Abstract
In this study, the behavior of heat transfer and entropy generation under forced convection was experimentally investigated in two pipes of different diameters: a 13.7 mm macro pipe and a 2.74 mm mini pipe. Based on the second law of thermodynamics, entropy generation due to heat transfer, frictional entropy generation, and total entropy generation were calculated. System performance was also evaluated using second-law indicators such as the Bejan number and Entropy number. Experimental studies conducted in a Reynolds number range of approximately 6000–17000 revealed that while the dimensionless entropy generation due to heat transfer decreased with increasing Re in both pipes, the frictional entropy generation significantly increased in the mini pipe. Total entropy generation decreased with increasing Reynolds in the macro pipe but continuously increased in the mini pipe. Bejan number analysis showed that frictional effects dominate entropy generation in the mini pipe, whereas heat transfer is more dominant in the macro pipe. Although high surface-to-volume ratio in mini pipes enhances heat transfer, it also leads to greater frictional losses, reducing second-law efficiency. Therefore, a multi-objective design approach considering both thermal and viscous effects is recommended for system optimization.
References
- [1] Y. A. Çengel and M. A. Boles, Thermodynamics: An Engineering Approach, 8th ed. New York, NY, USA: McGraw-Hill Education, 2015.
- [2] M. J. Moran, H. N. Shapiro, D. D. Boettner, and M. B. Bailey, Fundamentals of Engineering Thermodynamics, 7th ed. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, 2010.
- [3] A. Bejan, “Thermodynamic optimization of geometry in engineering flow systems,” Exergy, an Int. J., vol. 1, no. 4, pp. 269–277, 2001.
- [4] López-Núñez, O. A., Lara, F., Gonzalez-Angeles, A., Cárdenas-Robles, A., Ramírez-Minguela, J. D. J., & Alfaro-Ayala, J. A. “Assessment of thermohydraulic performance and entropy generation in an evacuated tube solar collector employing pure water and nanofluids as working fluids,” Heliyon, vol. 10, no. 8, 2024.
- [5] M. Niazi and H. Xu, “Fully developed flow of a nanofluid through a circular micropipe in the presence of electroosmotic effects,” Math. Probl. Eng., vol. 2020, pp. 1–15, 2020, doi: 10.1155/2020/1723256.
- [6] O. Fadodun, A. Kaood, and M. Hassan, “Investigation of the entropy production rate of ferrosoferric oxide/water nanofluid in outward corrugated pipes using a two-phase mixture model,” Int. J. Therm. Sci., 107598, 2022. doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2022.107598.
- [7] Y. Yang, X. Yuan, and Z. Li, “Experimental and numerical study on heat transfer performance of single-phase water in a horizontal mini-annular channel,” Int. J. Heat Fluid Flow, vol. 108, p. 109483, 2024.
- [8] J. Li and C. Kleinstreuer, “Entropy generation analysis for nanofluid flow in microchannels,” ASME J. Heat Transfer, vol. 132, no. 12, p. 122401, 2010.
- [9] E. Manay, E. F. Akyürek, and B. Şahin, “Entropy generation of nanofluid flow in a microchannel heat sink,” Results Phys., vol. 9, pp. 615-624, 2018.
- [10] Hassan, M., Sadri, R., Ahmadi, G., Dahari, M. B., Kazi, S. N., Safaei, M. R., & Sadeghinezhad, E. “Numerical study of entropy generation in a flowing nanofluid used in micro- and minichannels,” Entropy, vol. 15, no. 1, pp. 144–155, 2013, doi: 10.3390/e15010144.
- [11] F. M. White, Fluid Mechanics, 7th ed. New York, NY, USA: McGraw-Hill, 2011.
- [12] H. Herwig, “The role of entropy generation in momentum and heat transfer,” J. Heat Transfer, vol. 134, no. 3, p. 031003, 2012.
