Nanoakışkanların ısıl iletkenliklerinin ölçülmesi

Abstract

Yıllardır ısı bilimi ve ısı mühendisleri, ısı transferini artırmak için büyük çabaharcamışlardır. Bunun temel nedeni mevcut enerji kaynaklarını daha verimlikullanma ihtiyacıdır. Geçtiğimiz birkaç yüzyıldır ısı transferi konusundakiçalışmalar ısı transferini geliştirecek yeni metodlar üzerinde yoğunlaşmıştır. Bunaen iyi örnek akışkanların ısıl iletkenliklerini artırmak için metalik parçacıklarınkatılmasıdır. Son yıllarda, nanoteknolojinin hızlı gelişimi ve yaygın uygulama alanıbulmasının bir sonucu olarak da ısıl transferini iyileştirmek amacı ile akışkanlarıniçerisine nano boyuttaki parçacıklar (nanoparçacıklar) katılmaktadır ve bu konudayapılan çalışmaların sayısı şaşırtıcı bir hızla artmaktadır. İçerisine bu parçacıklarınkatıldığı akışkanlar nanoakışkanlar ? nanofluids? olarak adlandırılmaktadır. Katı birmetalin ısıl iletkenliği, içine katıldığı temel akışkanınkinden daha yüksek olduğuiçin, metalik parçacıkların akışkan içerisine katılması karışımın ısıl iletkenliğiniarttırmaktadır.Bu çalışmada, iki farklı metodla hazırlanan farklı boyutlardaki bakır (Cu) ve gümüş(Ag) nanoparçacıkların, nanoakışkanın ısı transferine etkileri incelenmiştir. Buamaçla, öncelikle sıcak tel yöntemini kullanarak nanoakışkanların ısıl iletkenikkatsayısını ölçebilen bilgisayar kontrollü bir deney düzeneği hazırlandı. Cu ve Agnanoparçacıklar hazırlanması için ise asal gaz ile yoğunlaştırma ve mekaniköğütme yöntemleri kullanıldı. Asal gaz ile yoğunlaştırma sistemi, mevcut ısılbuharlaştırma sistemi yeniden düzenlenerek geliştirildi. Mekanik öğütme yöntemiiçin ise gezegensel öğütme metodunu kullanan Retch marka bilyeli değirmenkullanıldı.Sıcak tel yöntemi temel alınarak kurulan ısıl iletkenlik ölçüm sisteminin bilgisayarkontrolü için, LabVIEW tabanlı bir bilgisayar programı yazıldı. Saf su ve % 99.9saflıkta 2-propanol alkolün oda sıcaklığında yapılan ısıl iletkenlik ölçümlerisonucunda ısıl iletkenlik katsayıları sırası ile 0,602 Wm-1K-1 ve 0,139 Wm-1K-1olarak ölçülmüştür. Bu değerler literatürdeki değerlerle karşılaştırıldığında ölçümsisteminin doğruluğu % 0,7 olarak, yapılan farklı ölçümler sonucunda isetekrarlanabilirlik %1 olarak hesaplanmıştır. Nanoakışkanların ısıl iletimkatsayılarının ölçümleri için farklı parçacık boyutunda Ag ve Cu nanoparçacıklarhazırlanmıştır. X-ışınları toz difraksiyonu ölçüm sonuçlarından, hazırlanannanoparçacıkların parçacık boyutları hesaplanmıştır. Parçacık boyutunun hesaplanmasıiçin Willamson Hall bağıntısı kullanılmıştır. Mekanik öğütme yöntemi ilehazırlanan nanoparçacıkların parçacık dağılımının homojen olmadığı gözlenmiştir.% 99,9 saflıkta ve 1 Torr basınçlı Ar atmosferindeki ısısal buharlaştırmasisteminde, pota ile örnek toplanan yüzey arasındaki mesafe değiştirilerek 20,06 ±1,44 nm ve 24,58 ± 0,14 nm boyutlarında Cu nanoparçacıklar, 18,23 ± 1,16 nmboyutlarında ise Ag nanoparçacıklar hazırlanmıştır.% 99,9 saflıkta 80 ml 2-propanol alkol içerisine % 0,4, % 0,7 ve % 1,5 hacimseloranlarında ve 18,23 ± 1,16 nm ortalama boyutlarında Ag nanoparçacıklareklenmiştir. Akışkanın ısıl iletim katsayısı 25 °C' de sırası ile 0,308 ± 0,050Wm-1K-1, 0,350 ± 0,050 Wm-1K-1, 0,403 ± 0,050 Wm-1K-1 olarak ölçülmüştür. Farklıolarak % 99,9 saflıkta 80 ml 2-proponal içerisine de % 0,3, % 0,7, % 1,4 ve % 1,5hacimsel oranlarında 24,58 ± 0,14 nm ortalama boyutlarında Cu nanoparçacıklareklenmiş ve akışkanın ısıl iletim katsayısı 25 °C' de sırasıyla 0,275 ± 0,050Wm-1K-1, 0,327 ± 0,050 Wm-1K-1, 0,398 ± 0,050 Wm-1K-1, 0,393 ± 0,050 Wm-1K-1olarak ölçülmüştür. Ag ve Cu nanoparçacıklar katılarak hazırlanannanoakışkanların 25 °C' de yapılan ısıl iletim katsayısı ölçümlerinde akışkanın ısıliletiminde artış olduğu gözlenmiştir. Bu artışın akışkana katkılanan nanoparçacıklarınakışkan içerisindeki hacimsel oranlarına göre değiştiği ve küreselparçacıklar için geçerli olan Hamilton-Crosser ve Maxwell modelleri ile uyuştuğubelirlenmiştir. Ancak yaklaşık %1,5 ve üzeri hacimsel oranlarda yapılan ölçümsonuçlarından modelden sapmalar ve ısıl iletkenlik katsayısında artışın olmadığıgözlenmiştir.Anahtar Kelimeler: Nanoparçacıklar, ısıl iletkenlik, ısıl iletkenlik ölçüm sistemi,nanoakışkanlar.

