Nanoakışkan kullanılan ısı değiştiricilerde entropi-ekserji analizi

Abstract

Yapılan bu yüksek lisans tez çalışmasında, nanoakışkanların hazırlanması, uygulamaalanları ve termofiziksel özelikleri hakkında bilgiler verilerek, incelenen deneyselsistemin entropi ve ekserji analizi ayrıntılı olarak araştırılmıştır.Tezdeanalizi yapılan deneysel test bölümü,iç çapları 8 mm, 12 mm, 16 mm ve 20 mm,cidar kalınlığı 2 mm ve uzunluğu 1830 mm olan dört farklı çapta ve dış yüzeyindeüniform sabit ısı akısı sınır şartı olan yatay bakır borulardan oluşmaktadır.Deneylerde,%0,01 ve %0,02 hacimsel konsantrasyonlarda grafen oksit-su (GO) nanoakışkanıkullanılırken, 0,9 l/dak., 1,2 l/dak., 1,5 l/dak. ve 1,8 l/dak. (laminerden türbülansa) olmaküzere dört farklı hacimsel debi ile çalışılmıştır. Ayrıca, çalışmada Dic=20 mm ve Dic=8mm iç çaplı borular için kullanılan en düşük ve en yüksek ısı akısı değerleri 1811.873W/m2-5073.244 W/m2olmak üzere iki farklı ısı yükü değeri (250 W ve 350 W)kullanılmıştır.İncelenen borularda meydana gelen ısı transferi (Süretim, t) ve sürtünme kaynaklı (Süretim,f)entropi üretim miktarları, tüm borular için farklı debi ve GO-Su nanoakışkanları gözönüne alınarak değerlendirilmiştir.8 mm iç çaplı boru boyunca %0.01 konsantrasyondaki GO-Su nanoakışkınının 3623.746W/m2(250 W) ısı akısında entropi üretim miktarı farklı debilerde hesaplanmıştır. 1,2 l/dakhacimsel debiye sahip nanoakışkan için 0,9 l/dak hacimsel debili nanoakışkana göreentropi üretiminin %27,3 daha düşük olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, 5073W/m2(350 W) viiısı akısında %0,02'lik konsantrasyona sahip nanoakışkanın %0,01'lik konsantrasyondakinanoakışkana göre entropi üretimi %3,4 azalmaktadır.Bununla birlikte, 20 mm iç çaplı boru boyunca 2536W/m2(350 W) ısı akısında 1,2 l/dak.hacimsel debili nanoakışkan 0,9 l/dak. hacimsel debili nanoakışkana göre %5,8 daha azentropi üretirken, 1811 W/m2(250 W) ısı akısında 1,2 l/dak. debili nanoakışkan 0,9 l/dak.debili nanoakışkana göre %10,5 daha az entropi üretmektedir.Nanoakışkanların ekserji analizleri değerlendirildiğinde, 8 mm çaplı boruda 250 W ısıyükünde, 1,8 l/dak. debili %0,01 konsantrasyonlu GO-Su nanoakışkanının, 0,9 l/dak.debili ve aynı konsantrasyonlu nanoakışkana göre %61 daha fazla çıkış ekserjisi değerinesahip olduğu tespit edilmiştir. 1,5 l/dak.' lık hacimsel debi ve %0,02 konsantrasyonasahip GO-Su nanoakışkanının ikinci yasa verimi %96 iken, %0,01 konsantrasyonlu GOSu nanoakışkanının ikinci yasa veriminin ise %93,6 olduğu saptanmıştır. Bu sonuç,nanoakışkan konsantrasyonundaki artışla artan ısı transferine bağlanabilir.20 mm iç çaplı boru için yapılan ekserji değerlendirmelerinde ise 250 W ısı yükü ve 0.9l/dak. debide %0,02 GO-Su nanoakışkanı için ikinci yasa verimi %85,6 iken 1.5 l/dak.debide %91,3 değerine ulaşmaktadır. Bununla birlikte, entropi üretimine paralel olarakboru çapı arttıkça ikinci yasa verimi azalmaktadır.Ayrıca, taban akışkanı olan saf suya göre ikinci yasa verimlerinin yüksek olmasınanoakışkanın faydalanılabilir iş potansiyelinin daha yüksek olduğunu göstermektedir.

In this master's thesis, informations about the preparation, application areas andthermophysical properties of nanofluids were given and entropy and exergy analysis ofthe researched experimental system were investigated in detail.The experimental test section, which is analyzed in the thesis, consists of four differentinner diameters of 8 mm, 12 mm, 16 mm and 20 mm, wall thickness of 2 mm and lengthof 1830 mm and horizontal copper pipes with uniform constant heat flux boundarycondition on the outer surface. In the experiments, while graphene oxide (GO)-waternanofluids with 0.01% and 0.02% volumetric concentrations were used, four differentvolumetric flow rates (laminer to turbulance) as 0.9 l/min, 1.2 l/min, 1.5 l/min. and 1.8l/min. were studied. Besides, two different heat load values (250 W and 350 W) wereemployed as 1811.873 W/m2-5073.244 W/m2 which were used the lowest and the highestheat flux values for tubes with inner diameters of Did=20 mm and Did=8 mm in the study.The amount of entropy generation in the heat flux of 3623.746 W/m2(250 W) of GOWater nanofluid with 0.01% concentration along the 8 mm inner diameter pipe wascalculated in different flow rates.For nanofluid having a volumetric mass flow of 1.2 l/min.,it was determined that entropy generation was 27.3% lower than nanofluid with 0.9l/min. Furthermore, nanofluid entropy generation with a concentration of 0.02% in the5073 W/m2(350 W) heat flux decreased by 3,4% when compared to the nanofluidconcentration of 0,01%.ixHowever, while the nanofluid with 1,2 l/min. generates 5,8% lower entropy thannanofluid with 0,9 l/min. at the 2536 W/m2(350 W) heat flux along the 20 mm innerdiameter pipe, nanofluid with 1.2 l/min. flow rate at 1811 W/m2(250 W) heat fluxproduces 10.5% less entropy according to 0.9 l / min.When evaluated the exergy analysis of nanofluids, In the 8 mm diameter pipe with 250W heat load, it has been found that GO-Water nanofluid with a concentration of 0.01%and volumetric flow rate of 1.8 l/min. has 61% more outlet exergy value compared to 0,9l/min. and same concentration nanofluid. The second law efficiency of GO-Waternanofluids with a volumetric flow rate of 1.5 l/min and a concentration of 0.02% wasfound to be 96%, while the second law efficiency of GO-Water nanofluid with 0.01%concentration was 93.6%. This result can be attributed to increased heat transfer by anincrease in the concentration of nanofluid.In exergy evaluations for pipes with an internal diameter of 20 mm, while the second lawefficiency at 250 W heat load and 0.9 l/min. is 85,6% for 0,02% GO-Water nanofluid, itreaches to 91,3% value at flow rate of 1,5 l/min. However, as the pipe diameter increasesin parallel to entropy generation, the second law efficiency decreases.In addition, the higher efficiency of second law compared to pure water as base fluidshows that useful work potential of nanofluids is higher