Spinal Oksit Nano Akışkanının Isı İletim Katsayısının Belirlenmesi

Eş merkezli silindirik metoda göre Spinaloksit nano akışkanının ısı iletim katsayısının belirlenmesi için deneyler yapılmıştır. Sulu ısı transferinin gerçekleştiği sistemlerin verimini %20’ye yakın artırmak mümkün…

Yapılan deneylerin sonucunda, soğutma suyu debisinin 30 g/s’den küçük olması durumunda ısı iletim katsayısının gerçek değerinden daha düşük çıktığı gözlemlenmiştir. Tasarımı ve imalatı yapılan deney setinin doğruluğu 30 g/s soğutucu debisinde elde edilmiştir.Daha sonra spinaloksit nanoakışkanı ile soğutucu akışkan debisi 30 g/s’de ve deney setinin ısıtıcı gücü saf su ile yapılan deneylerde olduğu gibi 28 W – 115 W arasındaki güç değerleri ile deneyler tekrarlanmıştır. Deney sonuçlarına göre ısı iletim katsayıları hesaplanmıştır. Spinal oksit nano akışkanının ısı iletim katsayısının belirlenmesi ile saf su ve spinal oksit sıvısının ısı iletim katsayısının, literatürdeki saf su ısı iletim katsayısına göre 17 – 20 %  daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir.

1. GİRİŞ

Termodinamikte bir sistemin konumunu belirlemek için kullanılan enerji, yoktan var edilemez var iken yok edilemez fakat bir formdan diğer bir forma geçiş yapabilir. Termodinamik bilimi ısı ve enerjinin formları ile ilgilenirken, ısı transferi bilimi ise sistem içinde yer alan ısı geçişi ile ilgilenir. Isı akışı ile olan enerji transferi doğrudan ölçülmez fakat ölçülebilen bir büyüklük olan sıcaklık ile ilişkilendirildiğinde anlam kazanır. Bir sistemde sıcaklık farkı olduğunda, ısı yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa doğru akar. Sistem içinde bir sıcaklık farkı oluştuğunda bir ısı akışı söz konusu olduğundan, sistemin sıcaklık dağılımının bilinmesi önem kazanır. Sıcaklık dağılımı bilindiğinde, birim zamanda birim alana düşen ısı akısı hesaplanabilir.

Termodinamik bilimi ısı ve enerjinin formları ile ilgilenirken, ısı transferi bilimi ise sistem içinde yer alan ısı geçişi ile ilgilenir. Isı akışı ile olan enerji transferi doğrudan ölçülmez fakat ölçülebilen bir büyüklük olan sıcaklık ile ilişkilendirildiğinde anlam kazanır. Bir sistemde sıcaklık farkı olduğunda, ısı yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa doğru akar. Sistem içinde bir sıcaklık farkı oluştuğunda bir ısı akışı söz konusu olduğundan, sistemin sıcaklık dağılımının bilinmesi önem kazanır. Sıcaklık dağılımı bilindiğinde, birim zamanda birim alana düşen ısı akısı hesaplanabilir.

Isı geçişinin üç ana formu vardır; iletim, taşınım ve ışınımdır. Isı iletimi; bir katı malzeme veya durgun akışkan içerisindeki sıcak bir bölgeden daha soğuk bir bölgeye doğru ısının geçmesidir. Bir katı cisim içinde sıcaklık farkları varsa yüksek sıcaklık bölgesinden düşük sıcaklık bölgesine ısı, iletim yolu ile geçer. İletimle ısı geçişi deneysel gözlemlere dayanan Fourier kanunu ile belirlenir. Spinal oksit nano akışkanının ısı iletim katsayısının belirlenmesi deneyleri bu kanuna göre yapılmıştır.

