Geri Dön

Grafen nano parçacıklarla katkılanmış farklı erime sıcaklıklarına sahip faz değişken malzeme kompozitlerin termal özelliklerinin belirlenmesi

Determination thermal properties of grafen based nanomaterials doped phase changeable materials which have different melting temperatures

PDF İndir

  1. Tez No: 479229
  2. Yazar: EYUP ERDİŞ
  3. Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. ÜMİT NAZLI TEMEL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Enerji, Energy
  6. Anahtar Kelimeler: Grafen Nano Plaka, Karbon Nano Tüp, Isıl iletkenlik, Latent Enerji, Fazdeğişken Malzemeler, Parafin, Graphen Nano Plate, Carbon Nano Tube, Multi Layer GNP, Thermal conductivity, Latent Heat, Phase Changeable Material, Paraffine
  7. Yıl: 2017
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Cumhuriyet Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Enerji Bilimleri ve Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 79

Özet

Faz değişken malzemelerin (FDM) bir termal enerji depolama ünitesi veya ısı enerjisi aktarma sisteminin ana bileşeni olarak geniş bir yelpazede çeşitli uygulamaları bulunmaktadır. İnşaat ve otomotiv sektörü başta olmak üzere elektronik, savunma ve uzay sanayisinde temel yapısal ve kontrol sistemlerinin ısıl şartlandırma malzemesi olarak enerjinin kısa süreli yada uzun süreli saklanmasını veya dengelenmesini sağlamak amaçlı kullanılmaktadır. Bir çok faz değişken malzemenin, farklı erime sıcaklıklarına sahip olarak üretilebilir olması ve sınıflandırılması, termal kontrol sistemlerinde mühendislerin esnek malzeme seçimini kolaylaştırmaktadır. Dolayısıyla bu malzemelerin erime ve donma işlemleri sırasında gerçekleşen faz değişim ısı enerjileri dediğimiz latent ısı enerji kapasitelerinden optimum seviyede faydalanmamızın araştırılması gerekmektedir. FDM' lerin çok dar sıcaklık aralığında ya da sabit varsayılan bir sıcaklıkta erirken aldıkları veya katılaşırken verdikleri faz değişim ısısı (Latent Isı) karekteristikleri temel alınarak, tasarlanan çok çeşitli enerji transfer veya ısı tasarruf ve kontrol mimarileri oluşturulmaktadır. Bu uygulama süreçleri planlanırken, çalışılacak parafin malzemelerin seçimi sırasında, FDM'nin ekonomik bulunabilirliği , en uygun operasyon sıcaklık noktası veya sıcaklık aralığı, Latent ısı kapasitesi ve ısıl iletkenlik katsayıları gibi etkenler göz önüne alınarak saptanır. Geniş sıcaklık yelpazesinde seçilen FDM malzemesinin erime ve donma latent (ısıl uyku) enerjisi 200 J/g mertebelerinde olduğu için çok tercih edilmekte olmasına karşın ısıl iletkenlik katsayısı 0,2 ve 0,4 W/m.K arasında bir değerdedir. Seçimi yapılan FDM' nin performansında en kritik özellik Latent ısı karekteristiği olmasının yanı sıra bir çok uygulamada bu latent ısı şartlarına erişim hızının ancak ısıl iletkenliği artırmakla mümkün olduğunu ve dolayısıyla buna yönelik iyileştirici çalışmalar yapmak gereği ortaya çıkmaktadır. Seçimi yapılan FDM' nin k; ısıl iletkenliğini artırmamız için kullanılan yöntemler son yıllarda özellikle enerji, malzeme ve