Enhancement of thermal conductivity using magnetite and silver nanoparticles

Abstract

Geçmiş ısı transferi araştırmalarında, geleneksel olarak kullanılan su, yağ ve etilen glikol gibi sıvıların ısı aktarımını iyi ölçüde sağlayamadıkları kanıtlanmıştır. Fakat, birçok yüksek teknoloji endüstrisinde dikkate alınması gereken en önemli sorun bir taraftan ısı aktarımını sağlayan cihazların boyutlarının küçülmesini sağlamak diğer yandan da ısı akımını arttırmaktır. Alışılagelmiş ısı akışını iyileştirme teknikleri bu sorunları çözme konusunda başarısız olmaktadır. Bu yüzden, termal iletkenliği ve ısı transfer performansını arttırabilmek için, nanometre boyutunda sentezlenen katı parçacıklar geleneksel olarak ısı transferinde kullanılan sıvıların içinde dağıtılıp nano sıvılar hazırlanmaktadır. Bu çalışmada, gümüş ve magnetit nanoparçacıkların varlığında termal iletkenliğin artış mekanizması incelenmiştir. Geniş yüzey alanı ve yüksek elektrik ve termal iletkenliği olan, kolloid yapıdaki gümüş ve manyetik alan etkisi altında superparamanyetik özellik gösteren magnetit nanoparçacıklar termofiziksel özelliklerin araştırılmasında büyük ilgi çekmektedir. Bu amaçla, belirli boyut, şekil ve konsantrasyonda metal nanoparçacıklar sentezlenmiş, polar ve apolar solventlerde çözülmüş ve nanosıvılar elde edilmiştir. DLS ve TEM analizleri sonucunda sentezlenen hidrofilik ve hidrofobik gümüş ve magnetit nanoparçacıkların boyutlarının büyük ölçüde istenilen aralıklarda olduğu görülmüştür. İki nanoparçacığın da kristal yapıda oldukları XRD çalışmalarıyla kanıtlanmıştır. Karakterizasyon çalışmalarından sonraki aşamada, elde edilen nanosıvıların yoğunluk, viskozite ve termal iletkenlik ölçümleri yapılmıştır. Önceki araştırmaların çoğu ile örtüşecek şekilde, saf sıvıların viskozite ve yoğunluk değerleri nanoparçacıkların eklenmesi ile artış göstermiştir. Termal iletkenlik sonuçları nanoparçacıkların dağıtıldıkları sıvı ortamlarına göre farklılık göstermiştir. Apolar sıvı ortamında, termal iletkenliğin parçacık miktarıyla arttığı, buna karşın polar ortamda aynı miktar ve aynı tipteki parçacık için azaldığı gözlemlenmiştir.

Traditional heat transfer fluids such as water, oil and ethylene glycol mixtures were proven to be inherently poor heat transfer fluids by previous studies in this research area. However, in many high-technology industries, the most significant issue is to achieve the miniaturization of heat transfer devices on one hand and the increase in heat flux on the other. The usual enhancement techniques for heat transfer can hardly meet these challenges. Because of this, nanofluids are prepared by dispersing nanometer-sized solid particles in these traditional heat transfer fluids to increase the thermal conductivity and therefore the heat transfer performance. In this study, the mechanism of thermal conductivity enhancement of fluids in the presence of silver and magnetite nanoparticles is investigated. Colloidal silver with large surface area and high electrical and thermal conductivity and magnetite nanoparticles with superparamagnetic properties under applied external magnetic fields have attracted attention to study the thermophysical property enhancements. In order to achieve this, these metallic nanoparticles of known size, shape and concentration are synthesized and solubilized in polar and nonpolar solvents to obtain different nanofluids. Synthesized hydrophilic and hydrophobic silver and magnetite nanoparticles are found to have hydrodynamic diameters in considerable nanometer ranges and to be highly stable using Dynamic Light Scattering (DLS) and Transmission Electron Microscopy (TEM). Crystal structures of both nanoparticles are verified by X-Ray Diffraction (XRD) studies. The next step after characterization of nanoparticles is the measurement of thermophysical properties such as density, viscosity and thermal conductivity for all obtained nanofluids. Overlapping with the most previous studies, viscosity and density of base fluids indicate enhancements upon addition of nanoparticles. Thermal conductivity results vary depending on the type of dispersing medium. In nonpolar medium, thermal conductivity is found to increase with increasing the particle fraction; in contrast to that in polar medium, it is found to decrease for the same type of particle.