Magnetic actuation, heat transfer and microsystem applications of iron-oxide nanoparticle based ferrofluids
Demir-oksit bazlı ferrosıvıların manyetik eyleme, ısı transferi ve mikrosistem uygulamaları
- Tez No: 394246
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ALİ KOŞAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2013
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 60
Özet
Ferrosıvılar katı fazda manyetik nanopartiküller, sıvı fazda ise herhangi bir baz sıvının kompozisyonundan oluşan koloid süspansiyonlardır. Katı parçacıklar farklı manyetik özellikteki malzemelerden yapılabilirler ve zayıf moleküller arası kuvvetler ile süspansiyonda tutulurlar. Manyetit doğal ferromanyetik özellikleri sebebiyle kullanılan malzemelerden biridir. Ferrosıvılar, mikroakıskanlar alanında, mikroakışkan devrelerinde mikro ölçekte akış kontrolü, akışkanların mikro ölçekte eylemesi ve ilaç sevkiyat mekanizmaları gibi önemli uygulamalara sahiptir. Bu ferrosıvıların ısı transferi performansları da diğer bir çok potansiyel soğutucu gibi analiz edilmeli ve geniş kapsamlı uygulama alanları dikkate alınmalıdır. Yapılan ilk çalışmada, potansiyellerini ortaya çıkarmak amacıyla ferrosıvı eyleyen çeşitli cihazlar tasarlandı ve geliştirildi. İki ayrı amaç için tasarlanan bu cihaz gruplarından ilki kesikli sıvı paketleri eylemesi, ikincisi ise iç çapları 254μm'den 1.56mm'ye değişen tüplerde devamlı akış yaratmak üzere tasarlandılar. Tasarlanan cihazlar öncelikle sunulan eyleme metodunun verimliliğini kanıtlamak amacıyla minitüplerde test edildi. Daha sonra düzenekler mikrotüplerle deneylere devam edilecek şekilde ayarlandı. Deneylerden olumlu sonuçlar elde edilmiştir. Minitüpler ve mikrotüplerden maksimum 300mT manyetik alan değerleri ile devamsız ve devamlı akışlarda sırasıyla 120μl/s ve 0.135μl/s'ye kadar akış debileri elde edilmiştir. Sunulan manyetik eyleme metodunun çalıştığı ispatlanmıştır ve elektromekanik, elektrokinetik ve piezoelektrik gibi var olan mikropompalama metodlarına güçlü bir alternatif olabileceği beklenmektedir. Sonuçlar manyetik nanoparçacıklar içeren ferrosıvıların mikro pompa uygulamalarında daha fazla araştırma eforu hak ettiğini göstermiştir. İkinci çalışmada, 2.5 cm uzunluğunda, iç çapı 514 μm ve dıs çapı 819 μm olan hipodermik paslanmaz çelik mikrotüp içerisinde, ortalama parçacık çapı 25 nm ve hacimsel fraksiyonları 0%- ~5% arasında olan laurik asit kaplı demir oksit (Fe3O4) nano parçacık bazlı ferrosıvıların konvektif ısı transferi iyileştirmesini karakterize etmek amacıyla, konvektif ısı transferi deneyleri yapılmıştır. Sisteme üç farklı akış debisinde (1ml/s, 0.62ml/s ve 0.36 ml/s) 184 W/cm2 varak ısı akışı uygulanmıştır. Yüksek ısı akılarında (>100 W/cm2), (mikrotüpün çıkışından ölçüm alındığında) saf baz sıvısına kıyasla maksimum yüzey sıcaklığında 100% civarında azalma gözlenmiştir. Ek olarak, ısı transferindeki iyileştirme nanoparçacık konsantrasyonu ile birlikte artmış ve bu çalışmadaki hacimsel fraksiyon aralığında (0%-5%), artan hacimsel fraksiyonlarda ısı transferi katsayısı profillerinde herhangi bir satürasyona rastlanmamıştır. Deneylerden elde edilen gelecek vaadeden sonuçlar ferrosıvıların ısı transferi, ilaç sevkiyatı ve biyolojik uygulamalarda kullanımının yeni nesil soğutucular ve geleceğin ilaç taşıyıcıları için avantajlı ve geçerli bir alternatif olduğunu göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Ferrofluids are colloidal suspensions, in which the solid phase material is composed of magnetic nanoparticles, while the base fluid can potentially be any fluid. The solid particles are held in suspension by weak intermolecular forces and may be made of materials with different magnetic properties. Magnetite is one of the materials used for its natural ferromagnetic