T.C.
TRAKYA ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
FERROMANYETİK AKIŞKANLAR VE KULLANIM ALANLARI
1178107102 Selcen ÇALIŞKAN
SEMİNER (YL)
TERMODİNAMİK ANABİLİM DALI
DANIŞMAN: Dr. Öğr. Üyesi Çiğdem SUSANTEZ
EDİRNE 2018
ÖZET
Ferroakışkan, sıvı baz akışkan ve bu akışkan içinde dağılmış ve laurik asit, oleik asit benzeri malzemelerle kaplanmış (yüzey aktif madde) ince nanopartiküllerin kolloidal karışımından oluşan bir akışkan tipidir. Ferroakışkanın kullanım alanları oldukça geniştir. Örneğin, ısıtma/soğutma sistemlerinde bu tip bir nanoakışkan sabit veya alternatif manyetik alan ile yönlendirilerek ısı transferinde verim arttırılabilmektedir. Bu alanda, pasif sistemlerde ferroakışkanın sıcaklık ile manyetik duyarlılığının değişmesi özelliğinden faydalanılmaktadır. Ferroakışkanlı sistemlerin tercih edilmesinin sebeplerinden biri de sistemin enerji sarfiyatını düşürmeyi hedeflerken aynı zamanda sistemin daha basit şekilde kurulabilir olmasıdır. Elbette ki bu tip bir sistemin tamamen sızdırmaz olması gerekliliği gibi zorlayıcı birtakım faktörler de mevcuttur.
Anahtar Kelimeler: Ferroakışkan, ısı transferi, manyetik alan.
ABSTRACT
Ferrofluid is a fluid type consisting of colloidal mixture of liquid base fluid with fine nanoparticles dispersed in this fluid and coated with lauric acid, oleic acid-like materials (surfactant). The fields using of ferrofluid are quite extensive. For example, in a heating / cooling system, such a nanofluid can be directed by a permanent or an alternating magnetic field to improve efficiency in heat transfer. In this field, the changing property of magnetic susceptibility of ferrofluid by temperature increase / decrease is utilized in passive systems. One of the reasons for the preference of ferrofluid systems is that it aims to reduce the energy consumption of the system and at the same time the system can be installed more easily. There are, of course, some compelling factors, such as the need for this type of system to be completely leakproof.
Keywords: Ferrofluid, heat transfer, magnetic field.
ÖNSÖZ VE TEŞEKKÜR
Bu çalışmada ferromanyetik akışkanların özelliklerine, kullanım alanlarına ve çoğunlukla sağlayacağı avantajlara değinilmiştir.
Bu çalışmayı yapmamda bana yardımcı olan Dr. Öğr. Üyesi Çiğdem SUSANTEZ hocama teşekkürü bir borç bilirim.
Selcen ÇALIŞKAN
İÇİNDEKİLER
ÖZET…………………………………………………………………………………………………………………………i
ABSTRACT……………………………………………………………………………………………………………….ii
ÖNSÖZ VE TEŞEKKÜR……………………………………………………………………………………………iii
ŞEKİLLER DİZİNİ……………………………………………………………………………iv
1. GİRİŞ………………………………………………………………………………………………………………………1
2. FERROAKIŞKAN KULLANILAN ISI TRANSFERİ UYGULAMALARI……………….6
3. FERROAKIŞKANIN MEKANİK ALANDA KULLANIMI………………………………10
4. FERROAKIŞKANIN MEDİKAL UYGULAMALARI……………………………………12
5. FERROAKIŞKANIN ELEKTRONİK ALANDA KULLANIMI………………………….15
6. SONUÇ……..……………………………………………………………………………….17
KAYNAKLAR………………………………………………………………………………………………………….18
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 1. Sinüsoidal borunun iki boşluğu için Rem = 50′ de akış çizgileri. (a) A = 0.1, (b) A = 0.2, (c) A = 0.3……………………………………………………………………………………………………………………7
Şekil 2. Kendinden pompalanan sistem şeması………………………………………………………………….7
Şekil 3. PVT sisteminin yapısı………………………………………………………………………………………..9
Şekil 4. Çalışmanın şematik görünümü……………………………………………………………………………9
Şekil 5. Deneysel kurulum……………………………………………………………………………………………10
Şekil 6. (a) Göç/Geçiş Aletinin Şematik Diyagramı, (b) alt tabaka yüzeyindeki sıcaklık gradyanının dağılımı ve (c) sürtünme test cihazının kroki haritası………………………………………11
Şekil 7. Bir RF jeneratörü, değişken bir manyetik alan oluşturmak için iki-dönüşlü bir bobin, fareyi tutan bir zemin, bir su sirkülasyonlu ısıtma yastığı, bir pompa ve 37 °C’lik ılık su sağlayan bir su haznesi dahil olmak üzere çalışmanın deneysel kurulumu………………………………………..12
Şekil 8. Periferik akciğer teşhisine potansiyel bir uygulama gösteren, kateter içine gömülmüş gelişmiş mikro döner motor tarafından sağlanan bir yan görüntüleme mikro endoskopik Raman kateterinin kavramsal şeması………………………………………………………………………………………..13
Şekil 9. Çevresel kiriş taraması için ferro-sıvı yardımlı mikromotor cihazın tasarımı: (a) Eksenel kesit görünümü; kübik magnetrotor (A-A ‘)’ daki radyal kesit görüntüleri, (b) tek bobinli ve (c) çift-bobinli aktivasyon modları ve (d) disk mıknatısındaki (B-B ‘)……………………………………..14
Şekil 10. Ferroakışkan ile basınç fark sensörü prensibi……………………………………………………..15
Şekil 11. Önerilen harvester yapısı………………………………………………………………………………..16
Şekil 12. Önerilen enerji harvester(dönüştürücü) prototipi………………………………………………..16
1. GİRİŞ
Genellikle, akışkanlar metal süspansiyonlarla karşılaştırıldığında daha düşük termal iletkenliğe sahiptir. Bu nedenle farklı maddelerin (metaller, metal oksitler, vb.) nano boyuttaki parçacıklarının bir taşıyıcı sıvı içinde dağılımı (nano akışkanlar olarak bilinen) ısı iletimi ve elektronik soğutmalarda potansiyel uygulamaları nedeniyle son yıllarda yoğun araştırmaların konusu olmuştur. Manyetik nano akışkanlar (ferroakışkan), manyetik olmayan bir taşıyıcı sıvı içinde asılı süperparamanyetik nanopartiküllerden oluşan bir çeşit nano akışkandır. Bu akışkanlar, akıllı veya fonksiyonel akışkanlar gibi eşsiz karakteristik davranışlarından dolayı modern nanoakışkanlar kümesidir. Viskozite ve iletkenlik gibi özellikleri harici bir manyetik alan altında değiştirilebilir ve reolojik özellikleri doğru bir şekilde kontrol edilebilir. Bu özellikler ve özellikle ısı transferi arttırma yeteneği, bu tür sıvıları birçok araştırmacı için ilginç bir konu haline getirmektedir. Ferroakışkanlar benzersiz özelliklerinden dolayı elektronik, mekanik, uzay ve biyomühendislik gibi pek çok mühendislik alanındaki aşamalı olarak kullanılmaktadır [1].
