Nano akışkanların otomobil radyatörlerinde ısı transferi ve basınç kayıplarına etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of nano fluids on heat transfer and pressure losses in car radiators
Yazar: HARUN ÇİFCİ
Danışman: PROF. DR. REFET KARADAĞ
Harran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Araç soğutma sistemlerinin en önemli elemanlarından olan radyatörlerde genel olarak su veya su-antifriz karışımları kullanılmakta olup bu akışkanlar özelliklerinden dolayı yeterli ısı transfer kapasitesine sahip değillerdir. Radyatörlerde ısıl özellikleri daha iyi olan nano akışkanlar kullanılarak daha verimli bir soğutma yapılabilmektedir. Bu çalışmada boru ve kanatçıklı yapıda olan iki farklı otomobil radyatöründe farklı hacimsel konsantrasyonlarda (%0.1, %0.3, %0.5) hazırlanan saf su esaslı Al2O3 ve MgO nano akışkanlarının 45, 50, 55 ve 60 ℃ giriş sıcaklıkları ve 7, 8, 9, 10 lt/dk hacimsel debilerde ısı transferine ve basınç kayıplarına etkisi deneysel ve nümerik olarak incelenmiştir. Deneysel sonuçlarda radyatörler üzerinde nano akışkan kullanımı ile ısı transfer miktarı, Nu sayısı ve toplam ısı transfer katsayısı değerlerinde artış görülmüştür. Hacimsel konsantrasyon ve debi artışı ile bu değerlerin artış oranları da yükselmektedir. Genel olarak sıcaklık artışı ile ısı transfer miktarları tüm akışkanlar için artmakta olsa da artış oranları için sıcaklık Al2O3 nano akışkanında olumsuz etki gösterirken, MgO nano akışkanında ise olumlu yönde etki göstermiştir. Isıl performans olarak MgO nanoakışkanında Al2O3 nano akışkanına göre daha yüksek değerler elde edilmiştir. Radyatör 1 (bakır) için saf suya göre elde edilen en yüksek artışlar toplam ısı transferinde %30.5, toplam ısı transfer katsayısında %35.4 ve Nusselt sayısında %43.61 olarak hesaplanmıştır. Radyatör 2 (Alüminyum) için ise saf suya göre en yüksek artışlar toplam ısı transferinde %26.8, toplam ısı transfer katsayısında %34.77 ve Nusselt sayısında %46.76 olmaktadır. Ayrıca tüm akışkanlar için Re artışı ile Nu sayısı artmaktadır. CFD programı ile nümerik çözümleme yapılmış ve bulunan Nu sayılarının deneysel sonuçlarla karşılaştırılması yapılmıştır. Ek olarak deneysel verilerden Nu hesaplama denklemi türetilmiştir. Nano akışkan kullanımının basınç kayıplarına ve pompa gücüne etkisindeki en yüksek artış MgO nano akışkanında meydana gelmiştir. Hacimsel konsantrasyon artışı ile basınç kaybı ve pompa gücü artmaktadır. Ayrıca radyatör 1 (bakır)' de radyatör 2 (alüminyum)' ye göre daha fazla basınç kaybı meydana geldiği tespit edilmiştir.

Abstract:
Water or water-antifreeze mixtures are generally used in radiators, which are one of the most important elements of vehicle cooling systems, and these fluids do not have sufficient heat transfer capacity due to their properties. More efficient cooling can be achieved by using nanofluids with better thermal properties in radiators. In this study, the effect of pure water-based Al2O3 and MgO nanofluids, prepared in different volumetric concentrations (0.1%, 0.3%, 0.5%), on heat transfer and pressure losses was investigated experimentally and numerically in a car radiator with tube and fin structure at 45, 50, 55 and 60℃ inlet temperatures and 7, 8, 9, 10 lt/min volumetric flow rates. According to the experimental results, the heat transfer amount, Nu number and total heat transfer coefficient values increased with using of nanofluids in radiators. The increasing rates of these values increase while the volumetric concentration and flow rate increase. Although the heat transfer amounts increase with the increasing the temperature in general, for the increasing rates, the temperature has a negative effect for Al2O3 nanofluid, while it has a positive effect for MgO nanofluid. In terms of thermal performance, higher values were obtained in MgO nanofluid compared to Al2O3 nanofluid. The highest increases obtained for radiator 1 (copper) compared to pure water were calculated as 30.5% at total heat transfer, 35.4% at total heat transfer coefficient and 43.61% at Nusselt number. For Radiator 2 (Aluminium), the highest increases compared to pure water are 26.8% at total heat transfer, 34.77% at total heat transfer coefficient and 46.76% at Nusselt number. In addition, the Nu number increased with the increase in Re for all fluids. Numerical analysis was performed with the CFD program and the Nu numbers were compared with the experimental results. In addition, the Nu equation was derived from the experimental data. With the use of nanofluid, the highest increase in the effect of pressure losses and pump power occurred in MgO nanofluid. With the increase in volumetric concentration, pressure loss and pump power increased. In addition, it has been determined that more pressure loss occurs in radiator 1 (copper) than in radiator 2 (aluminium).