Nanoakışkanlar ile yüksek verimli radyatör soğutmanın sayısal incelenmesi
Numerical investigation of high efficiency radiator cooling with nanofluids
Yazar: ERSİN AŞKIN
Danışman: DOÇ. DR. ELİF BEGÜM ELÇİOĞLU
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Yüksek verimlilik her sektörün erişmek istediği bir başarı noktasıdır. Bu durum, günümüzde fosil enerji kaynaklarının azalmasıyla ve enerji krizi ile daha da önemli bir hale gelmektedir. Isı yönetimi günümüzün popüler konularındandır. Nükleer santral, çip endüstrisi ve otomotiv gibi verimin yüksek olması beklenen alanlarda soğutma performansının arttırılması amaçlanmaktadır. Soğutma verimini arttırmak için soğutma yüzey alanını genişletmek ve soğutucu akışkan özelliklerini iyileştirmek uygulanabilecek iki alternatif çözümdür. Soğutucuların boyutlarını büyütmek her zaman mümkün olmamaktadır, bu sebeple soğutma performansını arttırmak için yeni nesil akışkanlar (nanoakışkanlar) kullanılabilir. Geleneksel soğutma yöntemlerinde kullanılan düşük ısı iletimine sahip su, etilen glikol gibi baz akışkanlara eklenen nanoparçacıklar sayesinde, nanoakışkanlar baz akışkanlara kıyasla iyileştirilmiş ısı transfer özelliklerine sahiptirler.  Bu tezde, bir radyatör sistemi için düz tüp geometrisinde nanoakışkan ısıl verimi sayısal olarak incelenmiştir. Bu kapsamda ilk olarak, referans alınan çalışmada yer alan Al2O3 ve CuO nanoparçacıklarının hacimce %1-%7 konsantrasyonunun 250-1750 Reynolds sayısı aralığında analizi ANSYS Fluent kullanarak tekrarlanmış ve çözücü doğrulanmıştır. Tez çalışması ve referans çalışma arasındaki maksimum fark %1 Al2O3-Su konsantrasyonunda ve 500 Re sayısında %7,6 olarak gerçekleşmiştir. Yapılan analizlerde, karbon tabanlı grafen nanoplatalet(GNP)-su nanoakışkanının düz tüp geometrisinde sıcaklığa bağlı termofiziksel özellikleriyle %0,079-%0,27 aralığında 4 farklı konsantrasyon için 250-1750 Reynolds sayılarında ısı transferi davranışı incelenmiştir ve performans katsayıları (figure of merit) hesaplanmıştır. Analiz sonucunda %0,27 GNP konsantrasyonunun baz akışkan suya göre kıyaslandığında ortalama ısı taşınım katsayısında %28,76 iyileşme elde edilmiştir. Çalışmanın sonucunda düşük konsantrasyonlarda dahi yüksek termal iyileştirmeler elde edilebildiği görülmüştür. Konsantrasyonun artmasıyla viskozitede yükselme gözlemlenmektedir. Viskozitenin artmasıyla sürtünme katsayıları artmakta bu da pompa gücü ihtiyacını arttırmaktadır.

Abstract:
Energy efficiency becomes more critical with the depletion of fossil energy resources. Heat management is aimed to be improved in many systems e.g., nuclear power plants, chip industry, and automotive sector. To increase the cooling efficiency, the two main solutions are increasing cooling surface area and improving fluid characteristics. However, it is not always possible to increase the dimensions of the coolers. New generation fluids (nanofluids) can be used to improve cooling performance. Thanks to the nanoparticles added to base fluids e.g., water,  which have low thermal conductivities, nanofluids have improved heat transfer properties. In this thesis, thermal efficiency of nanofluid in flat tube geometry for a radiator system was numerically investigated. In this context, firstly, the analysis of the 1% to 7% volumetric concentrations of Al2O3 and CuO nanoparticles in the reference study in the range of 250-1750 Reynolds numbers was recalculated using ANSYS Fluent and solver was verified. The maximum difference between the thesis study and the reference study was 7.6% for 1% Al2O3/water ata Reynolds number of 500. In this analyzes performed, heat transfer behaviour was investigated for four different concentrations ranging from 0.079% to 0.27% of carbon-based graphene nanoplatelets (GNP) for laminar flow in a flat tube geometry, considering temperature-dependent thermo-physical properties and figure of merit(FOM) were calculated. As a result of the analysis, 0.27% GNP/water nanofluid in comparison to water, showed a 28.76% improvement in the average heat transfer coefficient. The study concluded that even at low concentrations, significant thermal improvements can be obtained.