Design and developement of energy efficient miniature devices for energy harvesting, thermal management and biomedical applications
Enerji üretimi, termal yönetim ve biomedikal uygulamaları için enerji verimliliği yüksek minyatür cihazların tasarım ve geliştirilmesi
- Tez No: 389511
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ALİ KOŞAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2014
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 104
Özet
İşbu çalışma, enerji üretimi, termal yönetim ve biomedikal uygulamaları için enerji verimliliği yüksek minyatür cihazların tasarım ve geliştirilmesi ile ilgili literatürdeki bilgi boşluğuna katkı sağlamak amacı taşımaktadır. Birinci kısımda, harici sıvı akışına dayanarak güç üretebilen bir minyatür cihazın enerji üretim kapasitesi incelenmiştir. Cihazın enerji üretimi, mekanik enerjinin elektrik enerjisine dönüşmesiyle gerçekleşir. Mekanik enerji, latince apteronotus albifrons olarak adlandırılan siyah hayalet bıçak balığının vücut şeklinden ve iskelet yapısından esinlenerek tasarlanmış kuyrukların, harici sıvı akışlarını yakalayıp titremesiyle oluşur. Elde edilen güç, su geçirmez manyetik yapıların hareket etmesiyle, manyetik kutuplaşmadan dolayı oluşan enerjinin 3.76 V (Ni-Mg) pile aktarmasıyla oluşur. Cihazın teorik olarak üretebileceği maksimum gücü ölçmek için, COMSOL 4.2 yazılımı ile simülasyon yapılmış ve bulunan sonuçlar deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Deneyler 1 m/s ile 5 m/s arasında değişen akış hızları ve değişik sıvı yoğunlukları (saf su, az tuzlu su, çok tuzlu su) altında, farklı harici sıvı akışlarına göre geniş çaplı deney sonuçları elde etmek için yapılmıştır. Deneysel sonuçlar cihazın 17.2 Watt'a kadar enerji üretebildiğini gösterirken, COMSOL 4.2 yazılımı kullanılarak yapılan simülasyon sonuçları cihazın 25.7 Watt enerji üretebileceğini göstermiştir. Gelecek vaat eden enerji üretimi sonuçları göstermiştir ki cihaz GPS ve ışıklandırma gibi birçok amaç için güç kaynağı olarak kullanılabilir. İkinci kısımda, mini ve mikro kanal kaynama akışlarında, çapraz bağlayıcı olarak kullanılan polyhydroxyethylmethacrylate (pHEMA) mikro kanal iç duvar yüzeyi kaplaması, farklı kalınlıklarda (~50 nm, 100 nm ve 150 nm) incelenmiştir. Kaynama akışı deneyleri, çapraz bağlayıcı pHEMA kaplı farklı mikro kanal yarıçaplarında (~249 μm, 507 μm ve 998 μm) gerçekleştirilmiştir. pHEMA nanofilm kaplaması, (iCVD) başlatılmış kimyasal buhar çöküntü yöntemiyle kaplanmıştır. Çalışma sıvısı olarak iyonsuzlaştırılmış su kullanılmıştır. Kaplanmış mikro kanallardan elde edilmiş sonuçlar, farklı kütle akıları (~5,000 kg/m2s ve ~20,000 kg/m2s) altında kaplanmamış mikro kanallardan elde edilmiş sonuçlar ile karşılaştırılmış, kritik ısı akısında (CHF) % 29,7, kaynayan ısı transfer oranında ise % 126.2'ye varan artış gözlemlenmiştir. Kaynama ısı transferindeki artış, çekirdeklenme yoğunluğuna ve çapraz bağlı pHEMA kaplamanın porlu yapısından dolayı yüzeyden ayrılan baloncuk sıklığının artmasına atfedilmiştir. Buradaki mekanizma emme-buharlaşma mekanizması ile açıklanmıştır.Ayrıca kaplama kalınlığı ince mikro kanallarda hem kritik ısı akısı hem de kaynama ısı transferinde daha çok artık görüldüğü gözlemlenmiştir. Üçüncü kısımda ise nanoparçacıkların manyetik aktivasyon ile taşınmasını sağlayan bir platform geliştirilmiştir.Yüksek transfeksiyon verimliliğinin önemi, gen taşımayı geliştiren bir method üzerinde vurgulanmıştır. Benzer şekilde, oligo nükleotidleri, DNA, RNA ve siRNA moleküllerini yoğunlaştırmak için transfeksiyon vektörü olarak bilenen viral olmayan transfeksiyon aracılarının hücre içine taşıma ve yük atma işlemleri için kullanıldıkları bilinmektedir. Polyethyleneimine (PEI), bilinen en popüler viral olmayan transfeksiyon aracılarından biridir. Ancak, yüksek transfeksiyon verimliliği ve polimerin toksitliği arasındaki zorluklar tamamen çözülmüş değildir. Gerekli ilaçların ve genelerin hastalara güvenli koşullar altında ulaştırılması gelişmiş dizayn ve kontrol gerektirmekle birlikte, hastalığın kritik seviyelerinden önce yapılmasını gerektirmektedir. Bu nedenle ilaç ve genlerin hazırlanması ve taşınmasında kompakt sistemler, düşük enerji tüketimi, düşük atık oranı, paralel ve hızlı işlem kapasitesi, insan faktörünü yok etmesi, yüksek karıştırma kapasitesi, gelişmiş güvenlik seviyesi ve düşük malzeme kullanımı yönünden güçlü adaylardır. Bu kısımda, in vitro çalışmalarında PEI-SPION (Süper paramaynetik demir oksit) nanoparçacıklarının transfeksiyon aracı olarak kullanılması, farklı yönlere dönebilme özelliklerinden ötürü değişken manyetik alan gücüne sahip özel olarak dizayn edilmiş bir manyetik aktivatör minyatür cihazı ile incelenmiştir. Minyatür manyetik aktivator cihazı ile elde edilmiş sonuçlar, manyetik aktivatör kullanılmadan yapılan transfeksiyon sonuçları ile karşılaştırılmış, MCF-7 ve PC-3 hücrelerinde gerçekleşen transfeksiyon verimliliğinde % 25-30 arası değişen artış elde edilmiştir.
