer mekanizmaları üzerindeki etkileri detaylı olarak araştırılacaktır.

2. LİTERATÜR TARAMASI

Nanoakışkanların ısı transferi üzerine yapılan çalışmalar, son yıllarda önemli ölçüde artmıştır. Lee et al. (1999), bakır nanopartiküllerin suya süspanse edilmesiyle elde edilen nanoakışkanın termal iletkenliğinin, baz akışkan olan suya göre önemli ölçüde arttığını göstermiştir. Xuan and Li (2000), Al2O3 nanopartiküllerinin suya süspanse edilmesiyle elde edilen nanoakışkanın konvektif ısı transfer performansının arttığını deneysel olarak kanıtlamıştır.

Deneysel çalışmaların yanı sıra, sayısal analizler de nanoakışkanların ısı transfer mekanizmalarını anlamak için önemli bir araçtır. Maïga et al. (2005), HAD yöntemlerini kullanarak Al2O3 nanoakışkanın mikro kanallardaki ısı transferini modellemiş ve nanopartiküllerin akış ve ısı transferine etkilerini incelemiştir.

Literatürdeki çalışmalar, nanoakışkanların ısı transferini artırma potansiyeline işaret etmekle birlikte, nanopartikül türü, konsantrasyon, boyut, baz akışkan türü ve ısı değiştirici geometrisi gibi birçok parametrenin performansı etkilediği de görülmektedir. Ayrıca, nanoakışkanların basınç düşüşü üzerindeki etkileri ve uzun dönem kararlılıkları da dikkate alınması gereken önemli konulardır.

3. MATERYAL VE METOT

Bu çalışmada, nanoakışkanların ısı transfer performansının incelenmesi için hem deneysel hem de sayısal yöntemler kullanılmıştır.

3.1. Deneysel Çalışma

• Isı Değiştirici: Deneylerde, plakalı ısı değiştirici ve borulu ısı değiştirici olmak üzere iki farklı tipte ısı değiştirici kullanılmıştır.
• Nanoakışkan: Farklı konsantrasyonlarda (%0.1, %0.5, %1 ağırlıkça) Al2O3, TiO2 ve CuO nanopartiküllerinin suya süspanse edilmesiyle elde edilen nanoakışkanlar kullanılmıştır. Nanopartiküllerin boyutları 20-50 nm aralığındadır.
• Deneysel Düzenek: Deney düzeneği, sıcak ve soğuk akışkan devrelerinden, sıcaklık ve basınç sensörlerinden, debimetrelerden ve bir veri toplama sisteminden oluşmaktadır.
• Deney Prosedürü: Deneylerde, farklı akış hızlarında (0.5-2 l/dk) sıcak ve soğuk akışkanlar ısı değiştiriciden geçirilerek, giriş ve çıkış sıcaklıkları, debiler ve basınç düşüşleri ölçülmüştür. Isı transfer katsayısı, sıcaklık farkları ve debi değerleri kullanılarak hesaplanmıştır.

3.2. Sayısal Analiz

• Modelleme: Isı değiştirici geometrisi, HAD yazılımı (örneğin, ANSYS Fluent) kullanılarak 3 boyutlu olarak modellenmiştir.
• Ağ Yapısı: Model, tetrahedral elemanlardan oluşan ince bir ağ yapısıyla ayrılmıştır.
• Sınır Koşulları: Giriş ve çıkışlara akış hızı ve sıcaklık değerleri, duvarlara ise ısı akısı veya sabit sıcaklık sınır koşulları uygulanmıştır.
• Çözüm Yöntemi: Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) denklemleri, k-ε türbülans modeli ile birlikte kullanılarak akış ve ısı transferi modellenmiştir. Nanoakışkanların özellikleri, homojen model yaklaşımı kullanılarak tanımlanmıştır.
• Doğrulama: Sayısal sonuçlar, deneysel verilerle karşılaştırılarak modelin doğruluğu teyit edilmiştir.

4. BULGULAR VE TARTIŞMA

4.1. Deneysel Sonuçlar

• Nanoakışkanların kullanımı, ısı transfer katsayısını baz akışkana göre önemli ölçüde artırmıştır.
• Isı transfer katsayısındaki artış, nanopartikül konsantrasyonu arttıkça artmıştır.
• Farklı nanopartikül türleri farklı performanslar göstermiştir. Örneğin, Al2O3 nanoakışkanların TiO2 ve CuO nanoakışkanlara göre daha iyi bir performans sergilediği gözlemlenmiştir.
• Nanoakışkanların kullanımı, basınç düşüşünü de artırmıştır. Basınç düşüşündeki artış, nanopartikül konsantrasyonu arttıkça daha da belirginleşmiştir.

4.2. Sayısal Sonuçlar

• Sayısal analizler, nanoakışkanların ısı transferini artırma mekanizmalarını daha detaylı anlamamızı sağlamıştır. Nanopartiküllerin brownian hareketi, termoforesis ve viskoz disipasyon gibi etkileri, ısı transferini iyileştiren faktörler olarak tespit edilmiştir.
• Sayısal model, nanoakışkanların akış davranışlarını ve sıcaklık dağılımlarını başarıyla tahmin etmiştir.
• Sayısal sonuçlar, deneysel verilerle iyi bir uyum göstermiştir, bu da modelin doğruluğunu teyit etmiştir.

4.3. Tartışma

Elde edilen sonuçlar, nanoakışkanların ısı transfer performansını önemli ölçüde artırabileceğini göstermektedir. Ancak, basınç düşüşü üzerindeki etkilerinin de dikkate alınması gerekmektedir. Nanopartikül türü, konsantrasyon, boyut ve ısı değiştirici geometrisi gibi parametrelerin optimizasyonu, nanoakışkanların ısı değiştiricilerindeki kullanımının etkinliğini artırmak için önemlidir. Ayrıca, nanoakışkanların uzun dönem kararlılığı ve erozyon etkileri gibi konular da gelecekteki araştırmalar için önemli bir odak noktası olmalıdır.

5. SONUÇ

Bu çalışmada, farklı geometrilere sahip ısı değiştiricilerinde nanoakışkanların ısı transfer performansının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, nanoakışkanların ısı transferini artırma potansiyelini doğrulamakla birlikte, basınç düşüşü üzerindeki etkilerinin de dikkate alınması gerektiğini göstermektedir. Bu çalışma, ısı değiştiricilerinde nanoakışkan kullanımının optimizasyonu için değerli bilgiler sağlamaktadır.

KAYNAKLAR

• Choi, S. U. S. (1995). Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles. ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, 231, 99-105.
• Lee, S., Choi, S. U. S., Li, S., & Eastman, J. A. (1999). Measuring thermal conductivity of fluids containing oxide nanoparticles. Journal of Heat Transfer, 121(2), 280-289.
• Xuan, Y., & Li, Q. (2000). Heat transfer enhancement of nanofluids. International Journal of Heat and Fluid Flow, 21(1), 58-64.
• Maïga, S. E. B., Palm, S. J., Nguyen, C. T., Roy, G., & Galanis, N. (2005). Heat transfer enhancement by using nanofluids in forced convection flows. International Journal of Heat and Fluid Flow, 26(4), 530-546.