1.1. Isı İletim Katsayısı

Isı iletim katsayısı büyük olan maddeler ısıyı çabuk iletir, küçük olanlar daha geç iletir. Gümüş, bakır, altın ve alüminyum gibi elektrik akımını iyi ileten maddeler aynı zamanda ısıyı da iyi ilettiklerinden bu metallerin ısı iletim katsayıları büyüktür. Lastik, tahta, cam ve yün gibi maddeler ısıyı iyi iletemedikleri için ısı iletim katsayıları küçüktür. Ayrıca maddenin fiziksel bir özelliği olan ısı iletim katsayısı genel olarak maddenin cinsine, sıcaklığına, kalınlığına ve basınca bağlıdır. Gazların ısı iletim katsayıları; sıcaklık arttıkça artar, çok yüksek ve düşük basınçlar dışında pratik olarak basınca bağlı değildir. Sıvıların ısı iletim katsayıları; su ve gliserin dışında artan sıcaklıkla azalır ve değeri 0,07-0,7 W/mK arasında değişir. Katıların (inşaat ve ısı yalıtım malzemelerinin) ısı iletim katsayıları artan sıcaklıkla artar. Genellikle yoğunluğu fazla olan malzemelerin ısı iletim katsayıları büyüktür. Isı iletim katsayısı malzemenin yapısına, gözenekliliğine ve nemliliğine de bağlıdır. Nemli bir malzemenin ısı iletim katsayısı, kuru malzemenin ve suyun ısı iletim katsayılarından daha büyük olabilir.

1.2. Sıvıların Isı İletim Katsayısı

Isı iletim katsayısı, bir maddenin ölçülmesi zor olan özelliklerinden birisidir. Özellikle, ölçüm esnasında taşınım hareketinin oluşturduğu ısı transferinin hesaplanması veya ihmal edilmesinin gerekliliğinden dolayı sıvıların ısı iletim katsayısının ölçülmesi daha da zordur. Sıvıların ısı iletim katsayısının belirlenmesinde kullanılan metotlar, kararlı ve kararsız rejim veya geçici rejim metotları olarak iki ana grupta sınıflandırılabilir.

1.2.1. Metod

  • Paralel plaka, eş eksenli silindir, eş eksenli küre metotları ve diferansiyel kalorimetre kullanımı kararlı rejim metotları olarak,
  • Isıtma veya soğutma eğrileri, ısıl iletkenlik prob’u, sıcak tel, sıcaklık karşılaştırma metodu, dondurarak kurutma, grafiksel ve nümerik metotlar ise kararsız rejim metotları olarak gruplandırılmaktadır.

Kararlı rejimde, numune içerisinde herhangi bir noktanın ölçülen sıcaklığı zamandan bağımsız, kararsız rejimde ise belirlenmiş zaman aralıklarında ölçülen sıcaklıklara bağlı olarak ısı iletim katsayısı hesaplanmaktadır.

1.3. Spinal Oksit

Bu çalışmada, Spinal oksit nano akışkanının ısı iletim katsayısının belirlenmesi silindirik metod yoluyla belirlenmiştir. Tasarımı ve imalatı yapılan deney setinin doğruluğunu belirlemek için öncelikle ısı iletim katsayısı bilinen saf su kullanılarak deneyler yapılmış ve deney setinin doğruluğu belirlendikten sonra spinal oksit nanoakışkanı ile aynı şartlarda deneyler yapılarak spinaloksit nanoakışkanının ısı iletim katsayısı belirlenmiştir. Elde edilen veriler kullanılarak safsu ile spinaloksitnanoakışkanının ısı iletim katsayıları grafiklerle karşılaştırılmıştır.

1.4. Literatür

Literatürde, genellikle gıda endüstrisinde ham maddelerin işlenmesi ve ürünlerin depolanması sırasında gıda maddelerinin özelliklerinin sıcaklıkla değişiminin bilinmesi zorunluluğu nedeniyle ham maddelerin ve ürünlerin sıcaklıkla fiziksel özelliklerindeki değişim üzerine çalışmalar yapılmıştır [1].

