Helisel Kanatçıklara Sahip Bir Boruda Nanoakışkan Kullanımının ve Helisel Kanatçık Sayısının Değişiminin Isı Transferi Üzerindeki Etkilerinin İncelenmesi

Öz

Bu çalışmada iç yüzeyinde helisel kanatçıklara sahip bir boruda nanoakışkan kullanımının ısı transferi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu kapsamda kanatçıksız, tek helisel kanatçıklı, çift helisel kanatçıklı ve üç helisel kanatçıklı boru olmak üzere dört model geometrisi belirlenmiştir. Borunun içerisinden sabit giriş sıcaklığına sahip hBN-su (hekzagonal bor nitrür-su) nanoakışkanı geçtiği, boru yüzeylerine ise sabit ısı akısı uygulandığı varsayılmıştır. Baz akışkan olarak kullanılan suyun içerisine hacimsel olarak %0, %0,5, %1, %1,5, %2 ve %2,5 oranında hBN nano partikülü katıldığı düşünülmüştür. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği yardımıyla sayısal analizler gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın sonucunda kanatçık sayısının ve nanoakışkanın karışım oranının artırılmasıyla ortalama akışkan sıcaklığının, ısı taşınım katsayısının ve Nusselt sayısının arttığı görülmüştür. En düşük Nusselt sayısı kanatçıksız borudan su aktığı durumda 25,93 olarak, en yüksek Nusselt sayısı ise üç helisel kanatçık ve %2,5 hacimsel karışım olduğu durumda 97,036 olarak belirlenmiştir. Dolayısıyla bir boru içerisine helisel kanatçık eklemenin ve hBN-su nanoakışkanı kullanımının ısı transferi üzerinde olumlu yönde etkisi olduğu gözlemlenmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Nanoakışkan
• HBN
• Isı transferi
• HAD

Investigation of the Effects of Nanofluid Usage and Variation of Helical Fin Number on Heat Transfer in a Pipe With Helical Fins

Öz

In this study, the effects of nanofluid usage on heat transfer in a pipe with helical fins on its inner surface were investigated. In this context, four model geometries were determined as finless, single helical fin, double helical fin and triple helical fin tube. It is assumed that hBN-water (hexagonal boron nitride-water) nanofluid with constant inlet temperature passes through the pipe, and a constant heat flux is applied to the pipe surfaces. Water was used as the base fluid. 0%, 0.5%, 1%, 1.5%, 2% and 2.5% hBN nanoparticles were added to the water. Numerical analyses were carried out with the help of Computational Fluid Dynamics. As a result of the study, it was observed that the average fluid temperature, heat transfer coefficient and Nusselt number increased with increasing the number of fins and the mixing ratio of the nanofluid. The lowest Nusselt number was determined as 25.93 in the case of water flowing from the finless pipe, and the highest Nusselt number was determined as 97,036 in the case of three helical fins and 2.5% volumetric mixture. Therefore, it was observed that adding helical fins to a pipe and using hBN-water nanofluid had a positive effect on heat transfer.

Anahtar Kelimeler

• Nanofluids
• HBN
• Heat Transfer
• CFD

Kaynakça

1. [1] E. Çiftçi, A. Sözen, E. Karaman, “TiO2 İçeren Nanoakışkan Kullanımının Isı Borusu Performansına Etkisinin Deneysel Olarak İncelenmesi”, Politeknik Dergisi, vol.19, no. 3, pp 367-376, 2016.
2. [2] E.B. Elçioğlu, A.G. Yazıcıoğlu, S. Kakaç, “Nanoakışkan Viskozitesinin Karşılaştırmalı Değerlendirmesi”, Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, vol. 34, no.1, pp 137-151, 2014.
3. [3] B. Jalili, N. Aghaee, P. Jalili, D.D. Ganji, “Novel usage of the curved rectangular fin on the heat transfer of a double-pipe heat exchanger with a nanofluid”, Case Studies in Thermal Engineering, vol. 35, 102086, 2022.
4. [4] N.B. Ziyadanoğulları, H.L. Yücel, “Al2O3-Su Nanoakışkanı İle Isı Transferinin İyileştirilmesi”, Batman University Journal of Life Sciences, vol. 7, no. 2/2, pp. 253-260, 2017
5. [5] M. Kahveci, T. Koca, “Plaka Tip Isı Değiştiricide Grafit/Saf Su Nanoakışkan Kullanımının Isıl Performansa Etkisi”, European Journal of Science and Technology, no. 25, pp. 400-405, August 2021
6. [6] M. Tekir, M. Bayat, K. Arslan, “Energy, Entropy and Exergy Analyses of Hybrid Nanofluid Flow in a Trapezoidal Channel”, Mugla Journal of Science and Technology, vol. 7, no. 1, pp. 106-116, 2021.
7. [7] N. Tokgoz, V. Ozbolat, B. Sahin, “Investigation of Heat Transfer Enhancement by Using Al2O3/Water Nanofluid in Rectangular Corrugated Channel”, KSU. Journal of Engineering Sciences, vol. 19, no. 2, pp. 42-51, 2016.
8. [8] S. Akçay, Ü. Akdağ, O. Hacıhafızoğlu, D. Demiral, “Boru demeti üzerinden geçen Al2O3-su nanoakışkanın pulsatif akışının ısı transferine etkisi”, DÜMF Mühendislik Dergisi, vol.10, no. 2, pp. 621-631, 2019.

9. [9] K. Yu, C. Park, S. Kim, H. Song, H. Jeong, “CFD Analysis of nanofluid forced convection heat transport in laminar flow through a compact pipe”, Journal of Physics: Conference Series, pp. 1-7, 2017.
10. [10] M.M. Rahman, M.M. Billah, A.T.M.M. Rahman, M.A. Kalam, A. Ahsan, “Numerical investigation of heat transfer enhancement of nanofluids in an inclined lid-driven triangular enclosure”, International Communications in Heat and Mass Transfer, vol. 38, no. 10, pp. 1360–1367, August 2011.
11. [11] M. Sheikholeslami, M. Jafaryar, Ahmad Shafee, Zhixiong Li, Rizwan-ul Haq, “Heat transfer of nanoparticles employing innovative turbulator considering entropy generation”, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 136, pp. 1233–1240, 2019.
12. [12] S.R. Hosseini, M. Sheikholeslami, M. Ghasemian, D.D. Ganji, “Nanofluid heat transfer analysis in a microchannel heat sink (MCHS) under the effect of magnetic field by means of KKL model”, Powder Technology, vol. 324, pp. 36–47, 2018.
13. [13] K. Karabulut, E. Buyruk, F. Kılınç, “Grafen Oksit Nanoparçacıkları İçeren Nanoakışkanın Taşınım Isı Transferi ve Basınç Düşüşü Artışı Üzerindeki Etkisinin Düz Bir Boruda Deneysel Olarak Araştırılması”, Mühendis ve Makine, vol. 59, no. 690, pp. 45-67, 2018.
14. [14] S.E. Ghasemi, A.A. Ranjbar, “Thermal performance analysis of solar parabolic trough collector using nanofluid as working fluid: A CFD modelling study”, Journal of Molecular Liquids, vol. 222, pp. 159–166, 2016.
15. [15] U. Demir, “Mini Kanalda Nanoakışkan Kullanımının Isı Transferine Etkisinin Deneysel ve Sayısal Olarak İncelenmesi”, Yüksek Lisans Tezi, Makine Mühendisliği A.B.D, Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Zonguldak, 2019.