Ferromanyetik alanında bir literatür taraması yapılmış ve ferroakışkan özellikleri ile alakalı önemli sonuçlar gösteren çalışmalar aşağıdaki gibi derlenmiştir.
Ferroakışkanın manyetik alandan etkilenmeyen diğer nanoakışkanlardan en önemli farkının kontrol edilebilirliği olduğu düşünülebilir. Bu kontrol mekanizması sabit mıknatıslarla olabileceği gibi mıknatısları açıp kapayarak da oluşturulabilir. Mıknatısı açıp kapama sıklığını arttırmanın (Hz), mıknatıs sayısını arttırmanın, mıknatısın oluşturduğu manyetik alan kuvveti değerini arttırmanın avantajları görülmüştür.
Kullanılan temel denklemler aşağıdaki gibidir:
Manyetik akı yoğunluğu için Gauss yasası ifadesi:
B=μo (M+H)
Manyetik alan için Ampere Yasası:
∇.B=0
Akışkanın iletken olmadığı kabulüyle elektromanyetik akım ihmal edilebilir:
∇×H=0
Manyetik alan şu şekilde yazılabilir [23]:
H=-∇V_m
Vm skaler manyetik potansiyeldir ve bir hat dipol için şu şekilde ifade edilebilir:
“m” burada manyetik alan kuvvetini temsil eder. X ve Y, tek bir dipolün konumlarıdır. Bu durumda H kutupsal koordinatlarda elde edilir:
Manyetik alan ile mıknatıslanma vektörü arasındaki ilişki aşağıdaki gibidir:
Sıcaklığın fonksiyonu olarak manyetik duyarlılık:
Ferroakışkanların sıcaklığa bağlı olarak manyetik alandan etkilenme şiddeti değişir. Soğuk ferroakışkan sıcak ferroakışkana göre manyetik alandan daha fazla etkilenir. Ferroakışkanın sıcaklığa bağlı manyetik duyarlılık ifadesi “χm” olarak ifade edilir. Stan ve diğ. [16] manyetik duyarlılığın değişimi ile alakalı gerçekleştirdiği deneysel bir çalışmada göstermiştir ki; bu etki, nanoparçacıkların ferromanyetik çekirdeğinin ortalama hacminin sıcaklığın düşürülmesi ile artmasının bir sonucudur.
Sıcaklığın fonksiyonu olarak manyetik duyarlılık ifadesi:
Akışın viskozluğunun özellikle pasif soğutma sistemlerinde önemi ön plana çıkmaktadır. Akışın viskozitesi ne kadar düşük olursa hızlanması da artacağından ısı transferinde iyileşme sağlanır. Fang ve diğ. [13] 2 boyutlu basit kapalı bir sistem ele almıştır. Sıcak bölge yakınına sabit mıknatıs yerleştirerek doğal sirkülasyon oluşumunu gözlemlemiş ve soğutma sisteminin performansını optimize etmek için sırasıyla geometri ve dinamik viskozitenin ısı transferini nasıl etkilediğini araştırmıştır. Düşük dinamik viskozitenin soğutma sisteminin performansında belirgin bir artışa sebebiyet verdiğini görmüştür.
Belirli bir sistemde kimi zaman akışı kontrol etmek ihtiyacı duyulabilir. Örneğin sistemin belirli bölgelerinde daha fazla soğutma yapmak istenebilir ve dışarıdan müdahale edilmesi gerekli olabilir. Bu ise daha fazla enerji sarfiyatı ve daha karmaşık sistem gereksinimine sebep olacağından alternatif yollar aranır. Fakat sisteme soğuk ferroakışkan gönderilmesinin manyetik alan yokluğunda dahi avantaj sağladığı ispatlanmıştır. Elbette ferroakışkan ısındıkça manyetik duyarlılığı azalacağından manyetik alan kuvvetinin arttırılması gerekeceği göz ardı edilmemelidir. Böyle bir durumda, yani sistemin belirli bölgelerinde farklı bir soğutma yapılmak istendiğinde manyetik alanla yönlendirilebilen ferroakışkan kullanmak faydalı olabilir. Bu anlamda sistemin gerektirdiği enerjinin hesap edilip, aksi durumdaki enerji gereksinimiyle karşılaştırılması gerekmektedir.
