Ağır taşıt radyatöründe TiO2-su nanoakışkanının soğutma performansına etkilerinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of the effects of TiO2-water nanofluid on cooling performance in heavy vehicle radiator
Yazar: EMRE AŞKIN ELİBOL
Danışman: PROF. DR. OĞUZ TURGUT
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Ağır taşıtlar = Heavy vehicles ; Isı değiştiriciler = Heat exchangers ; Isı geçişi = Heat transfer ; Nanoakışkanlar = Nanofluids ; Radyatör = Radiator

Özet:
Bu tez çalışmasında TiO2-su nanoakışkanın ağır taşıt radyatörlerinde soğutucu akışkan olarak kullanılma potansiyeli hem sayısal hem de deneysel olarak araştırılmıştır. Deney düzeneği kurulmadan önce ağır taşıt radyatörünün soğutucu akışkan kısmında kullanılan kaydırılmış şeritli kanalda nanoakışkanın soğutma performansını incelemek amacıyla iki farklı durum için sayısal çalışmalar yapılmıştır. Bunlardan ilkinde kaydırılmış şeritli kanalda sabit yüzey sıcaklık sınır şartı kullanılarak laminer akış için farklı hacimsel konsantrasyon ve Reynolds sayılarında ısıl-hidrolik performans incelenmiştir. Hacimsel konsantrasyonun %1-4 aralığında yapılan bu sayısal çalışmanın sonucunda performans değerlendirme kriterinin özellikle yüksek Reynolds sayılarında 1'in oldukça üzerinde olduğu görülmüştür. İkinci tip sayısal çalışmada ise radyatördeki dalgalı kanatlı hava kanalından geçen hava akışının etkisi soğutucu akışkanın geçtiği kaydırılmış şeritli kanalın üst ve alt kısımlarına taşınım sınır şartı tanımlanarak hesaba katılmıştır. %0,1-4 hacimsel konsantrasyon değerleri için laminer akışı sağlayacak şekilde farklı Reynolds sayılarında ısıl-hidrolik performans araştırılmıştır. Performans değerlendirme kriteri tüm konsantrasyon değerleri için 1'in üzerinde olup, %1-4 konsantrasyon aralığında önemli ölçüde artmıştır. Sonraki aşamada ise soğutucu akışkanın kaydırılmış şeritli kanaldan ve havanın dalgalı kanatlı hava kanalından geçtiği ağır taşıt radyatörünün soğutma performansı nanopartikülün %0-0,2 hacimsel konsantrasyon aralığında farklı hacimsel debi ve farklı giriş sıcaklıkları için deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Deney sonuçları %0,05 konsantrasyon değerinin ısıl performans açısından kritik eşik olduğunu göstermiştir. %0,1 ve %0,2 konsantrasyon değerlerinde topaklanma nedeniyle ısı iletim katsayısının azalmasına ve viskozitenin aşırı artmasına neden olarak ısıl performansın temel akışkana göre düştüğü gözlemlenmiştir. Deneysel ve sayısal çalışmadan elde edilen bulguların hacimsel konsantrasyonun %0-0,5 aralığında uyum içerisinde olduğu görülmüştür.

Abstract:
In this thesis, the potential of TiO2-water nanofluid to be used as a coolant in heavy vehicle radiators was investigated both numerically and experimentally. Before the experimental system was set up, two numerical studies were conducted to examine the cooling performance of nanofluid in the offset strip fin channel used in the refrigerant part of the heavy vehicle radiator. In the first numerical study, the thermal-hydraulic performance was investigated at different volume concentration and Reynolds numbers for laminar flow using a constant surface temperature boundary condition in a offset strip fin channel. As a result of this numerical study, which was carried out in the range of 1-4% of the volume concentration, it was seen that the performance evaluation criteria was well above 1, especially at high Reynolds numbers. In the second numerical study, the effect of the air flow passing through the wavy fin channel in the radiator is taken into account by defining the convection boundary condition to the upper and lower parts of the offset strip fin channel through which the coolant passes. Thermal-hydraulic performance was investigated at different Reynolds numbers to provide laminar flow for 0.1-4% volume concentration values. The performance evaluation criteria was above 1 for all concentration values and increased significantly in the 1-4% concentration range. In the third type of study, the cooling performance of the heavy vehicle radiator, in which the refrigerant flows through the offset strip fin channel and the air through the wavy fin channel, was investigated experimentally and numerically for different volume flow rates and different inlet temperatures in the 0-0.2% nanoparticle volume concentration range. Experiment results showed that 0.05% concentration value is the critical threshold for thermal performance. It was observed that the thermal performance decreased compared to the base fluid, due to the agglomeration at 0.1% and 0.2% concentration values causing a decrease in the thermal conductivity and an excessive increase in viscosity. It has been observed that the findings obtained from the numerical and experimental studies are in agreement with the volume concentration in the range of 0-0.5%.