Isı-Enerji Transferinde Nano Akışkanlar:

1--Enerji Uygulamalarında Kullanılan Nano akışkanların ısıl özelikleri ve ısı transferi kabiliyetleri önem kazanmıştır.

2—Kaynak çalışmada metal ve metal oksit nano akışkanların içerikleri, termo fiziksel özelikleri ve enerji ve yenilenebilir enerji uygulamalarında kullanılabilirliği üzerine bilgiler verilmiştir.

3--Çeşitli Katıların ve Akışkanların Isı İletim Katsayıları- (W/mK):

3.1--Metalik Katılar

Bakır……………………… 401

Alüminyum………………..237

3.2--Metalik Olmayan Katılar

Silikon……………………..148

Alümina (Al2O3)…………..40

3.3--Metalik Akışkanlar

Sodyum (644 K)………….. 72,3

Su ………………………….0,613

3.4--Metalik Olmayan Akışkanlar

Etilen Glikol……………... 0,253

Makina Yağı…………….. 0,415

4-- Günümüzde ileri fabrikasyon teknikleri sayesinde, ısıl iletkenlikte kullanılacak olan materyaller mikro ve nano boyutlarda katı parçacıklar üretilebilmektedir.

5--100 nm çapından küçük parçacık içeren süspansiyonlar, konvansiyonel olarak kullanılan yani mikro ve milimetre katı parçacık içeren süspansiyonlara göre farklı fiziksel özellik

gösterir.

6--Geleneksel akışkanların yani su, etilen glikol ve makina yağının içerisine, termofiziksel özelliğin arttırılması için 100 nm çapından daha küçük parçacık(nanoçubuklar,nanotüpler, nanolifler, nanoteller vs) içeren süspansiyonların katılmasına nano akışkan denilmektedir.

7-- Nanoparçacıklar temel akışkanlar içerisinde çok az miktarda dahi olsalar nanoakışkanın termofiziksel özeliklerini oldukça iyileştirirler.

8—Nanoakışkanlar içerisinde nanoparçacıkarın askıda olan konsantrasyonu %5 oranından düşük olsa bile bu akışkan sisteminin, ısıl iletkenliğini (k) oldukça yükselttiği gösterilmiştir

9—Nanoakışkanın temel amacı mümkün olan en az konsantrasyonda nanoparçacıklar içerecek şekilde en yüksek ısıl iletkenlik kapasitesine ulaşmaktır.

9.1--Nanoparçacıklar moleküler yapısı sayesinde geleneksel karışımlara göre hem daha geniş alana temas ederler, hem de temel akışkanımızın içerisinde daha düzgün karışırlar, 

9.1.1--böylelikle geleneksel olarak kullanılan büyük katı parçacıklı karışımlara göre akışkanın ısıl kapasitesini ve kararlılığını arttırarak, kanalda oluşan erozyonu ve pompalama gücünü daha iyi düşürdüğü belirlenmiştir

10-- Nanoakışkanların ısıl iletkenliğindeki artış, nan parçacıkların eklenmesine ve parçacıkların en boy oranında bağlıdır.

11--Teorik olarak ısıl iletkenliği yüksek olan nanoparçacıklar;

1--metal olanlar; Cu, Al, Fe, Au, ve Ag,

2--metal olmayanlar;Al2O3, CuO, Fe3 O4, TiO2 ve SiC ve

3--karbon nanotüpler sıklıkla su, yağ, aseton ve etilen glikol gibi temel akışkanlarla karıştırılmaktadır

12—Nanoakışkanların Hazırlanması:

1—Tek Adımlı Yöntem:

12.1.1—Direkt buharlaştırmalı teknikte kararlı nano akışkanlar,temel akışkan içerisinde nano parçacıklar buharlaşarak ve yoğunlaşarak elde edilir

12.1.2-- Tek adımlı yöntemlerden bir diğeri de tozaltı nanoparçacık üretme sistemidir. 2005 yılında Lo ve diğerleri tarafından yayınlanan rapora göre bu tek adımlı yöntemi kullanarak 49,1 nm boyutunda bakır oksit (CuO) nanoparçacığını üretmişlerdir

12.1.3-- Lazer ablasyon tekniği, herhangi bir dağıtıcı (dispersant) eklenmeden kararlı nanoakışkanlar üretmek için kullanılan bir başka tek adımlı süreçtir. 