Spinal oksit nano akışkanının ısı iletim katsayısının belirlenmesi ile ilgili literatürde herhangi

1.5. Elma Suyu

Azoubel ve arkadaşları: “Elma suyunun termofiziksel özelliklerine konsantrasyonun etkisi” konulu bir çalışma yapmışlar ve ısı iletim katsayısı ve ısıl yayınım katsayısını ölçebilmek amacıyla Choi ve Okos tarafından geliştirilen ölçme probu kullanmışlardır. Elma suyu şeker, mineral tuz, organik asit ve aminoasit içeren bir karışımdır. Yapılan deneysel çalışmanın sonucunda; elma suyunun fiziksel özelliklerinin konsantrasyona bağlı olduğu bulunmuştur. Su içerisindeki katı oranının artmasıyla ısı iletim katsayısı ve ısıl yayınım katsayısı düşmüş, yoğunluk ve viskozite artmıştır [2].

1.6. Portakal Suyu

Romero ve ark. portakal suyunun termofiziksel özelliklerine, sıcaklığın ve su miktarının etkisini incelemişlerdir. Isı iletim katsayısının ölçümü için silindirik metoda göre ölçüm yapan deney cihazı tasarlamışlardır. Cihaz, 180 mm uzunluğunda, 20 mm ve 24 mm çapında eş eksenli iç içe geçmiş bakır iki tüpten oluşmaktadır. Numune iki tüp arasında kalan 2 mm’lik radyal boşluğa doldurulmuştur. İçteki tüpün eksenine 15 W gücünde bir ısıtıcı yerleştirilerek, radyal yönde bir ısı akışı sağlanarak ısı iletim katsayısı belirlenmiştir. Portakal suyu içerisindeki su oranının artmasıyla ısı iletim katsayısının ve özgül ısı kapasitesinin doğrusal olarak arttığını, yoğunluğun ise azaldığını gözlemişlerdir [3].

1.7. Süt ve Bitkisel Yağ Örnekleri

Özkal ve Tülek: “Değişik süt ve bitkisel yağ örneklerinin ısı iletim katsayısının deneysel olarak belirlenmesi” konulu bir çalışma yapmışlardır. Yapılan bu çalışmada Denizli piyasasından temin edilmiş olan tam yağlı ve yağsız süt, işlenmemiş taze süt, ayçiçeği, mısırözü ve zeytinyağı gibi gıda maddeleri kullanılmıştır. Bu gıda maddelerinin ısı iletim katsayılarının ölçümü, PA Hilton Limitet H470 deney cihazı kullanılarak yapılmıştır. Deneyde sakarozdan % 10, 30 ve 50’lik üç farklı konsantrasyona sahip örnek hazırlanmış ve bunların 25 °C ile 75 °C sıcaklık aralığında üç farklı sıcaklıkta ısı iletim katsayısı değerleri belirlenmiştir. Ayrıca işlenmemiş, yağsız ve tam yağlı süt örneklerinin 25 °C ile 75 °C sıcaklık aralığında beş farklı sıcaklıkta ısı iletim katsayısı belirlenmiştir. Sakaroz ile yapılan deneylerde sıcaklık artışı ile ısı iletim katsayısının artma gösterdiği, kuru madde konsantrasyonundaki artış ile azaldığı belirlenmiştir. Süt ile yapılan deneylerde ise işlenmemiş süt ile tam yağlı süt örneklerinin ısı iletim katsayısı değerlerinin, yağsız sütün ısı iletim katsayısı değerinden daha düşük ve birbirine çok yakın olduğu görülmüştür [4].

2. Deney Seti

Şekil 1’de şematik olarak görülen deney seti, sıvıların ısı iletim katsayısının ölçümü için tasarlanmış olup, sıcaklık ve verilen ısının ölçüm ve kontrol edilmesini sağlayan iç içe geçmiş eksenel iki silindirik tüpten oluşmaktadır.nano akışkanının ısı iletim katsayısının belirlenmesi

İçteki tüpte, istenilen çalışma sıcaklıklarını sağlamak için, direnci ölçülebilen ısıtıcı bir eleman ve bu tüpün dış yüzeyine yakın olacak şekilde yerleştirilmiş K tipi ısıl-çift bulunmaktadır. Bu tüp ısıl gerilmeleri ve sıcaklık değişimlerini azaltabilmek amacıyla pirinç ve alüminyumdan imal edilmiştir. Isı iletim katsayısı ölçülecek sıvının doldurulacağı iki tüp arasındaki radyal boşluk 0,345 mm olacak şekilde imal edilmiştir. İçteki silindirik tüp radyal boşluğu kapatan flanşlar vasıtasıyla su ceketi adı verilen, ikinci silindirik tüpün ortasına yerleştirilmiştir.