Xuan ve Lian [14] elektronikte sıvı soğutucu olarak kullanılmak üzere ferroakışkan içeren bir soğutma sistemi önermişlerdir. Ferroakışkanlı sistemlerin çok basit yapıya sahip olması, hareketli parça veya elektrot içermemesi, pistonlu aktüatörlerde olduğu gibi akış darbesi olmaması, akışkan akışının mıknatıs ile kontrol edilebilmesi ve dolayısıyla enerji tüketimi gerektirmemesi gibi pratikteki uygulamasının avantajlarından ve bununla birlikte piyasadaki mekanik pompaların kullanımının genellikle zayıf güvenilirliğe, yüksek enerji tüketimine ve diğer sorunlara yol açması dolayısıyla bu çalışmada manyetik sıvıların termomanyetik etkisi ile pratik bir sıvı soğutma sistemi tasarımı sunulmuştur. Yine farklı bir deneysel çalışmada Kurtoğlu [17] ısı aktarım sıvıları olarak ferroakışkanların kullanılmasının, gelişmiş ısı transfer performansları, kolay hazırlama yöntemleri, büyük miktarlarda sentezlenebilmeleri, aglomerasyon ve birikimi önlemek için Laurik asit kaplamayla gelişmiş kararlılığa sahip olmaları, daha küçük nanopartikül boyutlarında ısı aktarımı sırasında minik kanalların tıkanmasını engellemesi gibi özellikleri dolayısıyla güçlü ve uygulanabilir bir alternatif olduğunu düşündürmektedir.
Ferroakışkan kullanılan sistem ile alakalı yapılan bir araştırmada, baz akışkan değiştirilerek akışın kararlılığının değiştiği gözlenmiştir. Garg ve diğ. [15] baz akışkan olarak su kullanıldığında sürekli bir akış değişimi (basınçtaki gözlenen farklılık) olduğunu ve bu sebeple sistemlere zararlı olan titreşimli bir akış meydana geldiğini, bununla birlikte yağ bazlı akış düzgün ve üniform olduğunu fark etti. Su bazlı akışkan yağ esaslı akışkanla karşılaştırıldığında yüksek bir ısı transfer katsayısına sahiptir; bu nedenle çalışmada varılan sonuca göre, yüksek yoğunluk kullanılacaksa bazı geometrik modifikasyonlardan sonra su bazlı bir sıvı seçilebilir.
Gandomkar ve diğ. [18] akışın kararlılığının içerisinde aktığı boru malzemesine bağlı değişimi ile alakalı bir deneysel çalışma gerçekleştirmişlerdir. Ferroakışkanın bakır boruda dengesiz, aglomere olmuş ve çökelmiş olduğunu; buna karşın Pyrex cam boruda akışın daha kararlı olduğunu görmüşlerdir. Pyrex ısı borusu için nanoakışkan durumu stabilken, manyetik alanın uygulanmasının zayıf performansa neden olduğunu; bakır ısı borusu için ise, nanoakışkan kararsızken, manyetik alanın uygulanmasının performansı arttırdığını tespit etmişlerdir. Çalışmada yapılan bakır PHP (pulsating heat pipes) testlerinin sonucunda, daha yüksek konsantrasyonların daha düşük güçlerde ve manyetik alanın mevcut olmadığı durumlarda ciddi bir performans düşüşüne neden olduğunu görmüşlerdir. Bununla birlikte, tüm konsantrasyonlarda ve ısı güçlerinde manyetik alanı uygulandığında performansın arttığı, manyetik alan uygulamasının rejimleri daha düşük güçte geliştirmeyi hızlandırdığı sonucuna varılmıştır.
U. Banerjee ve diğ. [20] çalışmasında hareketli bir mıknatısın, ferro-akışkan maddenin kılcal akışını etkin bir şekilde kontrol edebileceğini tespit etmiştir. Mikrokanalın altındaki mıknatısın iki yönlü hareketini durdurup tekrar başlatarak akışkan hareketini kontrol altına alabilmiştir. Normal kılcal akış durumunda (mıknatıssız) menisküs hızı kanal boyunca azalmış; bununla birlikte sabit mıknatısın mikrokanal çıkışına yerleştirilmesiyle, mıknatıs etkisi altına girdiğinde ferro-akışkan menisküs hızı keskin bir şekilde artmıştır (on sekiz katından daha fazla). Bu nedenle çalışmaya göre sabit mıknatıslar, mikrokanallarda ferroakışkanların kılcal akışının arttırılması için etkili bir araç olarak kullanılabilir. Normal kapiler akımda elde edilmesi güç olan sabit menisküs hızı, magneto kılcal akım kullanılarak elde edilmiştir. Çalışmaya göre, burada sunulan sabit ve hareketli daimi mıknatıs kullanılarak sıvı menisküslerin manipülasyonu biyokimyasal ve kimyasal uygulamalar için mikroakışkanlarda önemli uygulamaları bulabilir.