properties. They have vital applications in the field of microfluidics such as microscale flow control in microfluidic circuits, actuation of fluids in microscale, and drug delivery mechanisms. Heat transfer performance of such ferrofluids is also one of the crucial properties among many potential coolants that should be analyzed and considered for their wide range of applications. In the first study, different families of devices actuating ferrofluids were designed and developed to reveal this potential. A family of these devices actuates discrete plugs, whereas a second family of devices generates continuous flows in tubes of inner diameter ranging from 254μm to 1.56mm. The devices were first tested with minitubes to prove the effectiveness of the proposed actuation method. The setups were then adjusted to conduct experiments on microtubes. Promising results were obtained from the experiments. Flow rates up to 120μl/s and 0.135μl/s were achieved in minitubes and microtubes with modest maximum magnetic field magnitudes of 300mT for discontinuous and continuous actuation, respectively. The proposed magnetic actuation method was proven to work as intended and is expected to be a strong alternative to the existing micropumping methods such as electromechanical, electrokinetic, and piezoelectric actuation. The results suggest that ferrofluids with magnetic nanoparticles merit more research efforts in micro pumping. In the second study, convective heat transfer experiments were conducted in order to characterize convective heat transfer enhancements with Lauric acid coated ironoxide (Fe3O4) nanoparticle based ferrofluids, which have volumetric fractions between 0%- ~5% and average particle diameter of 25 nm, in a 2.5 cm long hypodermic stainless steel microtube with an inner diameter of 514 μm and an outer diameter of 819 μm. Heat fluxes up to 184 W/cm2 were applied to the system at three different flow rates (1ml/s, 0.62ml/s and 0.36 ml/s). A decrease of around 100% in the maximum surface temperature (measured at the exit of the microtube) with the ferrofluid compared to the pure base fluid at significant heat fluxes (>100 W/cm2) was observed. Moreover, the enhancement in heat transfer increased with nanoparticle concentration, and there was no clue for saturation in heat transfer coefficient profiles with increasing volume fraction over the volume fraction range in this study (0%-5%). The promising results obtained from the experiments suggest that the use of ferrofluids for heat transfer, drug delivery, and biological applications can be advantageous and a viable alternative as new generation coolants and futuristic drug carriers.
Benzer Tezler
- 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
ABDULLAH TAHA ÇIKIM
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ KOŞAR
- Biomedical and cooling applications of micro flows
Mikro akışların biyomedikal ve soğutma uygulamaları
MUHSİNCAN ŞEŞEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
BiyomühendislikSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ KOŞAR
- Piezoelektrik tutucunun dizayn ve analizi
The design and analysis of piezoelectric gripper
SEMİH SEZER
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HİKMET KOCABAŞ
- Hyperloop altyapı kapsülü geliştirilmesi
Hyperloop infrastructure capsule development
YEKTA YEŞİLYURT
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HİKMET ARSLAN
- Structural and flow relationship of microfluidics pulsating high and low frequency jets
Düşük ve yüksek frekanslı titreşimle çalışan mikro akışkan jetlerinde yapı-akış ilişkisinin incelenmesi
MUHAMMAD İKHLAQ
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Makine MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Assoc. Prof. Dr. MEHMET ARIK