Determination of density and viscosity of fluids and fluid mixtures using frequency response of microcantilevers
Microçubukların frekans tepkisi ölçümleri kullanılarak yoğunluk ve ağdalık değerlerinin belirlenmesi
- Tez No: 397239
- Danışmanlar: PROF. DR. CAN ERKEY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 91
Özet
Bu çalışma yüksek basınçta gazlarda ve süperkritik akışkanlarda mikro mekanik çubuklar kullanılarak ağdalık ve yoğunluk ölçümü yapılan ilk çalışmadır. Bu çalışmada, mikro-çubukların argon, nitrojen, karbondioksit ve karbondioksit-nitrojen karışımları içindeki çınlanım sıklığı (f0) ve nitelik katsayıları (Q) 308.15 K sıcaklıkta 24 MPa basınca kadar araştırıldı. Ölçümler 273-423K sıcaklığa ve 300 atm basınca dayanıklı yüksek basınçlı kapta ölçümler yapılmıştır. Mikromekanik çubukların bulunduğu mikro çip ve elektromagnetyüksek basınçlı kabın içerisine yerleştirilmiştir. Ölçümler, mikroçubukların alternative akımlı manyetik alanda hareket ettirilmesi sonucu quadrant fotodiyot ile laserin sapması prosedürüyle elde edilmiştir. Sabit sıcaklıkta, çınlanım sıklığı ve nitelik katsayılarının basınç artışıyla azaldığı görülmüştür. Deneysel sonuçlar salınan mikroçubukların hidrodinamik kuvvetleri hesaba katarak davranışını tanımalayan Sader'ın modeli ile karşılaştırılmıştır. Deneysel olarak elde edilen çınlanım sıklığı ve nitelik katsayılarını değerleri Sader'ın modeli kullanlarak elde edilen değerlere yakın bulunmuştur. Bu değerlerin yakın olması deneysel olarak izlenen yolun, gaz ve süperkritik akışkan ve akışkan karışımlarında yoğunluk ve ağdalık ölçümleri için uygun olduğunu gösterir. Çınlanım sıklığı ve nitelik katsayısı kullanılarak nitrojenin ağdalık ve yoğunluk ölçümleri bildirilmiştir. Öncelikle yoğunluk ve ağdalık değeri bilinen argon ile referans ölçüm alınarak kalibrasyon parametreleri saptanmıştır. Daha sonra, bu kalibrasyon parametreleri model denklemlerinde kullanılarak istenen sıcaklık ve basınçta nitrojenin ağdalık ve yoğunluk değeri bulunmuştur. Çalışılan başınç aralığında, yoğunluk ve ağdalık değerleri NIST veritabanındaki değerlerle karşılaştırılmış, kök ortalama kare sapması çınlanım sıklığı ve nitelik katsayısı için 2.5% and 5.2% olarak bulunmuştur.Akışkan karışımlarını incelemek adına CO2-N2 karışımı model karışım olarak seçilmiştir. Bu karşımda ağdalık ve yoğunluk ölçümü nitrojen referans akışkan kullanılarak yapılmış, göreceli sapma değer aralığı yoğunluk değerleri için 0.96 % -13.27 % ve ağdalık değerleri için 2.42 %- 15 % bulunmuştur.
Özet (Çeviri)
In this study, we investigate the resonant frequency and Q-factor of ferromagnetic nickel microcantilever immersed in Ar, N2, CO2 and CO2-N2 binary mixtures at 308.15 K and pressures up to 24 MPa. Measurements were performed using an experimental setup that includes a temperature controlled high-pressure vessel which can operate within a temperature range of 273 – 423 K and a pressure range of 1 – 30 MPa. A microchip containing microcantilevers and an electromagnet for microcantilever actuation were placed inside the vessel. The procedure followed for the determination of microcantilever frequency response then involved driving of microcantilevers with AC magnetic field at varying frequencies and detecting of the corresponding laser deflections from the driven cantilevers with a quadrant photodiode (QPD). At a constant temperature, resonant frequency and Q factor of microcantilever oscillations were found to decrease with increasing pressure as a result of increasing density and viscosity of the fluid. Experimental data was analyzed using Sader's model which describes oscillatory motion of immersed cantilevers incorporating the effects of density- and viscosity-dependent hydrodynamic forces. A very good agreement between the experimentally obtained cantilever resonant frequencies and quality factors and the predictions of Sader's model was observed. The low difference in experimental and theoretical values illustrates that our experimental approach is suitable for the density and viscosity measurement of gas and supercritical fluids and fluid mixtures at a wide range of pressures. Based on these results, we carried out simultaneous measurement of density and viscosity of nitrogen from the measured frequency responses of an oscillated microcantilever immersed in N2. To this end, using argon as a reference fluid of known density and viscosity, cantilever calibration parameters were obtained from nonlinear regression of cantilever resonant frequencies and quality factors recorded in argon. Subsequently, these calibration parameters were used in the model equations to determine the density and viscosity of nitrogen at the given experimental pressure and temperature. In the studied pressure range, the root-mean-square deviations of the measured density and viscosity of nitrogen from the reference values obtained from NIST database were 2.5% and 5.2%, respectively. Finally, we studied thermophysical properties of more complex fluid systems represented by fluid mixtures. In order to investigate the density and viscosity of fluid mixtures, CO2-N2 binary mixture was chosen as a model fluid. The average relative deviation range for different compositions of CO2-N2 binary mixture was found to be 0.96 % -13.27 % for density and 2.42 %- 15 % for viscosity when N2 was used as reference fluid.
Benzer Tezler
- Microcantilever based sensor for characterization of ethanol-CO2 fluid mixtures at high pressures
Mikro-mekanik çubuk temelli sensörlerin etanol-CO2 akışkan karışımlarının yüksek basınçta karakterizasyonu için kullanımı
SHADI KHAN BALOCH
Doktora
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiPROF. DR. ALPHAN SENNAROĞLU
PROF. DR. CAN ERKEY
- Sürekli yanma odalarında alev cephesinin dinamik yapısına ait bir çalışma
A Study on the dynamic structure of flame front in continuous combustion chambers
ALİ SÜRMEN
- Nanoakışkanların termofiziksel ve reolojik özelliklerinin yapay sinir ağları ile tahmin edilmesi
Prediction of the thermophysical and rheological properties of nanofluids with artificial neural network
KASIM ERDEM
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDUSSAMET SUBAŞI
- Oleik-asit-füzel yağı fraksiyonu esterleşme ürününün yağlama yağı olarak değerlendirilmesi
Esterification product of oleic acid-fusel oil fraction as a lubricating oil
AYKUT ÖZGÜLSÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FİLİZ KARAOSMANOĞLU