Dairesel ve düz tüplü taşıt radyatörlerinin farklı soğutma sıvıları için teorik ve deneysel performans analizi
Theoretical and experimental performance analysis of circular and flat tube vehicle radiators for different coolants
Yazar: ERKAN KEKLİK
Danışman: PROF. DR. MURAT HOŞÖZ
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada; öncelikle çeşitli sıvıları farklı tip radyatörlerde, içten yanmalı motorlarda karşılaşılan koşullara yakın koşullarda motor soğutma sıvısı olarak test edebilecek bir deney düzeneği geliştirilmiştir. Bu test makinesinde deneyler önce su ile, daha sonra sırasıyla etilen glikol (EG), 50/50 EG/su, 50/50 takım soğutma sıvısı/su ile yapılmış, ayrıca dört farklı ısı transfer yağı (ITY) da test edilmiştir. Deneyler düz tüplü ve dairesel tüplü olmak üzere iki farklı radyatörde gerçekleştirilmiştir. Deneylerde hava hızı 2 ˗ 4 ms-1, hava giriş sıcaklığı 25 ˗ 35 °C, soğutma sıvısı debisi 0,1 ˗ 0,3 ls-1 aralığında değiştirilmiş ve soğutma sıvısı giriş sıcaklığı 90 °C'de tutulmuştur. Elde edilen veriler ile soğutma sıvıları karşılaştırılmış ve radyatörlerin birbirleriyle kıyaslaması yapılmıştır. Düz tüplü ve dairesel tüplü iki ayrı radyatör için ısı transferi modelleri geliştirilerek iki ayrı program hazırlanmıştır. Bu programlarda radyatör 240 kontrol hacmine ayrılarak etkinlik-NTU metoduyla her kontrol hacmindeki ısı transferi hesaplanmakta ve sonuçta bunlar toplanarak radyatörden atılan ısı bulunmaktadır. Yapılan bu programdan elde edilen sonuçlar ile deney sonuçları kıyaslanarak ısı transfer modeliin doğrulaması yapılmıştır. Yapılan deneyler sonucu radyatörden en fazla ısıyı sırasıyla su, 50/50 EG/Su, 50/50 Takım soğutma sıvısı/su, EG, ITY˗2, ITY˗1, ITY˗4 ve ITY˗3 uzaklaştırmıştır. Tüm soğutma sıvıları için yapılan deneylerin tamamının ortalaması olarak düz tüplü radyatör dairesel tüplü radyatöre göre %24,1 daha fazla ısıyı radyatörden uzaklaştırmıştır. Radyatörlerde gerçekleştirilen deneyler ile model sonuçları kıyaslandığında ise ısı transferi modelinin deney sonuçlarına göre dairesel tüplü radyatörde ortalama %1,7 daha düşük, düz tüplü radyatörde ise ortalama %1,0 daha düşük ısı atımı sonuçları verdiği belirlenmiştir. Geliştirilen modellerin düz ve dairesel tüplü radyatörler için belirlediği radyatör ısı atımlarının deneysel sonuçlara göre ortalama göreceli hataları %1,5 ve %1,6, kök ortalama kare hataları ise 0,2 kW ve 0,4 kW olarak elde edilmiştir. Bu sonuçlara göre geliştirilen modellerin dairesel ve düz tüplü radyatörlerin ısı atımlarını belirlemek amacıyla büyük bir doğrulukla kullanılabileceği anlaşılmıştır.

Abstract:
In this study, an experimental setup has been developed that can test various fluids in different types of radiators as engine coolant, under conditions close to those encountered in internal combustion engines. In this test machine, first, the experiments were performed with water. Then, ethylene glycol (EG), 50/50 EG/water, 50/50 tool coolant/water and four different heat transfer oils (ITY) were tested. The experiments were carried out in two different radiators, namely flat tube and circular tube ones. In the experiments, the air velocity was changed between 2 ˗ 4 ms-1, the air inlet temperature was varied between 25 ˗ 35 °C, the coolant flow rate was changed between was varied between 0,1 ˗ 0,3 ls-1 and the coolant inlet temperature was kept at 90 °C. Using experimental data, the coolant fluids and radiators were compared with each other. Two different heat transfer models were developed, and two programs were prepared for flat tube and circular tube radiators. In these programs, the considered radiator was divided into 240 control volumes, and the heat transfer in each control volume was calculated by using the effectiveness-NTU method. Then, the heat transfer rates in the control volumes were summed up to determine the total heat dissipation rate in the radiator.  The mathematical model was verified by comparing the results obtained from the program with the experimental results. As a result of the experiments, the highest radiator heat dissipation was obtained with water, followed by 50/50 antifreeze/water, 50/50 tool coolant/water, antifreeze, heat transfer oil˗2, heat transfer oil˗1, heat transfer oil˗4 and heat transfer oil˗ 3 in decreasing order. As an average of all experiments for all coolants, the flat tube radiator dissipated 24,1% more heat than the circular tube radiator. When the heat transfer model results were compared with the experimental ones, it was determined that the model yielded on average of 1,7% and 1,0% lower heat dissipation rates in the circular tube and flat tube radiators, respectively. The mean relative errors of the developed models in comparison to the experimental results for the flat and circular tube radiators was 1,5% and 1,6%, and their root mean square errors were 0,2 kW and 0,4 kW, respectively. These results reveal that the developed models can be used to determine the heat dissipation rates in circular and flat tube radiators with great accuracy.