Keywords:

Isı transfer akışkanları olarak genellikle su, yağ ve etilen glikol gibi akışkanlar kullanılmaktadır. Bu akışkanların düşük ısı transfer performansına sahip olmaları, mühendislikte kullanılan pek çok ısı transfer sistemlerinde cihazın performansının yükseltilmesinde sorun teşkil etmektedir. Bu durum yüksek ısı iletim katsayısına sahip ısı transfer akışkanlarının kullanımının yaygınlaşmasını sağlamaktadır. Böylece ısıl sistemlerde ısıl iletkenliği yüksek bir akışkan kullanımıyla daha küçük boyutta, kompakt ısıl sistemler elde edilebilir. Bu amaçla kullanılan tekniklerden birisi de akışkan içerisine ısı iletim kabiliyetleri baz akışkanlara göre daha yüksek olan nanopartiküllerin ilave edilmesidir. Bu yeni akışkan tipine nanoakışkan denilmektedir. Nano partiküllerin katılması ile baz akışkanın ısı transferi performansının önemli derecede iyileşmesine neden olan temel fiziksel olaylar şunlardır: Akışkan içerisine süspanse edilen nanopartiküller akışkanın yüzey alanını ve ısıl kapasitesini büyütür. Nanoartiküller akışkanın efektif ısıl kapasitesini arttırır. Bu nanopartiküller arasındaki etkileşim ve çarpışmalar akışkanın ve akış geçişinin yüzeyinin artmasına sebep olur. Akışkanın çalkantıları ve türbülans şiddeti artar. Nano partiküllerin saçılması akışkanın enine sıcaklık eğiminin düzleşmesine neden olur. Nanoakışkan kullanımında genellikle nanopartikül olarak alüminyumoksit (Al2O3), bakır (Cu), bakıroksit (CuO), altın (Au), gümüş (Ag), Titanyumoksit (TiO2) ve silisyumdioksit(SiO2) kullanılmaktadır. Amaç: Bu çalışmada; iç içe geçmiş çift borulu ısı değiştiricisinde Cu, Al2O3 ve TiO2 içeren nanopartiküller ile oluşturulan, baz akışkan olarak su seçilen nanoakışkanın daimi, laminer doğal konveksiyon akışı nümerik olarak incelenmiştir. Bu çalışmada; iç içe geçmiş çift borulu ısı değiştiricisinde Cu, Al2O3 ve TiO2 içeren nanopartiküller ile oluşturulan, baz akışkan olarak su seçilen nanoakışkanın daimi, laminer doğal konveksiyon akışı nümerik olarak incelenmiştir. Analizler için ANSYS Fluent paket programı kullanılmış olup, momentum ve enerji denklemleri ikinci mertebeden Upwind yaklaşımı, basınç-hız denklemi ise SIMPLE algoritmasıyla çözülmüş, analizler iki boyutlu geometride yapılmıştır. Farklı termofiziksel özelliklerdeki nanopartiküllerin, farklı ısı iletim ve viskozite modellerine göre yapılan hesaplamaların ısı transferi ve akış özellikleri üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Isı iletim modellerinin sonuçlara etkisinin görülebilmesi için, efektif ısı transfer katsayısının hesaplanmasında literatürde kabul görmüş Maxwel, Yu ve Choi, Pak ve Cho, Timofeeave gibi modellerden yararlanılmıştır. Bu etkiyi görmek için analizlerde viskozite için tek bir model olarak, Brinkman modeli kullanılmıştır. Grashof sayısının 104, 105 ve 106 değerleri için ve =0-0,02-0,04-0,06 ve 0,08 nanopartikül konsantrasyonlarındaki değişimleri incelenmiştir Viskozite değişimlerinin etkisini görebilmek için Einstein, Brinkman, Batchlor, Yu and Choi ve Maiga vd.’ nin modelleri kullanılmış olup, bu sefer termal iletkenlik olarak da Yu and Choi modeli ele alınmıştır. Nanopartiküller sayesinde yüzey alanı arttırılarak ısıl transfer miktarı iyileştirilmiştir. anoakışkanların ısı transfer potansiyeli çok yüksektir. Ayrıca endüstriyel alanda uygulama alanı geniştir. Sıradan akışkanlar (su, etilen glikol, yağ) yerine içinde nanopartiküller barındıran nanoakışkanların kullanılmasıyla ısı transfer performansında %40’lara varan artışlar sağlanabilmiştir. Geniş kullanım alanı sayesinde hayatımızın hemen hemen her alanında kullanılma olanağı bulunan nanoakışkanların çevremizde yeni sistem tasarımları olarak karşımıza çıkma olanağı bulunmaktadır. Daha kompakt ürünler, daha uzun ömürlü sistemler, daha az enerji kaybı ile maksimum verim elde edilebilen araçlar sayesinde daha yaşanabilir bir dünya elde edilebileceği kuşkusuzdur. Nanoakışkanların bir çok endüstriyel alanda yaygınlaşması ile elde edilebilecek faydaların en önemlileri enerji verimliliğinde ciddi artışlar sağlanabilmesi, küresel bir problem olarak karşımıza çıkan küresel ısınmanın etkilerini azaltması, çağımızın en önemli olgularından biri olan enerji verimliliği konusunda harcanan çabalar gözönünde bulundurulduğunda bir çok sisteme entegre edilebilecek bu teknolojinin yaratacağı tasarrufun ne denli önemli olduğu anlaşılabilir. Elde edilen sonuçlara göre, nanoakışkanların kullanımının baz akışkanlara kıyasla ısı transferi oranını önemli ölçüde artırdığı, Grashof sayısının artmasıyla da doğal konveksiyon akışının arttığı söylenebilir. Katı hacim fraksiyonu arttıkça ısı transfer oranı artmaktadır. Farklı nanopartikül etkisi incelendiğinde Ortalama Nuselt sayısının en yüksek değerden en düşük değere doğru Cu, Al2O3 ve TiO2 ile oluşturulan nanoakışkanlar şeklinde sıralanmaktadır. Viskozite modellerinin etkisi incelendiğinde Ortalama Nusselt sayısının en yüksek değeri Einstein modelinde, en düşük değeri ise Maiga vd. modelinde elde edilmiştir. Ayrıca ısı iletim katsayısının ortalama Nusselt sayısı üzerindeki etkisine bakıldığında, en yüksek değer Pak ve Cho modelinde, en düşük değer ise eski klasik yöntem olan Maxwell modelinde bulunmuştur. Böylece ısı transfer kapasitesinin arttırılması için nanoakışkanların, ısı değiştiricilerinde kullanımının bir seçenek haline getirilerek, daha iyi bir sistem performansı ve enerji verimliliği elde edilmesiyle avantajlı bir hal alması söz konusudur.

Anahtar Kelimeler: Nanoakışkan, Isı değiştirici, ANSYS Fluent, Isı transferi.