Kim ve diğerleri ‘’Pulsed laser ablation in liquids’’ tekniğini kullanarak herhangi bir dağıtıcı (dispersant) kullanmadan 7,1-12,1 nm boyutları arasındaki kararlı altın nanoparçacıklarını,su ile süspansiyon ederek altın-nanoparçacığı/su nano akışkanını hazırlamışlardır.

12.1.4-- Nano akışkan üretmek için kullanılan bir diğer yöntem mikrodalga ışıma yöntemidir. Hui Wang ve diğerleri 4 nm boyutunda CuO nanoparçacığını mikrodalga ışıma yöntemiyle üretmişlerdir

2—2 Adımlı Yöntem:

12.2.1--Nanoakışkan hazırlamak için en yaygın olarak kullanılan yöntemdir. Bu yönteme göre, nano parçacıklar,nanolifler, nanotüpler veya diğer nanomateryaller önce fiziksel veya kimyasal yöntem ile kuru toz olarak üretilirler.

12.2.2—Sonrasında pekiştirmeli (intensive) manyetik güç çalkalayıcısı (agitation), ultrasonik çalkalayıcı (agitation), yüksek parçalayıcı karıştırıcı, homojenleştirici ve bilyalı değirmen yardımı ile nano boyuta getirilmiş tozlar akışkanın içerisinde dağıtılır.

12.2.3--Nanotozlarının sentezlenmesi endüstriyel üretim seviyelerine ölçeklendiği (scaled up) için iki adımlı yöntem en ekonomik yöntemdir. Ancak bu yöntemin bir dezavantajı, nanoparçacıkların topaklanma eğiliminde olmalarıdır.

12.2.4-- Topaklanma nanoakışkan sentezinde ısıl iletimi azaltan başlıca bir sorundur.

Parçacıklarda topaklanmayı azaltmak için sık sık (ultra-sonication) veya karıştırma süreci uygulanır. 

Ayrıca sürfaktanların (yüzey aktif madde) kullanımı nanoparçacıkların kararlılığını arttıran bir diğer tekniktir.

13—Nano Akışkanın Isıl İletkenliğine Etki Eden Faktörler:

13.1--Nanoparçacığın konsantrasyonunun sürekli artışı, nanoakışkanın ısıl iletkenliğin de doğrusal artışını gözlemlerken, bazı araştırmacılar ise doğrusal artışın olmadığını gözlemlemişlerdir.

13.2--Isıl iletkenliği etkileyen bir diğer parametre ise nanoparçacık boyutudur ve boyut küçüldükçe ısıl iletkenliğin arttığı birçok araştırmacı tarafından kanıtlanmıştır.

13.3—Nanoparçacık şekli ise ısıl iletkenliği etkileyen bir diğer etmendir. Parçacığın boy-çap oranının artması ısıl iletkenliğinde artması anlamına geldiği araştırmacılar tarafından gösterilmiştir ve kanıt olarak ise aynı akışkan içerine dağıtılan silindirik nano parçacığın küresel olandan daha iyi ısıl iletim sağladığı kanıtlanmıştır.

13.4—Araştırmacılar daha yüksek ısıl iletkenliğe sahip nanoparçacıkların kullanılması nanoakışkanın ısıl performansını daha çok artacağını göstermişlerdir.

13.5--Isıl iletkenliğin parçacık boyutundan daha etkili olduğunu göstermiştir.

13.6--Bir başka araştırmacı ise metal içerikli nano akışkanların oksit içerikli olanlara göre daha iyi ısıl iletkenlik performansına sahip olduğunu yayınlamıştır.