- [13] I. Firat, S. Karagoz, O. Yildirim, and M. Yilmaz, “Performance and entropy production analysis of angle blade turbulators used to increase heat transfer,” J. Therm. Anal. Calorim., vol. 148, pp. 7811–7828, 2023.
- [14] H. Abdi, “Yatay borulardaki türbülatörlerin ısı transferine etkisinin deneysel ve teorik olarak incelenmesi,” M.S. thesis, Dept. Mech. Eng., Atatürk Univ., Erzurum, Turkey, 2014.
- [15] KARAGÖZ, Ş., Erzincanli, S., YILDIRIM, O., FIRAT, İ., KAYA, M., ÇOMAKLI, Ö., ÖMEROĞLU, G “Experimental investigation of the effect of wave turbulators on heat transfer in pipes,” Thermal Sci., vol. 26, no. 2 Part C, pp. 1771–1783, 2022.
- [16] Ş. Karagöz and O. Yıldırım, “Analysis of heat transfer in single-phase flow in circular mini-channels,” Int. J. Innov. Res. Rev., vol. 8, no. 2, pp. 50–60, 2024.
- [17] L. H. K. Goh, Y. M. Hung, G. M. Chen, and C. P. Tso, “Entropy generation analysis of turbulent convection in a heat exchanger with self-rotating turbulator inserts,” Int. J. Therm. Sci., vol. 160, p. 106652, 2021, doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2020.106652.
- [18] P. K. Singh, K. B. Anoop, T. Sundararajan, and S. K. Das, “Entropy generation due to flow and heat transfer in nanofluids,” Int. J. Heat Mass Transfer, vol. 53, no. 21–22, pp. 4757–4767, 2010.
- [19] A. Bejan, “Entropy generation minimization: The new thermodynamics of finite‐size devices and finite‐time processes,” J. Appl. Phys., vol. 79, no. 3, pp. 1191–1218, 1996.
- [20] A. Z. Sahin, “Entropy generation and pumping power in a turbulent fluid flow through a smooth pipe subjected to constant heat flux,” Exergy, an Int. J., vol. 2, no. 4, pp. 314–321, 2002.
Abstract
Bu çalışmada, farklı çaplara sahip iki boruda (13.7 mm makro boru ve 2.74 mm mini boru) suyun zorlanmış konveksiyon altındaki ısı transferi ve entropi üretimi davranışı deneysel olarak incelenmiştir. Termodinamiğin ikinci yasası esas alınarak yapılan analizlerde; ısı transferine bağlı entropi üretimi, sürtünme kaynaklı entropi üretimi ve toplam entropi üretimi hesaplanmıştır. Ayrıca sistem performansı Bejan Sayısı ve Entropi Sayısı gibi ikinci yasa göstergeleri kullanılarak değerlendirilmiştir. Reynolds sayısı aralığı yaklaşık 6000–17000 arasında değişen deneysel çalışmalarda hem mini hem de makro borularda artan Reynolds ile birlikte ısı transferi kaynaklı entropi üretim değerinin azaldığı, buna karşın mini boruda sürtünme kaynaklı entropi üretimi’nin belirgin şekilde arttığı gözlemlenmiştir. Toplam entropi üretimi incelendiğinde, makro boruda Reynolds sayısı arttıkça entropi üretimi azalırken, mini boruda bu değerin sürekli arttığı tespit edilmiştir. Bejan sayısı analizleri, mini boruda entropi üretiminin büyük ölçüde sürtünmeye dayalı olduğunu; makro boruda ise ısı transferi etkisinin daha baskın kaldığını ortaya koymuştur. Elde edilen bulgular, özellikle mini borularda yüksek yüzey-hacim oranının ısı transferini iyileştirmesine rağmen, sürtünme kaynaklı kayıpların ikinci yasa verimliliğini olumsuz etkileyebileceğini göstermektedir. Bu nedenle, optimum sistem tasarımı için hem termal hem de viskoz etkilerin dikkate alındığı çok bileşenli bir yaklaşım önerilmiştir. Çalışma, borularda ikinci yasa temelli optimizasyonun önemini vurgulamakta ve bu alanda yapılacak ileri düzey tasarımlara temel teşkil etmektedir.