nanoteknoloji alanlarında bilimsel çalışmaların en önemli konuları arasındadır. Değişik şekillerde ve içerikte kullanılmakta olan (FDM) organik -parafin faz değişken malzemelerden, istenilen termal denge koşullarında latent enerjilerinden maksimum yararlanmak için termal süreç iyileştirilmesi ve ısıl kapasite miktarı kullanımına bağlı olarak teorik ve deneysel hesaplamalar sonucu değişik tasarımlar yapılmıştır. FDM' lerin ısıl iletkenlik katsayısılarını artırmak için farklı yöntemler uygulana gelmiştir. Bunlardan en önemlileri, faz değişken malzemenin yüksek ısıl iletkenliğe sahip malzemeden üretilmiş konteyner kap içerisine konularak iletken ısıl temas yüzeylerinin artırıldığı düzeneklerdir. Bir diğer FDM modeli, yüksek ısıl iletkenlik katsayısına sahip olan kanatçık veya kafes materyali ile FDM birleşiminden oluşur. Bu sistemlerde yüksek ısıl iletkkenlik katsayısına sahip karbon, silikon veya metalden oluşturulmuş kafes malzemeler kullanılmıştır. En çok tercih edilen iyileştirme modeli ise, FDM' lere ısıl iletkenlik değeri yüksek, nano ölçekte parçacıklar (NP) katkılanarak elde edilen NP-FDM kompozit malzemesidir. Farklı konsantrasyonlarda ve farklı nano boyutlarda (1 ila 100nm) kalınlık veya çaplarda karbon tabanlı grafen nanoplakalar, nanotüpler ve nanofiberler katkılanarak, iletkenliği yüksek düzeydeki bu parçacıklarla oluşturulan NP-FDM kompozit malzemesinin istenilen ısıl performansta çalışması sağlanabilmektedir. Bizim çalışmamızda deneysel olarak karşılaştırdığımız üç farklı (42, 62 ve 82 oC) erime sıcaklığına sahip organik parafin faz değişken malzemelerle, üç farklı kalınlıkta grafen plakalar ve çok duvarlı karbon nano tüp ayrı ayrı katkılanarak nano parçacık kompozit malzemeler elde edilmiştir. Oluşturulan NP-FDM numunelerinin ısıl iletkenlik değerlerindeki değişim KD2 Pro iletkenlik ölçme cihazı ile saptanmıştır. Bu kompozit NP-FDM lerin ısıl performansları DSC (diferansiyel taramalı kalorimetre) ünitesinde yapılan deneylerle sıcaklık ve kullanım latent ısı kapasitelerindeki değişimler detaylı olarak karşılaştırılmıştır. Saf FDM lerin yüksek latent kapasitelerinden yararlanmak asıl amaç olduğundan, karbon nanoparçacık katkılanarak yaptığımız çeşitli deneylerde ısıl iletkenlik değeri artırılırken, latent faz değişim ısı enerji kapasitesinin analizleri, FDM' ye katkılanan nano parçacık boyutu, şekli ve miktarlarına bağlı olarak nasıl değiştiği, elde edilen deneysel veriler ışığında tartışılmıştır. Bu çalışmada A82 parafin FDM' ye katkılanan 3 tip grafen nano plakalardan optimum GNP boyutu belirlenerek, A42, A62 ve A82 saf parafin malzemesine katkılanarak GNP ve MWCNT davranışları her üç FDM için karşılaştırmalı olarak incelenerek hangi ısıl özelliklerde uygulanabilirliğine yönelik ayrıntılı bir inceleme sunulmuştur. Yapılan deneylerde belirlenen parafin FDM lerdeki ısıl iletkenlik performansını artıran en iyi nano parçacık GNP(6-8nm) saptanmıştır. A82 için ısıl iletkenlik katsayısı değerini %154 artırmış, A62 için %221 ve A42 FDM için %218 iyileştirme değerleri bulunmuştur.