2. FERROAKIŞKAN KULLANILAN ISI TRANSFERİ UYGULAMALARI
Ferroakışkan ile ısıtma/soğutma üzerine yapılan bazı çalışmalar göstermiştir ki; manyetik alan yokluğunda dahi Fe3O4 bazlı nanoakışkan kullanmak, damıtılmış suya göre daha avantajlıdır. Goharkhah ve diğ. [9] çalışmasında ortalama ısı transfer katsayılarını hesap ederek manyetik alan uygulanmadığı durum için Re = 1200’de ve her iki durum damıtılmış suya kıyasla olmak üzere, ortalama konvektif ısı transferinin φ =%1 (hacim fraksiyonu) iken %8.3 ve φ =% 2 iken %13.5 yükseldiğini göstermiştir. Ferroakışkanın hacim fraksiyonunu arttırmanın ısı taşınımını iyileştirdiği görülmüştür. Fadei ve diğ. [10] de bir borudaki manyetik nanoakışkanların üç boyutlu, zorlanmış ısı taşınımını araştırmış ve ısı transfer katsayısının nanoparçacıkların hacim fraksiyonundaki artışla birlikte daha büyük hale geldiğini söylemiştir. Bu yapılan çalışmalarda ferroakışkanın içindeki manyetik alandan etkilenen nanopartiküllerin artması parçacıkların birbiri arasındaki ısı iletimini arttıracağından bu akışkan ile ısıtılması veya soğutulması istenen yüzey arasındaki ısı transferini hızlandıracaktır.
Mıknatısların konumları da önem taşımaktadır. Optimum bir ısı taşınımı gerçekleştirmek için mıknatısların konumlarıyla oynayarak doğru konumun belirlenmesi gereklidir. Örneğin; bir boru etrafında tek sıra mıknatıs yerleştirilebileceği gibi karşılıklı şekilde de konumlandırılabilir. Soğutma yapılacak şartların gereksinimine göre her durum değerlendirilmelidir. Yarahmadi ve diğ. [11] mıknatıs sayısını ve manyetik alanın uygulama sıklığını arttırarak, daha yüksek ısı transfer katsayıları elde edilebileceğini kanıtlamıştır.
Goharkhah ve diğ. [12] eşit şekilde ısıtılmış paralel plakadan oluşan kanala akan ferroakışkanın dört adet elektromıknatıs tarafından oluşturulan bir harici manyetik alandan nasıl etkilendiğini ele almıştır. Maksimum konveksiyonel ısı transferi arttırımının, Re = 1200 ve φ = % 2’de damıtılmış suya göre, manyetik alan yokluğunda % 16.4 iken sabit ve alternatif manyetik alan uygulaması ile sırasıyla %24.9 ve %37.3’e kadar yükseldiğini kanıtlamıştır. Bununla birlikte kalıcı/sabit mıknatıs kullanımının avantaj sağladığı durumlar da mevcuttur. Fadaei ve diğ. [10] kendi çalışmasına bağlı olarak ısı aktarım hızı ve Nu değerinin kalıcı mıknatıs manyetizasyonu yoğunluğu ve elektrik akımı şiddetinde bir artış ile arttırılabileceğini; bununla birlikte, daimi mıknatısların kullanılmasını daha etkili olduğunu savunmuştur.
Ferroakışkan kullanılarak ısı transferini arttırmaya yönelik, yüzey alanı arttırılmış ısı değiştirici tasarımının ele alındığı bir çalışma örnek gösterilebilir. Mousavi ve diğ. [19] sinüzoidal iki borulu ısı eşanjörü içindeki ferroakışkan akışı üzerine manyetik alanın etkisinin sayısal olarak incelendiği bir çalışma gerçekleştirmiştir. Ele aldığı ısı değiştiricide iç borunun sinüzoidalliği için bir şekil katsayısı belirlemiştir ve farklı şekil katsayılarındaki Nusselt sayılarını tespit ederek sistemin ısı transferinin ne kadar iyileşeceğini belirtmiştir. Bulgular şekil katsayısı (A) 0.2’den 0.3’e çıktığında Nusselt sayısının yüzde 25 arttığını göstermektedir. Ek olarak, ısı aktarımı iç borunun orta bölümlerinde soğuk sınır tabakasının uzatılması nedeniyle artan manyetik alan şiddeti ile gelişmiştir. Şekil katsayısı A = 0.1, A = 0.2 ve A = 0.3 için Nusselt sayısındaki bu artış sırasıyla yüzde 50, yüzde 23 ve yüzde 41’dir.
Soğutma/ısıtma projelerinde ferroakışkanın sıcaklık azaldıkça manyetik alandan daha fazla etkilenmesi özelliğinden faydalanılır. V Chaudhary ve diğ. [7] kendiliğinden pompalanan ferroakışkan esaslı bir soğutma cihazı incelemiştir. Kimyasal olarak sentezlenen Mn-Zn ferrit nanopartikülleri, bir ferro-akışkan hazırlamak için oleik asit ile kaplanmış ve suda dağılmıştır. Hazırlanan ferroakışkan, bir ısı yükünün soğutulmasını incelemek için bir cihazda kullanılmıştır. Cihaz mıknatıs, ısı yükü, ısı emici, polimer tüp, konektörler ve ferro-akışkandan oluşur. Soğutma cihazının performansının, sıcak kaynak sıcaklığına, akışkandaki manyetik parçacık içeriğine ve manyetik alan kuvvetine bağlı olduğu bulunmuştur. 0.3 T manyetik alan uygulanarak nanoparçacık madde miktarı sırasıyla %5 ve %10 olduğunda sıcaklıkta sırasıyla ~16 °C and ~27 °C düşüş tespit edilmiştir. Simülasyon sonuçları, deneysel bulgularla iyi uyum içindeydi. Başlangıçtaki sıcaklık ~ 64 °C, ~ 74 °C ve ~ 87 °C olduğunda, 0.3 T manyetik alanın yerinde uygulanması ve çıkarılması sonucunda sırasıyla ~ 20 °C, ~ 24 °C ve 28 °C’lik soğutma gerçekleştiği kanıtlanmıştır. Bu manyetik soğutma cihazları kendi kendini düzenler, yani ısı yükü ne kadar yüksekse ısı transferi de o kadar hızlı olur.
