Konvektif ısı transferi; akışkanın termofiziksel özelliklerini ya da akış geometrisini veya sınır koşullarını değiştirerek pasif yöntemlerle iyileştirilebilir. Bir akışkan vasıtasıyla ısı transferi; ısı eşanjörleri, güneş kollektörleri, buzdolapları, otomobiller, elektronik cihazların soğutulması, elektrik santralleri gibi birçok mühendislik alanlarında önemli bir yer tutmaktadır. Bir akışkan vasıtasıyla küçük bir sıcaklık gradyanı boyunca büyük miktarda ısı aktarabilme kabiliyeti, enerji dönüştürme verimliliğini arttırır, ayrıca ısı eşanjörlerinin tasarımını ve performansını geliştirir. Endüstrinin ihtiyacını karşılamak için yüksek termal iletkenliğe sahip, kompakt ve performanslı eşanjörler geliştirmek için, ileri ısı transfer akışkanlarını geliştirmeye ihtiyaç vardır. Ancak konvektif ısı transfer için kullanılan hava, su, yağ, etilen glikol gibi baz akışkanlar, çok düşük ısıl iletkenliğe sahip olduğundan, günümüz teknolojisinde istenen özellikleri karşılayamamaktadır. Isı transfer akışkanlarının ısı transfer karakteristiklerinin arttırılması için kullanılan tekniklerden birisi de akışkan içerisine ısıl iletkenlikleri akışkanlarınkine göre daha yüksek olan katı partiküllerin ilave edilmesidir. Son zamanlarda yapılan çalışmalar sonucunda içerisinde 100 nanometreden daha küçük katı partiküllerin (metal, metaloksit, karbon nanatüp) söz konusu olduğu yeni bir süspansiyon tipi olan nanoakışkanların keşfiyle ısı transfer akışkanları olarak kullanımı artmıştır. Bu artışın nedeni ise, çok küçük nanopartikül konsantrasyonlarında bile, nanoakışkanların yüksek ısıl iletkenlik değerlerine sahip olmasıdır. Nanopartikül olarak genellikle bakır, gümüş, bakır oksit, titanyum oksit, silisyum oksit ve alüminyum oksit kullanılmaktadır. Nanoakışkanlardaki ısı iletim kabiliyetindeki önemli artış, katı partiküllerin Brownian hareketine, sıvı katı ortak yüzeyinde söz konusu olan moleküler seviyedeki sıvı tabakalaşması, ısı transfer mekanizmasının doğası ve nanopartikül yığılmaları gibi faktörlere bağlıdır. Nanoakışkanlarda ısı transferi ile ilgili en önemli parametre ısı iletim kabiliyetidir. Bu çalışmada; iç içe geçmiş çift borulu ısı değiştiricisinde Su–Etilen Glikol (EG) karışımlı Al2O3 bazlı nanoakışkanınn daimi, laminer doğal konveksiyon akışının ısıl performans etkisi nümerik olarak incelenmiştir.Isı değiştiricileri, farklı sıcaklıktaki iki veya daha fazla akışkan arasındaki ısı alışverişini sağlayan cihazlardır. Bu cihazların ısıl performansını artırmak için farklı nanoakışkan karışımını kullanmak bu çalışmanın hedefleri arasındadır. Nanoakışkanların oluşumu basitçe bir sıvı-katı karışım süspansiyonu değildir. Zamanla nanoakışkanın termal ısıl iletkenliğinde meydana gelen azalma görülmektedir. Bunun nedeni ise nanopartikül konsantrasyonunun belli bir optimum değeri aşması sonucunda meydana gelen Brownian heraketini yapamaması veya nanoakışkanın uzun süreli kullanımı gibi nedenlerden dolayı nanopartiküllerde meydana gelen kümelenme, topaklanma veya çökelme gibi istenmeyen durumlar neticesinde nanopartikül yüzey alanının azalması ve bunun sonucunda ısıl iletkenliğinin düşmesidir. Nümerik analizler için ANSYS Fluent paket programı kullanılmış olup, momentum ve enerji denklemleri ikinci mertebeden Upwind yaklaşımı, basınç-hız denklemi ise SIMPLE algoritmasıyla çözülmüştür. Farklı karışım oranlarında nanoakışkan kullanımının ısı değiştiricilerindeki ısı transferi ve akış yapıları üzerindeki etkileri incelenmiştir.Nanoakışkanların efektif ısı iletim katsayısını ifade ederken Yu ve Choi modeli, viskozitesini hesaplarken de, Brinkman modeli kullanılmıştır. Grashof sayısının 104, 105 ve 106 değerleri için ve nanopartiküllerin hacim fraksiyon oranları =0-0,02-0,04-0,06 ve 0,08 olarak incelenmiştir. Nanoakışkanların karışım oranları,% 0 EG ve %100 su, % 50 su ve %:50 EG ve % 0 su ve %100 EG karışımlarına Al2O3 nanopartikülleri ilave edilerek analizler yapılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, baz akışkana ilave edilen yüksek ısıl iletkenliğe sahip nanopartiküllerle oluşturulan nanoakışkanlar, daha düşük ısıl iletkenliğe sahip baz akışkanlara kıyasla, ısı transferi oranını önemli ölçüde artırmaktadır. Grashof sayısının artmasıyla sirkülasyonunda artmasıyla doğal konveksiyon akışı artmaktadır. Nanopartiküllerin hacimsel oranı arttıkça, ısı transfer miktarı artmaktadır. Ancak bu katı hacim oranı optimum bir değerde tutulmalıdır. Farklı karışım oralarında belirlenen nanoakışkanlar incelendiğinde %100 EG, %50 su ve %50 EG ve %100 su olan karışımlarla oluşturalan nanoakışkanın ısı transferini artırmada en yüksek değerden en düşük değere doğru sıralanmaktadır. Isı transfer kapasitesinin arttırılması için nanoakışkanların, ısı değiştiricilerinde kullanımının daha iyi bir sistem performansı, kompakt ürünlerin ortaya konması ve yüksek enerji verimliliği elde edilmesi açısından önemli bir yer tutması söz konusudur.
Anahtar Kelimeler: Isı değiştirici, Su-Etilen Glikol bazlı nanoakışkan, CFD, Isı transferi.
|
