Nanoakışkan destekli ısı boruları ile daldırma yöntemi kullanılarak lityum iyon pillerin termal yönetimi için hibrit soğutma sistemi tasarımı
Design of hybrid cooling system for thermal management of lihium-ion batteries using immersion method with nanofluid supported heat pipes
Yazar: OSMAN MERT
Danışman: PROF. DR. MEHMET ÖZALP
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada düz ve döngülü ısı boruları tasarlanıp imal edilerek piyasada standart 18650 batarya olarak bilinen silindirik lityum iyon pilleri soğutmada ki performansı incelenmiştir. Isı borularında çalışma akışkanları olarak metanol, saf su ve thermasolv IM2 sıvısı kullanılmıştır. İmal edilen ısı boruları vakum pompası ile vakumlanmıştır. Nano akışkan sölüsyonalrı çalışma akışkanına göre ağırlıkça %2 olacak şekilde hassas terazide ölçülüp hazırlanmıştır. Bu nano çözeltiler ısı borularına çalışma sıvıları hacimce 1/3 oranında olacak şekilde enjekte edilmiştir. Isı boruları ultrasonik banyoda titreştirilerek homojen bir yapıda olmaları sağlanmıştır. Tasarlanan deney düzeneğinde bataryalar ısı borularının evaporator kısmında 1cm yukarı olacak şekilde yerleştirilmiştir. Bilindiği üzere bataryalar şarj/deşarj olurken ısnırlar. Tasarlanan elektrik devreleri sayesinde bataryalara verilen ve çekilen yük miktarı kontrol edilmiştir. Isınan bataryalar ısı borusundaki sıvıyı buharlaştırır ve buhar yükselerek kondenser kısmına ulaşır bu buharlaşma esnasında nano partiküllerinde taşınması ile evaporatörden kondenser kısmına verimli bir ısı transferi gerçekleşir. Bu ısı kondenser kısmının 1cm altından ceketleme yapılarak belirli debide soğutucu akışkan yardımıyla ısı borusundan çekilerek soğutucu akışkana aktarılmıştır. Deneyler nominal güç 1C, yüksek güç 2C ve 3C altında tekrarlanmıştır. Deneyler ısı boruları 90° eğim açısında gerçekleştirilmiştir. Son olarak çalışmada yapılan bütün deneyler evaporator kısmının thermasolv IM2 sıvısı ile dolu bir havuzda daldırma yöntemiyle tekrarlanmış ve sonuçlar tartışılmıştır. Yapılan deneysel çalışmalar sonucunda 3C akım şiddetinde ve titreşimli ısı borusu ve daldırma yönteminin hibrit tasarımıyla elde edilmiştir. Çok iyi soğtma sistemleri olan ısı borularına karşılık 3C akım şiddetinde 30,6°C ye kadar ulaşan batarya yüzey sıcaklıkları tasarlanan en verimli hibrit soğutma sistemi olan tireşimli ısı borulu ve daldırma yöntemi hibrit tasarımı ile 4,4°C ye kadar iyileştirilebilmiştir. Buda yaklaşık olarak %681,8 oranında bir verimi ifade eder. Dolayısıyla yakın gelecekte daldırma yöntemi ve ısı borulu hibrit sistemlerin batarya ve elektronik aygıtların soğutulmasında insan hayatında kaçınılmaz bir yaklaşım olacağı söylenebilir.
Çalışmada tasarlanan bütün soğutma sistemleri 24 hücreden oluşan batarya paketlerini optimum çalışma sıcaklığı olan 15 – 40°C aralığında tutabilmeyi başarmıştır.

Abstract:
In this study, straight and looped heat pipes were designed and manufactured and their performance in cooling cylindrical lithium-ion batteries, known as standard 18650 batteries in the market, was examined. Methanol, pure water and thermasolv IM2 liquid were used as working fluids in the heat pipes. The manufactured heat pipes were vacuumed with a vacuum pump. Nanofluid solutions were measured and prepared on a precision balance at 2% by weight, based on the working fluid. These nano solutions were injected into the heat pipes at a volume of 1/3 of the working fluids. The heat pipes were vibrated in an ultrasonic bath to ensure that they had a homogeneous structure. In the designed experimental setup, the batteries were placed 1 cm above the evaporator part of the heat pipes. As it is known, batteries get hot while charging/discharging. Thanks to the designed electrical circuits, the amount of load supplied and drawn to the batteries was controlled. Heated batteries evaporate the liquid in the heat pipe, and the vapor rises and reaches the condenser part, and during this evaporation, an efficient heat transfer occurs from the evaporator to the condenser part by carrying nano particles. This heat was jacketed 1 cm below the condenser section and transferred to the refrigerant by withdrawing it from the heat pipe with the help of refrigerant at a certain flow rate. Experiments were repeated under nominal power 1C, high power 2Cand 3C. The experiments were carried out with the heat pipes at an inclination angle of 90°. Finally, all experiments performed in the study were repeated by immersion method in a pool filled with thermasolv IM2 liquid of the evaporator part and the results were discussed. As a result of experimental studies, it was obtained by hybrid design of the 3C current intensity and vibrating heat pipe and immersion method. In response to heat pipes with very good cottage systems, battery surface temperatures reaching up to 30.6 ° C in current intensity can be healed up to 4.4 ° C with the telelique heat pipe and dipping method, which is the most efficient hybrid cooling system. This refers to a yield of approximately 681.8 %. Therefore, it can be said that there will be an inevitable approach in human life in the cooling of battery and electronic devices of heat pipe hybrid systems in the near future. All cooling systems designed in the study have managed to keep the battery packs consisting of 24 cells in the range of 15 - 40 ° C, the optimum operating temperature.