2.1. Deney Seti Silindir Ölçüleri

Silindir çapı 49 mm ve 110 mm uzunluğunda pirinçten imal edilmiş ve yanlardan sıcaklık ve basınca dayanıklı oring contalarla sızdırmazlık sağlanacak şekilde kapatılmıştır. Su ceketi içerisinde iç yüzey sıcaklığının ölçülebilmesi için ikinci bir K tipi ısıl-çift yerleştirilmiştir. Isıtıcı eleman 55,5 Ω dirence sahip olup, maksimum gücü 100 W ve uygulanabilecek maksimum voltaj 80 V’dur. Cihazda, istenilen ısı enerjisini elde edebilmek amacıyla elektrik akımını istenilen değere ayarlayabilen dimmer devresi kullanılmıştır. Devreden geçen akım ve gerilim değerleri bir multimetre yardımıyla ölçülerek ısıtıcının gücü istenilen değerlerde tutulabilmektedir.

3. DENEYLER

Deney cihazını tasarlamadan ve deneylere başlamadan önce bilgi ve tecrübe kazanabilmek amacıyla ZKÜ Mühendislik Fakültesi ısı laboratuarında PH Hilton firmasının eğitim amaçlı tasarlamış olduğu sıvıların ve gazların ısı iletim katsayısı ölçüm deney cihazı incelenmiştir. Daha sonra bu deney düzeneği örnek alınarak Gazi Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Enerji Sistemleri Mühendisliği Bölümünde Bilimsel Araştırmalar Projeler Birimi imkânları ile bir deney cihazı tasarlanmış ve imal edilerek deneylere başlanmıştır.

3.1. Deney Cihazı ve Başlangıç

Deney cihazında, ısı iletim katsayısı ölçülecek sıvı enjektör yardımıyla soğutma suyu ceketi ile ısıtıcı arasındaki küçük radyal boşluğa enjekte edilmiştir. Radyal boşluğun tamamen sıvı ile dolduğunun anlaşılabilmesi için akışkan çıkış ağzından sıvının çıkması gözlemlenmiştir. Radyal boşluk içerisinde oluşan hava boşlukları deney sonucunu etkileyeceğinden dolayı boşluğun tamamen sıvı ile dolduğundan emin olunmuştur. Daha sonra soğutma suyu bağlantıları yapılarak, soğutma suyu açılmıştır. Deneylere başlayabilmek için deney cihazındaki ısıtıcı eleman devreye sokulmuş ve ısıtıcıda istenilen ısı gücünü ayarlayabilmek için ısıtıcıya seri olarak bağlanan dimmer devresi kullanılmıştır. Dimmer cihazı devrenin akımını değiştirerek ısıtıcı gücünün istenilen değerlere ayarlanabilmesini sağlamaktadır.

3.2. Deney Kriterleri

Dimmerin bağlı olduğu devreden geçen akım ve gerilim değerleri multimetre yardımıyla ölçülerek, ısıtıcı gücü ayarlanmıştır. Sıvıların ve gazların ısı iletim katsayısı ölçüm cihazında genellikle gazların ısı iletim katsayısının ölçümünde ısıtıcının gücünü 40 W civarında, sıvılarda ise 65 W civarında ayarlamak gerekir. Ancak burada sıcaklığın ısı iletim katsayısına etkisini belirlemek amacıyla deneylerde ısıtıcı gerilim değeri 40 V, 50 V, 60 V, 70 V ve 80 V değerlerine ayarlanarak deneyler yapılmıştır. Cihaz içerisinde iki farklı noktadan sıcaklık ölçülmektedir. Birinci termokupl (T1) ısıtıcı elemanın hemen dışında, ikinci termokupl (T2) soğutucu cebinin iç kısmına sabitlenmiştir. Deneylerde sıcaklık ölçümü için demir-konstantan (K tipi) termokupl ile ölçüm yapan, hassasiyeti 0,1 °C olan sıcaklık ölçüm cihazı kullanılmıştır. Deneylere başlamadan önce buzlu suda sıcaklık ölçüm cihazının kalibrasyonu yapılmıştır.