Özet (Çeviri)
This thesis aims to make contributions to the literature in the field of energy efficient miniature devices for energy harvesting, thermal management and biomedical applications. In the first part, experimental results related to energy harvesting capability of a miniature power reclamation device based on external liquid flows are represented. The device's reclamation principle depends on the conversion of mechanical energy into electrical energy. The mechanical energy in the device was generated by capturing vibrations caused by external liquid flows via the device's tails, which were designed by taking inspiration from the body shape of the black ghost knife fish, apteronotus albifrons. The reclaimed power was obtained through magnetic polarization, which was generated by rotating circular waterproof magnet structures as a result of rotating movements of the mentioned tails and is transferred to 3.76 V (Ni-Mg) batteries. Power reclamation was also simulated using COMSOL 4.2 software in order to compare the maximum reclaimable theoretical energy harvesting capacity to the experimental results. Experimental tests were performed within a range of flow velocities (1.0 m/s ~ 5.0 m/s) for various fluid densities (plain water, low-salt and highsalt water) in order to obtain extensive experimental data related to the device in response to external fluid flows. According to experimental results, the device could generate powers up to 17.2W. On the other hand, the maximum reclaimable power was obtained as 25.7W from COMSOL Multiphysics 4.2 simulations. Promising energy harvesting results imply that the output from this device could be used as a power source in many applications such as in lighting and GPS (Global positioning system) devices. In the second part of the thesis, a miniature system was used for flow boiling in mini/microtubes. Flow boiling was investigated with surface enhancements provided by crosslinked polyhydroxyethylmethacrylate (pHEMA) coatings, which were used as a crosslinker coating type with different thicknesses (~50 nm, 100 nm and 150 nm) on inner microtube walls. Flow boiling heat transfer experiments were conducted on microtubes (with inner diameters of 249 μm, 507 μm and 908 μm) coated with crosslinked pHEMA coatings. pHEMA nanofilms were deposited with the initiated chemical vapor deposition (iCVD) technique. De-ionized water was utilized as the working fluid. Experimental results obtained from coated microtubes were compared to their plain surface counterparts at two different mass fluxes (5,000 kg/m2s and 20,000 kg/m2s), and significant enhancements in Critical Heat Flux (up to 29.7 %) and boiling heat transfer (up to 126.2 %) were attained. The enhancement of boiling heat transfer was attributed to the increase in nucleation site density and incidence of bubbles departing from surface due to porous structure of crosslinked pHEMA coatings. The underlying mechanism was explained with suction-evaporation mode. Moreover, thicker pHEMA coatings resulted in larger enhancements in both CHF and boiling heat transfer. In the third part, a platform for gene delivery via magnetic actuation of nanoparticles was developed. The importance of high transfection efficiency has been emphasized in many studies investigating methods to improve gene delivery. Accordingly, non-viral transfection agents are widely used as transfection vectors to condense oligonucleotides, DNA, RNA, siRNA, deliver into the cell, and release the cargo. Polyethyleneimine (PEI) is one of the most popular non-viral transfection agents. However, the challenge between high transfection efficiency and toxicity of the polymers is not totally resolved. The delivery of necessary drugs and genes for patients and their transport under safe conditions require carefully designed and controlled delivery systems and constitute a critical stage of patients' treatment. Compact systems are considered as the strongest candidate for the preparation and delivery of drugs and genes under leak free and safe conditions because of their low energy consumption, low waste disposal, parallel and fast processing capabilities, removal of human factor, high mixing capabilities, enhanced safety, and low amount of reagents. Motivated by this need in the literature, The use of PEI-SPION (Super paramagnetic iron oxide nanoparticles) as transfection agents in in-vitro studies was investigated with the effect of varying magnetic fields provided by a special magnetic system design, which was used as a miniature magnetic actuator device offering different magnet's turn speeds in the system. Experimental results obtained from experimental magnetic actuator systems were compared to the experiments without magnetic actuation, and it was observed that significant enhancements in transfection efficiency (up to 25-30 %) in MCF-7 and PC-3 cells were attained.
Benzer Tezler
- Microfactory concept with bilevel modularity
İki seviye modülerlikli mikrofabrika kavramı
EMRAH DENİZ KUNT
Doktora
İngilizce
2010
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ASİF SABANOVİC
- Değişken kapasiteli yandan tahrikli elektrostatik mikromotor tasarımı
Başlık çevirisi yok
ERTUĞRUL DOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. R. NEJAT TUNÇAY
- Experimental investigation of laminar flow, pool boiling heat transfer, stability, and bubble dynamics in nanofluids
Nanoakışkan'da laminar akışı, havuz kaynaması ısı transferi, kararlılık, ve kabarcık dinamiğinin deneysel incelenmesi
MEHRDAD KARIMZADEHKHOUEI
Doktora
İngilizce
2017
Mühendislik BilimleriSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ KOŞAR
- Gemi elektrik sistemi ve acil durum jeneratörü kısmi yüklerini besleyen hidrojen yakıt pili modeli
Ship electrical system and fuel cell feeding emergency generator partial loads models
ZEHRA KONAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGazi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MÜSLÜM CENGİZ TAPLAMACIOĞLU