Ferro akışkan avantajlarından faydalanılarak soğutma yapılabilecek alanlardan biri de güneş enerjisi sistemleridir. Güneş ışınlarını elektrik enerjisine çeviren fotovoltaik panellerdeki verim kayıplarının en önemli sebeplerinden biri panelin ısınmasıdır. Örneğin, c-Si hücreli tipik bir PV sisteminin verimliliği, çalışma sıcaklığının bir derece Celsius artışı için %0.45 oranında azalmıştır [1]. PVT sistemler bu dezavantajı avantaja çevirmeye yönelik geliştirilmiş fotovoltaik-termal hibrit sistemlerdir ve bu sistemler üzerine deneysel, analitik ve nümerik olarak çözümler geliştirilmiş ve çok sayıda çalışma yapılmıştır.
Ghadiri ve diğ. [1] çalışmasında, hücre sıcaklığının artması sebebiyle açık devre voltajının düşmesinden kaynaklanan fotovoltaik sistemlerdeki verim kayıplarından bahsetmiş ve sistemin bu dezavantajına yönelik çözüm önerileri geliştirmiştir. Ghadiri ve diğ. [1] çalışmasındaki ferroakışkanlar, her iki manyetik alan türünün bir PVT sisteminin genel verimliliği üzerindeki etkisini araştırmak için soğutma bölümünde sabit ve alternatif manyetik alanlar altına yerleştirildi. Çalışmada kullanılan ferro-akışkan Fe3O4-su nanoakışkanıdır. Düz plaka toplayıcılı bir PVT sisteminin termal (enerji ve ekserji bakımından) ve elektriksel etkinliğini incelenmiştir. Kapalı bir simülasyonda, farklı şartlar altında çeşitli parametrelerin ölçülmesi için kapsamlı deneyler ortaya konmuştur. Manyetik alan etkisinde olmayan ferroakışkan, sabit bir manyetik alan altında ferro-akışkan ve iki konsantrasyon için (ağırlıkça % 1 ve % 3) 50 Hz’lik alternatif bir manyetik alana sahip ferro-akışkan olmak üzere dört farklı durum performansı damıtılmış su ile toplayıcı da dahil olmak üzere, PV(kollektörsüz) modülün performansı ile karşılaştırmıştır. 1100 W/m2 ve 600 W/m2‘lik iki ışınım değeri durumunda, deneyler iç mekan koşullarında gerçekleştirilmek üzere tasarlanmış bir güneş simülatörü kullanarak test edilmiştir. Yapılan deneyler sonucunda ulaştığı bulguları şu şekilde özetlemiştir:
1) PVT kolektörde soğutma sıvısı olarak damıtılmış su kullanıldığında, sistemin genel verimliliği %52’ye ulaştı. Bu değer, verimi yalnızca %4.4 olan PV modülünkiyle karşılaştırılabilir.
2) Soğutma sıvısının damıtılmış sudan bir ferroakışkana yani Fe3O4-su bileşimine değiştirilmesi, sistemin % 3’lük konsantrasyonu için genel verimliliği yaklaşık % 76 oranında geliştirildi.
3) % 3 konsantrasyonda ferro-akışkan için 50 Hz frekanslı alternatif bir manyetik alan etkisi, manyetik alan bulunmayan aynı koşullar için elde edilen değere kıyasla toplam verimlilikte az da olsa artış göstermiştir. Sabit bir manyetik alan için ferroakışkanın ısıl verimi ise manyetik alan uygulanmadığı zaman sisteminkine çok yakındı.
4) Bir PV sistemine bir termal kollektör eklenerek ve alternatif bir manyetik alan altında ağırlıkça %3 ferro-akışkan kullanarak toplam ekserji 48 W’a kadar yükseltilebilmiştir. Bu miktar, damıtılmış su için sadece yaklaşık 33 W’dır [1].
Ghadiri ve diğ. [1] bu çalışmasında yaptığı deneyler, bir PV modülüne bir termal kollektör eklenmesinin ve 50 Hz frekanslı alternatif bir manyetik alanın eşlik ettiği ağırlıkça % 3 ferroakışkan kullanarak sistemin genel verimliliğini yaklaşık % 79’a kadar artırabileceğini ortaya koymaktadır.
Goharkhah ve Ashjaee [24] ferroakışkan ile zorlanmış konvektif ısı transferini nümerik olarak incelemişlerdir. Alt ve üst kısımlarından sabit ısı akısı uygulanmış 2 boyutlu bir kanal geometrisi ele alınmıştır. Düzensiz manyetik alan bir çizgi boyunca 4 adet olmak üzere alt ve üst kısımlara eşit aralıklarla konumlandırılmış manyetik dipoller ile oluşturulmuştur. Dönüşümlü olarak açıp kapatmak için dipollere dikdörtgen dalga fonksiyonu uygulanmıştır. Değişken manyetik alan kuvveti ve frekansının konvektif ısı transferi üzerindeki etkileri, laminer akış rejiminde dört farklı Reynolds sayısı (Re=100, 600, 1200 ve 2000) için araştırılmıştır. Sıfır manyetik alan durumu ile karşılaştırıldığında sonuçlar ısı transferinin, Reynolds sayısının artışıyla arttığını ve Re=2000, f=20 Hz değerinde %13.9’luk bir artışla maximuma ulaştığını göstermiştir. Soğuk akışkanın ısıtılmış yüzeye periyodik olarak çekilmesi akış karışımını iyileştirir ve sonuç olarak ısı transferini arttırır.
