Dairesel bir Mikrokanalda SiO2 Nanoakışkanların Isı Transferi ve Basınç Düşümü Karakteristiklerinin İncelenmesi

Abstract

Endüstriyel uygulamalarda ısı transferinin artırılması sıkça karşılaşılan ve sürekli geliştirme ihtiyacı duyulan bir mühendislik problemidir. Son yıllarda ısı transferi iyileştirmesinde sıklıkla kullanılan bir yöntem de nanoakışkan kullanımıdır. İş yapan akışkan içerisine nanometre boyutlarında partiküllerin eklenmesi, akışkanın ısı transferi performansını artıran bir uygulamadır. Bu çalışmada, sabit ısı akısı sınır şartlarında, 700 µm çapında dairesel bir mikrokanalda SiO₂-saf su nanoakışkanlarının ısıl performansları ve basınç düşümleri deneysel olarak incelenmiştir. Çalışmada %0.2, %0.4, %0.8 ve %1.2 hacimsel orandaki nanoakışkanlar, saf suya 15 nm partikül çapında SiO₂ nanopartikülleri ilave edilerek hazırlanmıştır. Sıcaklık, debi ve basınç ölçümleriyle ısı taşınım katsayısı, Nusselt sayısı, basınç düşümü ve sürtünme faktörü değerleri belirlenmiştir.  Ayrıca ısıl performans ve basınç düşümü analizleri için gerekli olan ısıl iletkenlik ve viskozite özellikleri deneysel olarak saptanmıştır. Çalışma sonucunda Nusselt sayısının Reynolds sayısı ve partikülün hacimsel oranındaki artışla arttığı gözlenmiştir. Nanoakışkan kullanımıyla maksimum ısı transferi artışı Re = 2160 civarında ve %1.2 hacimsel oranda saf suya göre yaklaşık % 20 civarında olmuştur. Yüksek Reynolds sayılarında tüm akışkanların sürtünme faktörü değerleri birbirine çok yakın iken, Reynolds sayısı azaldıkça hacimsel partikül oranının sürtünme faktörün üzerindeki etkisi daha belirgin hale gelmiştir. Bütün hacimsel oranlarda nanoakışkanların sürtünme faktörü değerinin saf su sürtünme faktörü değerinden yüksek olduğu belirlenmiştir.

Keywords

• Nanoakışkan,mikrokanal,ısı transferi,SiO2,basınç düşümü

Investigation of Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of SiO2 Nanofluids in a Circular Microchannel

Abstract

Increasing the heat transfer in industrial applications is a frequently encountered engineering problem that requires continuous improvement. In recent years, a commonly used method of heat transfer enhancement is the useing nanofluids. Adding nanometer-sized particles into the working fluid is an application that improves the heat transfer performance of the fluid. In this work, thermal performance and pressure drops of SiO₂-pure water nanofluids in a circular microchannel with a diameter of 700 μm were investigated experimentally under constant heat flow boundary conditions. In the study, volumetric ratios of nanofluids were 0.2%, 0.4%, 0.8% and 1.2%.  These nanofluids were prepared by adding SiO₂ nanoparticles of 15 nm particle diameter to purified water. The values ​​of heat transfer coefficient, Nusselt number, pressure drop and friction factor were determined with temperature, flow rate and pressure measurements. In addition, the thermal conductivity and viscosity properties required for thermal performance and pressure drop analysis have been experimentally determined. As a result, it was observed that Nusselt number increased with increasing Reynolds number and volumetric ratio of particle. With the use of nanofluid, the maximum heat transfer enhancement was about 20% at Re = 2160 and 1.2% particle volume fraction compared to pure water. While the friction factor values ​​of all fluids were very close to each other in the high Reynolds numbers, the effect of the volumetric particle ratio on the friction factor became more clear as the Reynolds number decreased. At all volume ratios it was determined that the friction factor value of the nanofluids is higher than the pure water friction factor value.

Keywords

• Nanoparticle,microchannel,heat transfer,SiO2,pressure drop

References

1. Angayarkanni SA, Philip J, 2015. Review on Thermal Properties of Nanofluids: Recent Developments. Advances in Colloid and Interface Science, 225: 146-176.
2. Avcı M, 2008. Mikrokanallarda akış ve ısı transferi. Karadeniz Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi (Basılmış).
3. Azmi WH, Sharma KV, Mamat R, Alias ABS, Izwan MI, 2012. Correlations for Thermal Conductivity and Viscosity of Water Based Nanofluids. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 5–7 December 2011, Pahang, Malaysia, 36: 1-6.
4. Chein R, Chuang J, 2007. Experimental Microchannel Heat Sink Performance Studies Using Nanofluids. International Journal of Thermal Sciences, 46: 57-66.
5. Daungthongsuk W, Wongwises S, 2007. A Critical Review of Convective Heat Transfer of Nanofluids. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 11: 797-817.
6. Drzazga M, Lemanowıcz M, Dzıdo G, Gıerczyckı A, 2012. Preparation of Metal Oxide-Water Nanofluids by Two-Step Method. Inżynieria i Aparatura Chemiczna, 51(5): 213-215.
7. Hausen H, 1959. New Equations for Heat Transfer in Free or Forced Flow. Allg. Warmetechnik, 9(4/5): 75-79.
8. Ijam A, Saidur R, Ganesan P, 2012. Cooling of Minichannel Heat Sink Using Nanofluids. International Communications in Heat and Mass Transfer, 39: 1188-94.

9. Incropera FP, DeWitt DP, 1996. Fundamentals of Heat and Mass Transfer, John Wiley & Sons Publications 4th Edition, pp. 424-445, NewYork-USA.
10. Laohalertdecha S, Naphon P, Wongwises S, 2007. A Review of Electrohydrodynamic Enhancement of Heat Transfer. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 11(5): 858-876.
11. Li Y, Zhou J, Tung S, Schneider E, Xi S, 2009. A Review on Development of Nanofluid Preparation and Characterization. Powder Technology, 196: 89-101.
12. Mandev E, 2017. Mikrokanallarda Nanoakışkanların Karma Taşınımla Isı Transferi Karakteristiklerinin Deneysel Olarak İncelenmesi. Erzurum Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi (Basılmış).
13. Maradiya C, Vadher J, Agarwal R, 2018. The Heat Transfer Enhancement Techniques and Their Thermal Performance Factor. Beni-Suef University Journal of Basic and Applied Sciences, 7(1): 1-21.
14. Sheikholeslami M, Gorji-Bandpy M, Ganji DD, 2015. Review of Heat Transfer Enhancement Methods: Focus on Passive Methods Using Swirl Flow Devices. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 49: 444-469.
15. Tuckerman DB, Pease RFW, 1981. High-Performance Heat Sinking for VLSI. Electron Device Letters, 2(5): 126-129.
16. Wu X, Wu H, Cheng P, 2009. Pressure Drop and Heat Transfer of Al2O3-H2O Nanofluids Through Silicon Microchannels. Journal of Micromechanics and Microengineering, 19(10).