There have been lots of efforts for the enhcancement of heat transfer for manyyears. The main reason of these trials stems from the neccessity of using energysources more efficiently. In the previous several decades, researchers have beenconcentrated on the new methods which develop the currently used heat transferenhancement techniques. One of the best examples of these methods is theaddition of metallic particles in fluids. As a result of the fast development andcommon application of nanotechnology, nanometer particles ( nanoparticles ) havebeen used in suspension in conventional heat transfer fluids for improving thethermal conductivity of fluids. The studies on this subject increase amazingly in therecent years. These solid particles suspended in fluids are called as ?nanofluids?.Since a solid metal has a larger thermal conductivity than that of a base fluid, thesuspension of fine metallic solid particles into the base fluid is expected to improvethe thermal conductivity of the base fluid.In this study, the variation of thermal conductivity of nanofluids by suspendingcopper (Cu) and silver (Ag) nanoparticles, which were prepared by two differentmethods, are investigated. For this purpose a thermal conductivity of nanofluidsmeasurement system, which is computerized, was designed and constructed bydeveloping from hot-wire technique. Inert-gas condensation and mechanicalgrinding method were used for preparing Cu and Ag nanoparticles. Inert-gascondensation system was used by developing the existing thermal evaporationsystem. For mechanical grinding method, centrifugal ball mill (Retsch, Germany),which consists of planet-like movement method, was used, too.Software for computerizing the constructed thermal conductivity mesurementsystem, which is the basis on hot-wire technique, was compiled and developed byLabVIEW. At room temperature, the thermal conductivity of pure water and 2-propanol alcohol, purity, which is better than 99.9%, is measured as 0.602Wm-1K-1 and 0.139 Wm-1K-1, respectively. As these values were compared withliterature values, it was concluded that system is 0.1% reproducible of andaccuracy is 0.7%. Ag and Cu nanoparticles were produced different particle size tomeasure enhancement of thermal conductivity of nanofluids. X-ray diffraction(XRD) methods were used to calculate the size of produced nanoparticles. Fordetermining particle size, Willamson Hall equation was used. We observed thatparticle distribution of nanoparticles produced by mechanical grinding wasnonhomogeneous. 20.06 ± 1.44 and 24.58 ± 0.14 nm diameter Cu nanoparticlesand 18.23 ± 1.16 nm diameter Ag nanoparticles were produced by changingdistance of difference between crucible and cold head.18.23 ± 1.16 nm diameter Ag nanoparticles were suspended in 80 ml 2-propanolalcohol, 99.9% purity as 0.4%, 0.7% and 1.5% volume fraction. The fluids ofthermal conductivity was measured 0.308 ± 0.050 Wm-1K-1, 0.350 ± 0.050Wm-1K-1, 0.403 ± 0.050 Wm-1K-1, respectively. On the other hand, 24.58 ± 0.14 nmdiameter Cu nanoparticles were suspended in 80ml 2-propanol alcohol, 99.9%purity as 0.3%, 0.7%, 1.4% and 1.5% volume fraction and the fluids of thermalconductivity was measured 0.275 ± 0.050 Wm-1K-1, 0.327 ± 0.050 Wm-1K-1, 0.398± 0.050 Wm-1K-1, 0.393 ± 0.050 Wm-1K-1 at 25 ºC, respectively. Improving thethermal conductivity of that fluid by suspended Ag and Cu nanoparticles wasobserved by measuring thermal conductivity at 25 ºC.Enhancing heat transfer performance of base fluid was dependent on volumefraction of particles and this result can be predicted accurately by the modelequation of Hamilton and Crosser for the spherical nanoparticles. But the effectivethermal conductivities of the nanofluids show no anomalous enhancements and donot harmonize with these models nearly over 1.5% of volume fraction.Keywords: Nanoparticles, thermal conductivity, thermal conductivitymeasurement system, nanofluids.