3. FERROAKIŞKANIN MEKANİK ALANDA KULLANIMI
Soğutma/ısıtma uygulamalarının yanı sıra ferroakışkanın avantajlarından mekanik alanda da faydalanılmışır. Manyetik sıvının (MR) aksine, ferro-akışkan parçacıklar öncelikle Brownian hareketiyle asılı olan nano parçacıklardır ve normal koşullar altında çökelmezler. Bu nedenle ferro-akışkanlar, MR akışkanına kıyasla güçlü manyetik alanda aşırı akıcılık ve ihmal edilebilir bir akma stresine sahiptir ve bu sebeple daha geniş uygulama alanları vardır. Bu tür nispeten ‘daha yumuşak’ bir ferro-akışkan, sönümleme cihazları yapımında çok fazla avantaj da göstermiştir [2]. Yao ve diğ. [2] çalışmasında ferroakışkanlı amortisör geliştirmiş ve ilgili teorik modeller oluşturulmuştur. Amortisörün bazı özellikleri teorik hesaplama ve deneysel ölçüm ile incelenmiştir. Ferro-akışkan tarafından uygulanan gövde ile mıknatıslar arasındaki manyetik geri yükleme kuvveti ölçülür. Amortisörün performans parametresi, bir tarafı sabitlenmiş ve diğeri serbest olan bir elastik plakanın serbest salınımları ile test edilir. Teorik değerler ile deneysel değerler arasındaki karşılaştırmaya göre teorik modeller uygundur.
Heji Ke ve diğ. [8] çalışmasında etkili ve kontrollü bir yağlamayı sağlamak için, ferrofluidlerin (FF) kullanımını incelemiştir. Ferroakışkanın kontrol edilebilirlik avantajı dolayısıyla, bu çalışmadaki araştırıcıları bu mekanizmanın yağlayıcı göçü sınırlamak ve dış kuvvetler kullanarak kontak pozisyonunda yağ boşluğundan kaçınmak için uygulanabilir olup olmadığını sorgulamaya itmiştir. Ferroakışkanın göç davranışı üzerindeki manyetik alan etkisini sıcaklık gradyanına bağlı olarak incelemiştir. Sürtünme testleri ferro akışkan göçünün yağlamaya etkilerini değerlendirmek için yapılmıştır. Sıcaklık ve manyetik alanların ferroakışkan migrasyon davranışını yönettiğini gösterir. Yapılan çalışma sonucunda görülmüştür ki; yüzey manyetik alanı düşük olduğunda sıcaklık gradyanı göç davranışını düzenler. Aksi takdirde manyetik alan dominant faktör haline gelir. Aynı zamanda yağlayıcı göçü, yağlama performansı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Manyetik alanın enerji bariyeri düşük olduğunda, fazlalık ferroakışkan sürtünme alanını tüketir ve bu durumu starvation takip eder. Bunun aksine FF, manyetik alan tarafından kontrol edilecek ve sabit bir sürtünme elde edilebilecektir. Harici bir manyetik alan kullanmak, kaçan yağlayıcıyı kontağa geri çekebilir ve bu da yağlayıcı yenilemesinin etkili bir yoludur [8].
4. FERROAKIŞKANIN MEDİKAL UYGULAMALARI
Medikal alanda yapılan kanserli hücre tedavisi çalışmalarında ferromanyetik kullanımına sıkça rastlanır. Kanserli bölgenin sıcaklığının lokal olarak arttırılması ile kanser hücresinin hasar görmesi sonucu tümörün yok edildiği manyetik hipertermi yönteminin diğer tedavi yöntemlerine göre daha az zararlı olduğu tespit edilmiştir. Manyetik nanoparçacıklar tümörlü bölgeye enjekte edildiğinde, tümörde birikme eğilimi gösterir ve sonuç olarak sağlıklı doku zarar görmeden tümör alternatif bir manyetik alanın uygulanmasıyla ısıtılır. Tümörün küçük bir bölümünün ısıtılamaması durumunun en belirgin iki nedeni, yakındaki bir kan damarı nedeniyle yerel olarak artan kan akışı veya implante edilmiş nanopartiküllerin yetersiz konsantrasyonudur [3].
Son on yılda, manyetik nanopartikül kaynaklı hiperterminin, hedeflenen tümörlere ısıyı sınırlama potansiyeline sahip olduğu kanıtlanmıştır. Tümörlere yeterli nanopartiküller verilirse, tümörler çevreleyen sağlıklı dokuya en az düzeyde hasar verecek şekilde tamamen ablasyona uğrayabilir. Teorik çalışmalar, tümör sıcaklığının 50-80°C’ye yükseltilmesinin fizibilitesini göstermiştir ve kanserli dokuda geri dönüşü olmayan hasara neden olmaktadır. 25 dakikalık ısıtma ile tedavi edilen tümörlerin, sadece birkaç gün sonra kaybolduğu gözlenmiştir [21].
Manyetik hiperterminin avantajları:
(i) Nanopartiküllerin alternatif bir manyetik alanın uygulanması altında hücresel içselleştirilmesi, ki bu genellikle diğer ısıtma yöntemleri ile elde edilen hücre dışı ısıtmadan daha etkili bir tümör tahribi sağlar.