Özet (Çeviri)

Phase changeable materials (PCM) have a wide range of applications as a thermal energy storage unit or as the main component of the heat energy transfer system. In recent years, storage of thermal energy has become a very important topic in many engineering applications and has been the subject of a great deal of research activity. It is mainly used in the construction and automotive sector, as a thermal conditioning material for basic systems and control systems in the electronics, defense and space industries. It is used for long term storage or balancing of energy. The production and classification of many phase-change materials with different melting temperatures facilitates the selection of flexible materials for engineers in thermal control systems. Therefore, it is necessary to investigate whether these materials utilize the latent heat energy capacities of melting and freezing phase change heat capacities at the optimum level. A wide variety of energy transfer or heat saving and control architectures are being designed, based on the PCM's characteristics of very low temperature range, or phase change heat (Latent Heat) that they acquire or solidify when cooled at a fixed temperature. During the selection of the paraffin materials to be worked out, the economical availability of PCM is determined by taking into account such factors as the optimal operating temperature or temperature range, latent heat capacity and thermal conductivity coefficients, while planning these adaptation processes. The thermal conductivity coefficient is a value between 0,2 and 0,4 W / mK, although the melting and freezing latent (thermal sleep) energy of the selected PCM material in the wide temperature range is 200 J / g. The most critical feature in the performance of the selected PCM in addition to being a latent heat characteristic, in many applications it appears that the rate of access to these latent heat conditions is only possible by increasing the thermal conductivity, and therefore, to carry out remedial work for it. There are various types of phase change materials commercially being used in several applications; paraffins are the most commonly used, as they show good storage density with respect to mass, and start to melt/solidify congruently without any sub cooling. The methods used to increase the thermal conductivity are among the most important topics of scientific studies in recent years. Different forms of phase-change materials based on organic paraffin-based (PCM) materials used in different shapes and compositions have been theoretically and experimentally calculated depending on the use of thermal process improvement and the amount of thermal capacity to maximize latent energies in the desired thermal equilibrium conditions. Different methods have been applied to increase the thermal conductivity coefficients of PCMs. The most important of these are the arrangements in which the conductive thermal contact surfaces are increased by placing the phase-variable material in a container container manufactured from material having high thermal conductivity. Another PCM model consists of a combination of a fin or a lattice material with high thermal conductivity and PCM. In these systems, cage materials made of carbon, silicon or metal with high heat transfer coefficient are used. The most preferred model is NP-PCM composite material obtained by adding high nanoscale particles (NP) to PCM's thermal conductivity value. By combining carbon-based grafhene nanoplates, nanotubes and nanofibers at different concentrations and different nano sizes (1 to 100 nm) thickness or diameter, the desired thermal performance of NP-PCM composite material formed with these highly conductive particles can be achieved. Experimental comparison of three different (42, 62 and 82 oC) melting temperature organic paraffin phase variable materials, three different thickness of graphene plates and multiwalled carbon nanotubes were obtained separately to obtain nanoparticle composite materials. The change in the thermal conductivity values of the experimentally generated NP-PCM samples was determined with the KD2 Pro conductivity meter. The thermal performances of these composite NP-PCMs were compared in detail to the changes in temperature, enthalpy, and latent heat capacities of use by experiments performed in the DSC (differential scanning calorimeter) unit. Since the main purpose of utilizing the high latent capacities of pure PCMs is to increase the thermal conductivity in various experiments we have made by adding carbon nanoparticles, the latent phase change is discussed in the experimental data of how the thermal energy capacity changes with the size, shape and amount of the added particles. In this study, thermal behaviors varying with the doped nanoparticles ( 3 types of Grafen and 1 type of Mwcnt ) of PCM pure paraffin materials in three different properties are examined comparatively and a methodical approach to their applicability to thermal properties is presented.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    521544

    Elektromanyetik dalga engeli tekstil ürünleri üzerine bir araştırma: Polimer kaplama ve yüzey–arayüzeyler ile ilgili yapısal incelemeler

    A research on electromagnetic wave shield textile products: Polymer coating and the structural investigations related with surface-interfaces

    EREN ÖZÜPEK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Polimer Bilim ve TeknolojisiHacettepe Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEMRA İDE

  2. Tez No

    758979

    Yeni tasarım nanokompozit kaplamalar ile ekranlama ve biyofiziksel özelliklerin araştırılması ve geliştirilmesi

    Research and development of shielding features and biophysical properties by coating with new designed nanocomposites

    MUSTAFA ZAFER BELİRGEN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Mühendislik BilimleriHacettepe Üniversitesi

    Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEMRA İDE

  3. Tez No

    807285

    Energy dissipation and rate-dependent deformation behavior of STF-integrated PU foam nanocomposites

    STF entegre PU köpük nanokompozitlerin enerji emme ve hıza bağlı deformasyon davranışı

    EMRE GÜNDÜZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BÜNYAMİN KARAGÖZ

  4. Tez No

    694028

    Synergistic effect of nanoparticles in three-dimensional network of carbon-based quantum dots on mechanical properties of polyurethane hybrid nanocomposite foams

    Üç boyutlu karbon kaynaklı kuantum nokta ağında nanoparçacıkların poliüretan hibrit nanokompozitlerin mekanik özellikleri üzerinde sinerjik etkisi

    MAKBULE IRMAK PEKER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LEVENT TRABZON

  5. Tez No

    709863

    Nanomaterials in macromolecular synthesis

    Makromoleküler yapıların sentezinde nanomalzemelerin kullanımı

    AZRA KOCAARSLAN AHMETALİ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YUSUF YAĞCI

Geri Dön