3.3. Deney Aşamaları

Soğutma suyu açılıp, ısıtıcı devreye sokulduktan sonra sistemin rejime gelmesi beklenmiştir. Sistem, cihaz içerisine sabitlenmiş olan termokupllarda ölçülen sıcaklıkların zamanla değişmediği, sabit kalmaya başladığı anda rejime gelmiş demektir. Sistem rejime geldiği andaki sıcaklıklar kaydedilerek deney bitirilmiştir. Isı iletim katsayısı ölçüm cihazında sıcaklık genellikle 15−20 dakikada rejime gelmektedir. Ancak burada deney süresinin ısı iletim katsayısına etkisinin olmaması için 60 dakikada bir deneyler tekrarlanmıştır. Saf su ve spinal nanoakışkanı ile yapılan deney sonuçları Çizelge 1’de verilmiştir.

nano akışkanının ısı iletim katsayısının belirlenmesi

4. BULGULAR VE TARTIŞMA

Saf su ile 40 V, 50 V, 60 V, 70 V ve 80 V ısıtıcı gerilim değerinde ve akışkan debisi ise 20 – 25 – 30 g/s olarak deneyler yapılmıştır. Cihazın kalibrasyon ayarı yapıldıktan sonra saf su ile yapılan deneylerden elde edilen ısı iletim katsayıları literatürdeki değerler ile karşılaştırılmıştır. Bunun sonucunda da cihazın bağıl hatası üç debi için de ayrı ayrı hesaplanmıştır. Debi değeri 30 g/s olduğu deneylerde bağıl hatanın %2-3 civarında ve kabul edilebilir sınırlar içinde olduğu görülmüştür.

4.1. Grafik Analizi

Şekil 2, Şekil 3 ve Şekil 4’ten de anlaşıldığı üzere debi 20 – 25 – 30 g/s alınmış ve voltaj değerleri arttırılarak sıcaklık ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Bağıl hata payının kabul edilebilir sınırlar içinde olduğu ve en güvenilir sonucun alındığı debi 30 g/s’dir. Deney setinde meydana gelen kaçak ısı da hesaba katılarak bir “Q” değeri hesaplanmış ve buna göre 39.9, 50, 60, 70 ve 80 volt için saf suyun ısı iletim katsayıları belirlenmiştir. Çizelge 2’de saf suyun literatürde yer alan ısı iletim katsayılarına göre hata oranları gösterilmiştir.

nano akışkanın ısı iletim katsayısı belirlenmesi

nano akışkanının ısı iletim katsayısının belirlenmesi

4.2. Değerlendirme

Deney setinin doğru çalışıp çalışmadığının kontrolü için deney malzemesi olarak öncelikle saf su kullanılmış olup, saf su ile deneyler yapılmış ve sonuçları literatür değerleri ile karşılaştırılmıştır. Saf su ile yapılan deneyler sonucunda literatür değerine en yakın sonuçların 30 g/s debide olduğu saptanmıştır. Buna göre saf suyla yapılan deneyler sonucunda ölçülen deney sonuçları ile fiziksel özellik tablosundan alınan değerler arasındaki ortalama bağıl hata % 2 – 3 olarak bulunmuştur. Saf su ile yapılan deney şartlarında ısı iletim katsayısı (k) hakkında bilgi edinmek istediğimiz spinal oksit nanoakışkanının ısı iletkenlik katsayıları belirlenmiştir. Saf suda olduğu gibi spinal oksit nanoakışkanı içinde üç farklı debiye göre deneyler yapılmıştır.