(ii) Tümörlerin, nano partiküllere özellikle kanser hücrelerini tanıyan moleküllerin bağlanması ile hedeflenmesi;
(iii) Uygulanan alternatif manyetik alanın kuvvetini veya yoğunluğunu ve uygulanan nanoparçacıkların miktarını doğru bir şekilde seçerek elde edilebilen ince sıcaklık ayarlaması,
(iv) Tümörü çevreleyen sağlıklı dokulara zarar vermeyi önleyecek şekilde oldukça lokalize edilmiş ısı [22].
Sayed Mohammad Hashem Jayhooni ve diğ. [6] çalışmasında, yandan bakış mikro endoskoplara uygulanması için ferro-akışkan levitasyon mekanizmasına dayanan yeni bir elektromanyetik mikro adım motoru geliştirmiştir. Yapılan çalışmada mikromotor, polimerik tüp içerisinde ince ferro-akışkan tabakalarla havalanıp taşınan manyetik rotoru kullanır. Döner motorun ferro-sıvı taşıyıcı tabakası aşağıdaki iki önemli özelliği sağlamıştır:
1-) Akışkan içinde manyetik olarak geliştirilen basınç, rotoru stator borusunun iç duvarlarına karşı kaldırır ve radyal konumunu boru kesitinin ortasında tutarak rotorun çok düşük sürtünmeli hareketini sunar.
2-) Ferro-akışkan manyetik rotorun kutupları üzerinde, harici bir basınçlandırma vasıtası veya yönlendirici mekanizma gerektirmeden rotorun havada asılı durması için kendi kendine hareket eder ve son derece basitleştirilmiş bir rulman konfigürasyonu sağlar.
5. FERROAKIŞKANIN ELEKTRONİK ALANDA KULLANIMI
Ferroakışkanların kullanıldığı bir diğer alan ise sensörlerdir. Hao Ruican ve diğ. [4] çalışmasında Ferro-akışkanlı basınç fark sensörlerin prensiplerini ve deneyleri göstermiştir. Yapılan deneyler için farklı konsantrasyonlara sahip dört tip ferro-akışkan seçilmiştir. Farklı çaplara sahip iki kolu ferroakışkan ile dolu dört U tüp tasarlanmış bobinle sarılı olarak inşa edilmiştir. Boru çapı ve ferroakışkan konsantrasyonunun çıkış voltajı / basınç farkı performansı üzerindeki etkilerini analiz etmek için deneyler gerçekleştirilmiştir. Deney sonuçlarına göre tüp çapının sensör çıkış gerilimi üzerinde çok az etkisi vardır. Ferroakışkan konsantrasyonu arttıkça, basınç fark sensörünün çıkış gerilimi ve hassasiyeti artar. Sensörün ölçülebilir aralığı ferro-akışkan konsantrasyonu arttıkça artar [4].
Ferroakışkan kullanılarak enerji hasadı (energy harvester) da mümkündür. Bu amaçla yapılan çalışmalardan biri de giyilebilir enerji üreten sistemlerdir. Bu tip bir çalışmada insan vücudunun hareketleri ile oluşan kinetik enerjinin kullanılması hedeflenmiştir. Shuai Wu ve diğ. [5] çalışmasında 3 DoF rezonatör olarak kullanılan 2 elastik telle bağlanan bir sabit mıknatıstan faydalanmıştır. Rezonatör dikdörtgen kutu içine konmuş ve elektromanyetik rezonant enerji dönüştürücü oluşturmak için kutunun yüzeyine iki sargı yerleştirilmiştir. Bakır sargılar kutunun dış yüzeyine tutturularak sabit mıknatıs titreşmeye zorlandığında elektrik enerjisi üretir. 3-DoF rezonatörü, aygıt düzlemindeki tüm yönden kinetik enerjiyi alabilir ve bu enerji dönüşümünün etkinliğini arttırır. Bu harvester ayak basıncıyla oluşan enerjiyi emen ayakkabı üzerine takılabilir. Önerilen harvester, daha geniş frekans menzilli kinetik enerjiyi emen üç ana rezonans frekansına sahipti. Ferro-akışkan kalıcı mıknatısın kutunun iç plakalarına dokunmasını önleyerek sürtünmeyi azaltmak için kullanılmıştır. Simülasyon sonuçları, ferro-akışkanın mıknatısı yerçekimi ivmesinin 10 katına bile tabi tutulsa kutuda ‘temassız’ tutabildiğini göstermektedir. Direnç yükü test sonuçları, önerilen harvester koşma durumunda 2.28 mW güç seviyesine erişebildiğini gösterir. Oluşturulan düşük AC voltajını 5V DC’ye aktarabilen bir enerji depolama devresi de geliştirilmiştir. Enerji depolama devresi testi sonuçları, koşarken maksimum elektrik depolama gücünün 0.149 mW olduğunu ortaya koymaktadır. Gelişmiş harvester, giyilebilir sensörler ve cihazlar için sürekli güç kaynağı sunmak için kullanılabilir. Gelecekteki çalışma, depolama verimliliğini artırmaya ve üretilen gücü arttırarak daha pratik hale getirmeye odaklanacaktır [5].
6. SONUÇ
Bu çalışmada ferroakışkan kullanım alanları, sağladığı avantaj ve dezavantajlara değinilmiştir. Isı transferi uygulamalarında belirli koşullarda damıtılmış suya göre taşınım katsayısını arttırdığı görülmüştür. Bununla birlikte ferroakışkan kullanılan durumlar da kendi içlerinde karşılaştırılmıştır. Çoğunlukla hacim fraksiyonu artışı, alternatif veya sabit manyetik alan uygulanması durumları taşınım katsayısını arttırmıştır. Optimum taşınım katsayısını belirlemek için birçok parametre teorik ve deneysel olarak incelenmelidir. Ferroakışkanın nanopartiküllerinin ne tür bir malzeme ile kaplandığı da özellikle deneysel çalışmalarda görüleceği üzere ciddi önem teşkil etmektedir. Isı transferindeki uygulamaların yanı sıra ferroakışkan; mekanik, elektronik sensör, biyomedikal ve kimya endüstrilerindeki potansiyel uygulamaları nedeniyle yoğun bir araştırma konusu olmaya devam etmektedir.