13.7-- Isıl iletkenliği etkileyen bir diğer parametre ise temel akışkan tipidir. Araştırmacılar aynı nanoparçacıklı farklı temel akışkan kullanarak yaptıkları araştırmada temel akışkanın

ısıl iletkenliği ile ısıl iletkenlik performans artışının ters orantılı olduğunu göstermişlerdir.

13.7.1—Yani bu durumda düşük ısıl iletkenliğe sahip temel akışkanın kullanılması ısıl iletkenlik performansının daha yüksek olması anlamına gelmektedir.

13.8--Nanoakışkanın sıcaklığının artması ile ısıl iletkenliğinin de arttığı birçok araştırmacı tarafından kanıtlanmıştır

14—Sonuçlar:

14.1-- Al2O3 /su nanoakışkanı ile %12 ısıl iletkenlik artışı sağlandığını onaylamışlardır

14.2--Yu ve Li, 10-20 nm nanoparçacık içeren ZnO-Etilen Glikol nanoakışkanı geçici kısa sıcak tel tekniği ile %5 parçacık konsantrasyonunda %26,5 oranında lineer olmayan şekilde artırdığı gözlemlenmiştir.

14.3—Asirvatham ve diğerleri, 80 nm Ag nano parçacığının geçici sıcak tel tekniği ile suda %0,9 hacim Ag parçacığı ilavesi ile ısı transfer katsayısının %69,3 artırdığını gözlemlemişlerdir.

14.4-- Al2O3, CuO ve Cu nanoparçacıklarını su ve yağ içerisinde nanoakışkanları hazırlayarak geçici sıcak tel tekniği kullanarak yaptıkları deneysel çalışma sonucunda CuO parçacığının %5 konsantrasyonunda, ısıl iletkenliğinde %60 artış sağlandığını göstermişlerdir

14.5.1-- Heris ve diğerleri yaptığı deneysel çalışmada su bazlı CuO nanoakışkanın artan hacim oranında su bazlı Al2O3 nanoakışkanına göre viskozitesinin daha fazla arttığını ve bu durumun CuO geniş parçacık boyutunun sonucu olabileceğini göstermişlerdir.

14.5.2--Lee ve diğerleri,%0,01-%0,3 hacimsel konsantrasyon aralığında Al2O3 /Su nanoakışkanı kullanarak salınım tipli (oscillation type) viskozimetre kullanarak sıcaklıkla birlikte efektif viskozitenin düştüğünü ve artan yüzde konsantrasyon ile viskozitenin arttığını yayınlamıştır [

14.6.1-- Vajjha ve diğerlerinin, SiO2/Deiyonize Su ve 60:40 kütle oranında etilen glikagol ve su bazlı ZnO, Al2O3 parçacıkları ile yaptığı çalışmada özgül ısı değerinin, nanoparçacıkların artan hacimsel konsantrasyonla düştüğünü ve ayrıca artan sıcaklıkla arttığını tespit etmişlerdir

14.7-- Bajestan ve diğerleri, güneş enerjili ısı değiştiricileri uygulamaları üzerine, ısıtılmış boruda akan TiO2/Su nanoakışkanı kullanarak yaptıkları teorik ve deneysel çalışmada ısı transfer katsayısını %21 arttırdıklarını yayınlamışlardır.

14.8-- Al2O3 parçacığı su içinde dağıldığında konvektif ısı transferinin, yükselen Re sayısında ve artan konsantrasyonda arttığını belirlemişlerdir.

15—Güneş Kollektörü Uygulamaları:

15.1—Yousefia ve diğerleri, yaptıkları deneysel çalışmada 15 nm Al2O3 /Su nanoakışkanını %0,2 kütlesel oranında kullanarak suya göre güneş kolektörünün verimini %28,3 arttırmışlardır.

