Otomobil radyatöründe TiO2 esaslı nanoakışkan kullanımının ısı transfer performansı üzerine etkisinin incelenmesi

Abstract

Bu tez çalışması kapsamında otomobil radyatörlerinde nanoakışkan kullanımının ısı transfer performansı üzerine etkisi araştırılmıştır. 4 farklı türde nanopartikül, nanoakışkanlarda kullanılmak üzere hazırlanmıştır; (i) saf TiO_2, (ii) %0.1 Ag katkılı TiO_2, (iii) %0.3 Ag katkılı TiO_2, (iv) %0.1 Cu katkılı TiO_2. İlgili nanopartiküller temel akışkan içerisine (hacimce 50:50 oranında etilen glikol – su çözeltisi) %0.3, 0.5, 1 ve 2 oranlarında eklenmiştir. Deneyler gerçek bir otomobil radyatörünün kullanıldığı ve uygulamadaki sistemlere mümkün olan en yakın şartlarda tasarlanmış bir düzenekte farklı debi değerleri (17, 19, 21, 23 ve 25 l/dk) için gerçekleştirilmiştir. İlgili debi değerlerine karşılık gelen Reynolds sayıları (Re); temel akışkan için 337 – 496 aralığında değişirken, nanoakışkanlar ise 370 – 830 aralığında değerler almıştır. Radyatörün hava tarafında ise 3500 m3/h'lik sabit debi (Re=930) ile çalışılmıştır. Deney düzeneğinde performansı test edilen akışkanların aynı şartlar altında karşılaştırılabilmesi için tüm deneyler yaklaşık 8.6 kW sabit ısıtıcı gücü ile yapılmıştır. Tez çalışmasının ana hedefi, otomobil radyatörlerinde kullanılan geleneksel soğutma sıvılarının yerine nanoakışkanlar kullanarak ısıl performansın arttırılmasıdır. Böyle bir çalışma gerçekleştirerek ulaşılmaya çalışılan fayda ise motor soğutma sistemlerinin boyutlarını küçülterek, daha hafif ve daha az yakıt tüketen araçlar geliştirilmesine katkı sağlamaktır. Böylece ulaşım endüstrisi gibi çok geniş bir kullanım alanına yönelik önemli bir iyileştirme yapılmış olacaktır. Bu hedefe yönelik olarak yapılan çalışmada, birçok yenilikçi yaklaşım ile hareket edilmiştir. Metal katkılanmış metal oksit yapıların saf hallerine kıyasla daha iyi veya tamamen farklı özellikler sergilediği bilinmektedir. Ancak Cu ve Ag gibi yüksek ısı iletim katsayısına sahip metallerin katkılandığı TiO_2 temelli nanoakışkanların hazırlanması ve bunların ısıl sistemlerde kullanılmasına dair bir çalışmaya literatürde rastlanmamıştır. Bu tip yeni tür nanoakışkanların, nanoakışkan kullanımının bile henüz çok yeni olduğu otomobil radyatörü model soğutma sisteminde denenmesi ve partikül özelliği – motor soğutma sistem parametreleri ilişkilerinin incelenmesi bütünüyle yeni, özgün ve kapsamlı bir çalışmadır. Nanoakışkanlar gerek içerdikleri nanopartiküller gerekse hazırlanma yöntemleri açısından birbirlerinden oldukça farklıdır. Dolayısıyla termofiziksel özelliklerin ampirik denklemler ile tespiti oldukça zordur ve önemli hatalara yol açar. Bu nedenle tez çalışması kapsamında özgün olarak hazırlanıp kullanılan tüm nanopartikül ve nanoakışkanların termofiziksel özellikleri, sıcaklığa bağlı değişimleri de göz önünde bulundurularak deneysel ölçümler ile tespit edilmiş, hesaplarda hassas şekilde kullanılmış ve literatüre kazandırılmıştır. Nanoakışkanlar hazırlanırken kararlılık sağlamak amacıyla ek kimyasallar kullanılmamıştır. Çünkü süspansiyon içerisine eklenen her yeni kimyasal, karışıma başka özellikler kazandırarak incelenmek istenen nanoakışkanı sadelikten uzaklaştırmaktadır. Bu yönleriyle mevcut tez çalışması, literatürde karşılaşılan çalışmaların büyük bir çoğunluğundan ayrılmaktadır. Çalışmanın sonuçları hem deneysel hem de teorik analizler ile değerlendirilmiştir. Deneysel sonuçlara göre konsantrasyon artışına bağlı olarak ısıl iletkenliğinde net bir değişim gözlenen grup %0.3 Ag katkılı nanoakışkanlar olmuştur. İlgili nanoakışkanlarda nanopartikül konsantrasyonu arttıkça, logaritmik ortalama sıcaklık farkı düşmüş, toplam ısı transfer katsayısı artmıştır. En büyük artış, %1 ve %2 konsantrasyona sahip akışkanlarda sırasıyla %5.615 ve %11.094 olarak tespit edilmiştir. Isı transferindeki artışı basınç kayıpları ile bir arada değerlendiren performans analizinin sonuçlarına göre, deneysel performans faktörünün 1'den büyük olduğu (η>1) akışkanlar, aynı akışkanlar olmuştur. Uygulamada yaşanan problemlerin çözülmesi halinde nanoakışkanların ulaşabilecekleri maksimum potansiyelin tespiti amacıyla teorik analizler gerçekleştirilmiştir. Akışkanları termofiziksel özellikleri temelinde kıyaslayan Mouromtseff sayısına göre, 13 nanoakışkanın tamamının, temel akışkandan daha iyi olduğu sonucuna varılmıştır. Bu potansiyel en düşükten en yükseğe doğru olmak üzere saf TiO_2'den % 0.1 ve %0.3 katkılı akışkanlara doğru sıralanmaktadır. Ag katkısının sentezlenen nanopartiküllerin ısı transfer özelliklerini iyileştirmede en başarılı olduğu ve katkı oranı arttıkça sağlanan faydanın arttığını söylemek mümkündür. Akışkanların ısıl iletkenlik ölçümleri de bu sonuçları destekler niteliktedir. Teorik analiz sonuçlarına göre taşınım katsayısındaki artışlar %0.3 Ag katkılı %1 ve %2'lik nanoakışkanlarda sırasıyla %26.15 ve %27.72 olarak tespit edilmiştir.