KAYNAKLAR
[1] Ghadiri M, Sardarabadi M, Pasandideh-fard M, Moghadam A.J, Experimental investigation of a PVT system performance using nano ferrofluids, Energy Conversion and Management 103 (2015) 468–476
[2] Yao J, Chang J, Li D, Yang X, The dynamics analysis of a ferrofluid shock absorber, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 402 (2016) 28–33
[3] H. Shokrollahi, Structure, synthetic methods, magnetic properties and biomedical applications of ferrofluids, Materials Science and Engineering C 33 (2013) 2476–2487
[4] Ruican H, Huagang L, Wen G, Na Z, Ruixiao H, Research experiments on pressure-difference sensors with ferrofluid, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 416 (2016) 231–235
[5] Wu S, Luk P.C.K, Li C, Zhao X, Jiao Z, Shang Y, An electromagnetic wearable 3-DoF resonance human body motion energy harvester using ferrofluid as a lubricant, Applied Energy 197 (2017) 364–374
[6] Jayhooni S.M.H, Assadsangabi B, Takahata K, A stepping micromotor based on ferrofluid bearing for side-viewing microendoscope applications, Sensors and Actuators A 269 (2018) 258–268
[7] V Chaudhary, Z Wang, A Ray, I Sridhar, R V Ramanujan, Self pumping magnetic cooling, J. Phys. D: Appl. Phys. 50 (2017) 03LT03
[8] Ke H, Huang W, Wang X, Controlling lubricant migration using ferrofluids, Tribology International 93 (2016) 318–323
[9] Goharkhah M, Salarian A, Ashjaee M, Shahabadi M, Convective heat transfer characteristics of magnetite nanofluid under the influence of constant and alternating magnetic field, Powder Technology 274 (2015) 258–267
[10] Fadaei F, Shahrokhi M, Dehkordi A.M, Abbasi Z, Heat transfer enhancement of Fe3O4 ferrofluids in the presence of magnetic field, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 429 (2017) 314–323
[11] M. Yarahmadi, H. Moazami Goudarzi, M.B. Shafii, Experimental investigation into laminar forced convective heat transfer of ferrofluids under constant and oscillating magnetic field with different magnetic field arrangements and oscillation modes, Experimental Thermal and Fluid Science 68 (2015) 601–611 [12] Goharkhah M, Ashjaee M, Shahabadi M, Experimental investigation on convective heat transfer and hydrodynamic characteristics of magnetite nanofluid under the influence of an alternating magnetic field, International Journal of Thermal Sciences 99 (2016) 113-124
[13] Fang Z, O’Handley R, Liu Y, Yang M, FEA Simulation of Passive Ferrofluid Cooling Systems, Excerpt from the Proceedings of the COMSOL Conference 2010 Boston
[14] Xuan Y, Lian W, Electronic cooling using an automatic energy transport device based on thermomagnetic effect, Applied Thermal Engineering 31 (2011) 1487-1494
[15] Garg H, Negi V.S, Kharola A.S, Garg N, Numerical analysis of heat transfer parameters using ferrofluid, Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering, 19:4, 258-271
[16] Cristina Stan, Constantin P. Cristescu, Maria Balasoıu, N. Perov, V. N. Duginov, T. N. Mamedov, L. Fetisov, Investigations of a Fe3O4-ferrofluid at different temperatures by means of magnetic measurements, U.P.B. Sci. Bull., Series A, Vol. 73, Iss. 3, 2011
[17] Evrim Kurtoğlu, Magnetic Actuation, Heat Transfer And Microsystem Applications Of Iron-Oxide Nanoparticle Based Ferrofluids, Mechatronics Engineering, M.Sc. Thesis, 2013
[18] A. Gandomkar, M.H. Saidi, M.B. Shafii, M. Vandadi, K. Kalan, Visualization and comparative investigations of pulsating ferro-fluid heat pipe, Applied Thermal Engineering 116 (2017) 56–65
[19] S. Valiallah Mousavi, M. Sheikholeslami, Mofid Gorji bandpy, M. Barzegar Gerdroodbary, The Influence of magnetic field on heat transferof magnetic nanofluid in a sinusoidal double pipe heat exchanger, Chemical Engineering Research And Design 113 (2016) 112–124
[20] U. Banerjee, M. Sabareesh, A.K. Sen, Manipulation of magnetocapillary flow of ferrofluid in a microchannel, Sensors and Actuators B 246 (2017) 487–496
[21] LeBrun A, Joglekar T, Bieberich C, Ma R, Zhu L, Treatment Efficacy for Validating MicroCT-Based Theoretical Simulation Approach in Magnetic Nanoparticle Hyperthermia for Cancer Treatment, Journal of Heat Transfer, May 2017, Vol. 139
[22] Alphandéry E, Perspectives of Breast Cancer Thermotherapies, Journal of Cancer 2014, Vol. 5, 472-479
[23] R.E. Rosensweig, Ferrohydrodynamics, Dover Publications, NewYork (1997) 112–231
[24] Goharkhah M, Ashjaee M, Effect of an alternating nonuniform magnetic field on ferrofluid flow and heat transfer in a channel, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 362 (2014) 80–89