4.3. Karşılaştırma

Spinal oksit nanoakışkanı ile yapılan deneyler sonucunda elde edilen verilerden oluşturulan grafikler Şekil 5, Şekil 6 ve Şekil 7’de görülmektedir. Söz konusu grafikler incelendiğinde 20, 25 ve 30 g/s soğutma suyu debilerinde 39.9, 50, 60, 70 ve 80 Volt değerleri için spinal oksit nanoakışkanın ısıl iletkenlik katsayısının saf suya oranla daha iyi olduğu görülmektedir. Ancak bağıl hatanın kabul  edilebilir sınırlar içinde olduğu debi 30 g/s olduğu için, bu debiye göre spinal oksit nanoakışkanının 39,9, 50, 60, 70 ve 80 Volt değerleri için ısı iletkenlik katsayısının saf suya göre 17 – 20 % daha yüksek ısıl iletkenlik katsayısına sahip olduğu görülmektedir.

5. SONUÇ VE ÖNERİLER

Deney setinin hata oranı saf su verileri ile belirlendikten sonra spinal oksit namoakışkanı deneyleri gerçekleştirilmiştir. Cihazın en doğru değerleri 30 g/s debide verdiği göz önüne alınarak deney sonucunda yapılan öneriler de bu debi seviyesi temel alınarak öne sürülmüştür.

Spinal oksit namoakışkanı deney sonuçlarına göre ve Şekil 5, 6 ve 7 birlikte incelendiğinde ısı iletim katsayısının her üç debide de saf suyun ısı iletim katsayısından daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Hesaplamalar sonucunda ve deney gözlemleri ışığında spinal oksit sıvısının ısıyı sudan (17 – 20 %) daha iyi ilettiği sonucuna varılmıştır.

Bu deneysel çalışmanın sonucu, saf su ile ısı transferi gerçekleştirilen sistemlerde saf su yerine spinal oksit sıvısının kullanılmasıyla sistem veriminin yükseltileceği öngörülmüştür.

5.1. Öneriler

Eşanjörlü ısıtma sistemlerde ısının kaynağından alınarak ısıtılacak mahale kadar ısının taşınması gerekir. Isının taşınması için oldukça verimli görülen spinal oksit nanoakışkanının kullanılması sitemi daha verimli hale getirecektir.

Ayrıca otomobillerde motorun soğutulması içinde gelişen teknoloji ile kullanılabilmesi öngörülmüştür. Bunun gerçekleşebilmesi için de viskozite testleri ve termofiziksel testler yapılarak Spinal Oksit nanoakışkanın otomobil radyatörlerinde kullanılıp kullanılmayacağı ile ilgili çalışmalar yapılmalıdır.

KAYNAKÇA

[1]  Kayfeci, M., Kurt, H., “Sıvılar İçin Isı İletim Katsayısı Ölçüm Cihazı Tasarımı ve Deneysel Olarak İncelenmesi”, Yüksek Lisans tezi, Z. Karaelmas Üniversitesi. Fen Bilimleri Enstitüsü, 22: 907-915, (2007).

[2]Azoubel, P.M.,Cipriani, D.C., El-Aouar, A.A., Antonio, G.C. andMurr, F.E.X., “Effect of Concentration on thePhysicalProperties of CashewJuice”,Journal of FoodEngineering,Cilt 66, 413-417(2015).

[3] Romero, J.T., Telis, V.R.N., Gabas, A.L. ve Yamashita, F., “ThermophysicalProperties of BrazilianOrangeuice as AffectedbyTemperatureandWater Content”, Journal of FoodEngineering, 38: 27-40, (1998).

[4] Özkal, S.G. ve Tülek, Y., “Değişik Süt ve Bitkisel Yağ Örneklerinin Isıl İletkenlik Değerlerinin Deneysel Olarak Belirlenmesi”, Tübitak, Denizli, s. 51-60.

Kemal Özcan

26.02.1993 yılında Denizli'nin Acıpayam ilçesinde doğmuştur. İlk öğrenimini Acıpayam'da tamamlamış, daha sonra Denizli'de Anadolu Meslek Lisesi Endüstriyel Otomasyon Teknolojileri bölümünden mezun olmuştur. 2012 yılında Ankara Gazi Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Enerji Sistemleri Mühendisliği bölümünde lisans eğitimine başlamış ve 2018 yılında mezun olmuştur. Günümüzde özel sektörde mesleğini icra etmektedir. Yaşadığı şehir; Ankara.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir