Grafen nano parçacıklarla katkılanmış farklı erime sıcaklıklarına sahip faz değişken malzeme kompozitlerin termal özelliklerinin belirlenmesi

Abstract

Faz değişken malzemelerin (FDM) bir termal enerji depolama ünitesi veya ısı enerjisi aktarma sisteminin ana bileşeni olarak geniş bir yelpazede çeşitli uygulamaları bulunmaktadır. İnşaat ve otomotiv sektörü başta olmak üzere elektronik, savunma ve uzay sanayisinde temel yapısal ve kontrol sistemlerinin ısıl şartlandırma malzemesi olarak enerjinin kısa süreli yada uzun süreli saklanmasını veya dengelenmesini sağlamak amaçlı kullanılmaktadır.Bir çok faz değişken malzemenin, farklı erime sıcaklıklarına sahip olarak üretilebilir olması ve sınıflandırılması, termal kontrol sistemlerinde mühendislerin esnek malzeme seçimini kolaylaştırmaktadır. Dolayısıyla bu malzemelerin erime ve donma işlemleri sırasında gerçekleşen faz değişim ısı enerjileri dediğimiz latent ısı enerji kapasitelerinden optimum seviyede faydalanmamızın araştırılması gerekmektedir. FDM' lerin çok dar sıcaklık aralığında ya da sabit varsayılan bir sıcaklıkta erirken aldıkları veya katılaşırken verdikleri faz değişim ısısı (Latent Isı) karekteristikleri temel alınarak, tasarlanan çok çeşitli enerji transfer veya ısı tasarruf ve kontrol mimarileri oluşturulmaktadır. Bu uygulama süreçleri planlanırken, çalışılacak parafin malzemelerin seçimi sırasında, FDM'nin ekonomik bulunabilirliği , en uygun operasyon sıcaklık noktası veya sıcaklık aralığı, Latent ısı kapasitesi ve ısıl iletkenlik katsayıları gibi etkenler göz önüne alınarak saptanır. Geniş sıcaklık yelpazesinde seçilen FDM malzemesinin erime ve donma latent (ısıl uyku) enerjisi 200 J/g mertebelerinde olduğu için çok tercih edilmekte olmasına karşın ısıl iletkenlik katsayısı 0,2 ve 0,4 W/m.K arasında bir değerdedir. Seçimi yapılan FDM' nin performansında en kritik özellik Latent ısı karekteristiği olmasının yanı sıra bir çok uygulamada bu latent ısı şartlarına erişim hızının ancak ısıl iletkenliği artırmakla mümkün olduğunu ve dolayısıyla buna yönelik iyileştirici çalışmalar yapmak gereği ortaya çıkmaktadır. Seçimi yapılan FDM' nin k; ısıl iletkenliğini artırmamız için kullanılan yöntemler son yıllarda özellikle enerji, malzeme ve nanoteknoloji alanlarında bilimsel çalışmaların en önemli konuları arasındadır. Değişik şekillerde ve içerikte kullanılmakta olan (FDM) organik -parafin faz değişken malzemelerden, istenilen termal denge koşullarında latent enerjilerinden maksimum yararlanmak için termal süreç iyileştirilmesi ve ısıl kapasite miktarı kullanımına bağlı olarak teorik ve deneysel hesaplamalar sonucu değişik tasarımlar yapılmıştır. FDM' lerin ısıl iletkenlik katsayısılarını artırmak için farklı yöntemler uygulana gelmiştir. Bunlardan en önemlileri, faz değişken malzemenin yüksek ısıl iletkenliğe sahip malzemeden üretilmiş konteyner kap içerisine konularak iletken ısıl temas yüzeylerinin artırıldığı düzeneklerdir. Bir diğer FDM modeli, yüksek ısıl iletkenlik katsayısına sahip olan kanatçık veya kafes materyali ile FDM birleşiminden oluşur. Bu sistemlerde yüksek ısıl iletkkenlik katsayısına sahip karbon, silikon veya metalden oluşturulmuş kafes malzemeler kullanılmıştır. En çok tercih edilen iyileştirme modeli ise, FDM' lere ısıl iletkenlik değeri yüksek, nano ölçekte parçacıklar (NP) katkılanarak elde edilen NP-FDM kompozit malzemesidir. Farklı konsantrasyonlarda ve farklı nano boyutlarda (1 ila 100nm) kalınlık veya çaplarda karbon tabanlı grafen nanoplakalar, nanotüpler ve nanofiberler katkılanarak, iletkenliği yüksek düzeydeki bu parçacıklarla oluşturulan NP-FDM kompozit malzemesinin istenilen ısıl performansta çalışması sağlanabilmektedir. Bizim çalışmamızda deneysel olarak karşılaştırdığımız üç farklı (42, 62 ve 82 oC) erime sıcaklığına sahip organik parafin faz değişken malzemelerle, üç farklı kalınlıkta grafen plakalar ve çok duvarlı karbon nano tüp ayrı ayrı katkılanarak nano parçacık kompozit malzemeler elde edilmiştir. Oluşturulan NP-FDM numunelerinin ısıl iletkenlik değerlerindeki değişim KD2 Pro iletkenlik ölçme cihazı ile saptanmıştır. Bu kompozit NP-FDM lerin ısıl performansları DSC (diferansiyel taramalı kalorimetre) ünitesinde yapılan deneylerle sıcaklık ve kullanım latent ısı kapasitelerindeki değişimler detaylı olarak karşılaştırılmıştır. Saf FDM lerin yüksek latent kapasitelerinden yararlanmak asıl amaç olduğundan, karbon nanoparçacık katkılanarak yaptığımız çeşitli deneylerde ısıl iletkenlik değeri artırılırken, latent faz değişim ısı enerji kapasitesinin analizleri, FDM' ye katkılanan nano parçacık boyutu, şekli ve miktarlarına bağlı olarak nasıl değiştiği, elde edilen deneysel veriler ışığında tartışılmıştır. Bu çalışmada A82 parafin FDM' ye katkılanan 3 tip grafen nano plakalardan optimum GNP boyutu belirlenerek, A42, A62 ve A82 saf parafin malzemesine katkılanarak GNP ve MWCNT davranışları her üç FDM için karşılaştırmalı olarak incelenerek hangi ısıl özelliklerde uygulanabilirliğine yönelik ayrıntılı bir inceleme sunulmuştur. Yapılan deneylerde belirlenen parafin FDM lerdeki ısıl iletkenlik performansını artıran en iyi nano parçacık GNP(6-8nm) saptanmıştır. A82 için ısıl iletkenlik katsayısı değerini %154 artırmış, A62 için %221 ve A42 FDM için %218 iyileştirme değerleri bulunmuştur. Anahtar kelimeler: Grafen Nano Plaka, Karbon Nano Tüp, Isıl iletkenlik, Latent Enerji, Fazdeğişken Malzemeler, Parafin

Phase changeable materials (PCM) have a wide range of applications as a thermal energy storage unit or as the main component of the heat energy transfer system. In recent years, storage of thermal energy has become a very important topic in many engineering applications and has been the subject of a great deal of research activity.It is mainly used in the construction and automotive sector, as a thermal conditioning material for basic systems and control systems in the electronics, defense and space industries. It is used for long term storage or balancing of energy.The production and classification of many phase-change materials with different melting temperatures facilitates the selection of flexible materials for engineers in thermal control systems. Therefore, it is necessary to investigate whether these materials utilize the latent heat energy capacities of melting and freezing phase change heat capacities at the optimum level.A wide variety of energy transfer or heat saving and control architectures are being designed, based on the PCM's characteristics of very low temperature range, or phase change heat (Latent Heat) that they acquire or solidify when cooled at a fixed temperature. During the selection of the paraffin materials to be worked out, the economical availability of PCM is determined by taking into account such factors as the optimal operating temperature or temperature range, latent heat capacity and thermal conductivity coefficients, while planning these adaptation processes. The thermal conductivity coefficient is a value between 0,2 and 0,4 W / mK, although the melting and freezing latent (thermal sleep) energy of the selected PCM material in the wide temperature range is 200 J / g. The most critical feature in the performance of the selected PCM in addition to being a latent heat characteristic, in many applications it appears that the rate of access to these latent heat conditions is only possible by increasing the thermal conductivity, and therefore, to carry out remedial work for it. There are various types of phase change materials commercially being used in several applications; paraffins are the most commonly used, as they show good storage density with respect to mass, and start to melt/solidify congruently without any sub cooling. The methods used to increase the thermal conductivity are among the most important topics of scientific studies in recent years. Different forms of phase-change materials based on organic paraffin-based (PCM) materials used in different shapes and compositions have been theoretically and experimentally calculated depending on the use of thermal process improvement and the amount of thermal capacity to maximize latent energies in the desired thermal equilibrium conditions.Different methods have been applied to increase the thermal conductivity coefficients of PCMs. The most important of these are the arrangements in which the conductive thermal contact surfaces are increased by placing the phase-variable material in a container container manufactured from material having high thermal conductivity. Another PCM model consists of a combination of a fin or a lattice material with high thermal conductivity and PCM. In these systems, cage materials made of carbon, silicon or metal with high heat transfer coefficient are used. The most preferred model is NP-PCM composite material obtained by adding high nanoscale particles (NP) to PCM's thermal conductivity value. By combining carbon-based grafhene nanoplates, nanotubes and nanofibers at different concentrations and different nano sizes (1 to 100 nm) thickness or diameter, the desired thermal performance of NP-PCM composite material formed with these highly conductive particles can be achieved. Experimental comparison of three different (42, 62 and 82 oC) melting temperature organic paraffin phase variable materials, three different thickness of graphene plates and multiwalled carbon nanotubes were obtained separately to obtain nanoparticle composite materials. The change in the thermal conductivity values of the experimentally generated NP-PCM samples was determined with the KD2 Pro conductivity meter. The thermal performances of these composite NP-PCMs were compared in detail to the changes in temperature, enthalpy, and latent heat capacities of use by experiments performed in the DSC (differential scanning calorimeter) unit. Since the main purpose of utilizing the high latent capacities of pure PCMs is to increase the thermal conductivity in various experiments we have made by adding carbon nanoparticles, the latent phase change is discussed in the experimental data of how the thermal energy capacity changes with the size, shape and amount of the added particles. In this study, thermal behaviors varying with the doped nanoparticles ( 3 types of Grafen and 1 type of Mwcnt ) of PCM pure paraffin materials in three different properties are examined comparatively and a methodical approach to their applicability to thermal properties is presented.Key words: Graphen Nano Plate, Carbon Nano Tube , Multi Layer GNP, Thermal conductivity, Latent Heat, Phase Changeable Material, Paraffine