15.2--Ayrıca artan kütlesel debi ve artan Re sayısı ile güneş kolektörünün veriminin arttığını sonucuna ulaşmışlardır

15.3--Faizal ve diğerlerinin, düzlemsel güneş kolektörlerinde kullanılan metaloksit (CuO, SiO2, TiO2 ve Al2O3) nanoakışların üzerinde enerjik, ekonomik ve çevresel analizleri sonucunda;

1--Nanoakışkanların yoğunluklarının artan parçacık hacimsel oran ile arttığını, CuO parçacık içerikli nano akışkanının yoğunluğunun diğerlerine göre daha fazla olduğunu,

2--Nano akışkanların özgül ısılarının artan hacimsel oran ile azaldığını,

3--CuO içerikli nanoakışkanın karşılaştırılan diğer nanoakışkanlara göre en yüksek yoğunluğa ve ısıl verimliliğe ayrıca en düşük özgül ısıya sahip olduğu,

4--CuO nanoakışkanı kolektör verimliliğini %38,5, Al2O3, SiO2 ve TiO2 nanoakışkanları ise suya kıyasla %28,8 arttırdığı

5--Nanoakışkanlı güneş kolektörlerinin daha az CO2 emisyonu ürettiğini ve çevresel zararın nano akışkan bazlı kolektörlerde geleneksel kolektörlere göre daha az olduğu sonucuna

ulaşmışlardır.

16-- Rüzgar Enerjisi Uygulamaları:

16.1--Nanoteknoloji ile rüzgâr türbinin de enerji kayıplarına sebep olan dişli kutusunda sürtünme aşınmaları gibi tribolojik durumlar azaltılarak verimlilik arttırabilir. Bu durum nano-yağlarla sağlanabilmektedir.

16.2--Bu nedenle artan mekaniksel özellik ile rüzgâr türbininin ömrü de uzamış olur.

16.3--Greco ve diğerleri dişli yağı ve %1 kütle oranında nanokolloidal bor nitrür parçacıkları kullanarak rüzgar türbini dişli kutusu uygulamaları için sürtünme ve aşınma davranışlarını deneysel olarak incelemişlerdir ve tribolojik özelliklerde iyileştirme sağlamışlardır

17-- Jeotermal Enerji Uygulamaları:

17.1--Jeotermal enerji uygulamalarında yer kabuğundaki ısıya ulaşabilmek için yüksek derinliklerde çalışılması gerekmektedir. Derinlik arttıkça sıcaklık da artar. Bu nedenle, nano akışkanlar bu yüksek sıcaklıklara maruz kalan boruları soğutmak için bir soğutma akışkanı olarak kullanılabilirler.

17.2--Ayrıca nanoakışkanlar, yüksek sürtünme ve yüksek sıcaklık ortamında çalışan sondaj makinalarında, sensörler ve elektronik parçaları soğutmak için de kullanılmaktadırlar.

17.3—Nanoakışkanlar için yer kabuğundan enerjiyi çıkartmak,jeotermal enerji santraline yönlendirmek ve yüksek miktarlarda enerji üretmek için çalışma akışkanı olarak kullanılabilirler.

17.4--Jeotermal enerji kullanımında karşılaşılan en büyük zorluk,genellikle titremelere, sarsıntılara veya depremlere neden olan derin delmelerin gerekliliğidir. Nanoakışkanlar, normal ısıl akışkanlara kıyasla önemli derecede yüksek enerji salınımlarını (titreşimleri

ve sarsıntıları) emebilirler.

18--Nanoakışkanların enerji uygulamalarında kullanılma amacı sadece ısıl özellikleri arttırma

yeteneğiyle sınırlı değildir. Aynı zamanda nano akışkanlar,hareketli parçaların mekanik özellikleri iyileştirilmesi ve ömrünü uzatması gibi özellikleri de vardır.

Kaynak:Nanoakışkanlar, Termofiziksel Özelikler-F. Mertkan ARSLAN-Ege Üniversitesi-Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir-Hüseyin GÜNERHAN-Doç. Dr.-Ege Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, İzmir