References
- [1] Y. A. Çengel and M. A. Boles, Thermodynamics: An Engineering Approach, 8th ed. New York, NY, USA: McGraw-Hill Education, 2015.
- [2] M. J. Moran, H. N. Shapiro, D. D. Boettner, and M. B. Bailey, Fundamentals of Engineering Thermodynamics, 7th ed. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, 2010.
- [3] A. Bejan, “Thermodynamic optimization of geometry in engineering flow systems,” Exergy, an Int. J., vol. 1, no. 4, pp. 269–277, 2001.
- [4] López-Núñez, O. A., Lara, F., Gonzalez-Angeles, A., Cárdenas-Robles, A., Ramírez-Minguela, J. D. J., & Alfaro-Ayala, J. A. “Assessment of thermohydraulic performance and entropy generation in an evacuated tube solar collector employing pure water and nanofluids as working fluids,” Heliyon, vol. 10, no. 8, 2024.
- [5] M. Niazi and H. Xu, “Fully developed flow of a nanofluid through a circular micropipe in the presence of electroosmotic effects,” Math. Probl. Eng., vol. 2020, pp. 1–15, 2020, doi: 10.1155/2020/1723256.
- [6] O. Fadodun, A. Kaood, and M. Hassan, “Investigation of the entropy production rate of ferrosoferric oxide/water nanofluid in outward corrugated pipes using a two-phase mixture model,” Int. J. Therm. Sci., 107598, 2022. doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2022.107598.
- [7] Y. Yang, X. Yuan, and Z. Li, “Experimental and numerical study on heat transfer performance of single-phase water in a horizontal mini-annular channel,” Int. J. Heat Fluid Flow, vol. 108, p. 109483, 2024.
- [8] J. Li and C. Kleinstreuer, “Entropy generation analysis for nanofluid flow in microchannels,” ASME J. Heat Transfer, vol. 132, no. 12, p. 122401, 2010.
- [9] E. Manay, E. F. Akyürek, and B. Şahin, “Entropy generation of nanofluid flow in a microchannel heat sink,” Results Phys., vol. 9, pp. 615-624, 2018.
- [10] Hassan, M., Sadri, R., Ahmadi, G., Dahari, M. B., Kazi, S. N., Safaei, M. R., & Sadeghinezhad, E. “Numerical study of entropy generation in a flowing nanofluid used in micro- and minichannels,” Entropy, vol. 15, no. 1, pp. 144–155, 2013, doi: 10.3390/e15010144.
- [11] F. M. White, Fluid Mechanics, 7th ed. New York, NY, USA: McGraw-Hill, 2011.
- [12] H. Herwig, “The role of entropy generation in momentum and heat transfer,” J. Heat Transfer, vol. 134, no. 3, p. 031003, 2012.
- [13] I. Firat, S. Karagoz, O. Yildirim, and M. Yilmaz, “Performance and entropy production analysis of angle blade turbulators used to increase heat transfer,” J. Therm. Anal. Calorim., vol. 148, pp. 7811–7828, 2023.
- [14] H. Abdi, “Yatay borulardaki türbülatörlerin ısı transferine etkisinin deneysel ve teorik olarak incelenmesi,” M.S. thesis, Dept. Mech. Eng., Atatürk Univ., Erzurum, Turkey, 2014.
- [15] KARAGÖZ, Ş., Erzincanli, S., YILDIRIM, O., FIRAT, İ., KAYA, M., ÇOMAKLI, Ö., ÖMEROĞLU, G “Experimental investigation of the effect of wave turbulators on heat transfer in pipes,” Thermal Sci., vol. 26, no. 2 Part C, pp. 1771–1783, 2022.
- [16] Ş. Karagöz and O. Yıldırım, “Analysis of heat transfer in single-phase flow in circular mini-channels,” Int. J. Innov. Res. Rev., vol. 8, no. 2, pp. 50–60, 2024.
- [17] L. H. K. Goh, Y. M. Hung, G. M. Chen, and C. P. Tso, “Entropy generation analysis of turbulent convection in a heat exchanger with self-rotating turbulator inserts,” Int. J. Therm. Sci., vol. 160, p. 106652, 2021, doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2020.106652.
- [18] P. K. Singh, K. B. Anoop, T. Sundararajan, and S. K. Das, “Entropy generation due to flow and heat transfer in nanofluids,” Int. J. Heat Mass Transfer, vol. 53, no. 21–22, pp. 4757–4767, 2010.
- [19] A. Bejan, “Entropy generation minimization: The new thermodynamics of finite‐size devices and finite‐time processes,” J. Appl. Phys., vol. 79, no. 3, pp. 1191–1218, 1996.
- [20] A. Z. Sahin, “Entropy generation and pumping power in a turbulent fluid flow through a smooth pipe subjected to constant heat flux,” Exergy, an Int. J., vol. 2, no. 4, pp. 314–321, 2002.
Details
| Primary Language | Turkish |
|---|---|
| Subjects | Energy Generation, Conversion and Storage (Excl. Chemical and Electrical), Microelectromechanical Systems (Mems), Mechanical Engineering (Other) |
| Journal Section | Research Article |
| Authors | |
| Submission Date | October 9, 2025 |
| Acceptance Date | October 30, 2025 |
| Publication Date | March 24, 2026 |
| DOI | https://doi.org/10.24012/dumf.1800310 |
| IZ | https://izlik.org/JA93UL33JH |
| Published in Issue | Year 2026 Volume: 17 Issue: 1 |
Aim & Scope
Temel mühendislik alanında deneysel ve teorik çalışmalara yer veren Dicle Üniversitesi Mühendislik Dergisi, mühendisliğin popüler konuları ile ilgili makalelerin yayınlanmasına öncelik vermekte ve multidisipliner yöntem ve teknolojilere odaklanmayı hedeflemektedir.
Dicle Üniversitesi Mühendislik Dergisi, çok disiplinli bir dergidir ve temel mühendislik konularını içerir. Derginin amacı, bilim ve teknolojideki en popüler gelişmeleri araştırmacılara, mühendislere ve diğer ilgili kitlelere ulaştırmaktır.
Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi (DUMF), mühendisliğin çeşitli alanlarında özgün araştırma makalelerinin yanı sıra derleme makalelerini de yayınlayan, hakemli, açık erişimli bir dergidir. Derginin kapsadığı konu alanları şunlardır:
-Elektrik ve Elektronik Mühendisliği
-Bilgisayar ve Yazılım Mühendisliği
-Biyomedikal Mühendisliği
-Makine Mühendisliği
-Cevher Hazırlama ve Maden Mühendisliği
-İnşaat Mühendisliği
Author Guidelines
DUMF Dergisi makale yükleme aşamasında gerekli olan genel yazım formatına sahiptir. Makalenizi yazarken yükleme öncesi bu formatı kullanma ihtiyacı duyabilirsiniz. Süreci kolaylaştırmak açısından indirmeye hazır word formatları sizler için sunulmuştur.
Türkçe Makale Şablonu (*.docx)
İngilizce Makale Şablonu (*.docx) (tavsiye edilen)
Makaleniz revizyon aşamasında iken makalenizin kabulü için gereklilikleri yerine getirip çalışmanızı doğru bir formatta sisteme yüklemelisiniz.
Kör Hakemlik:
Gönderdiğiniz makale hakemlere gönderileceğinden, metin içerisinde yazarlar hakkında tanımlayıcı herhangi bir bilgiye yer vermemeniz son derece önemlidir.
Lütfen potansiyel tanımlayıcı bilgiler için metnin gövdesini gözden geçirin ve tüm öz atıfların hem metin içi atıflar hem de referanslar için Yazar (Yıl) olarak belirtildiğinden emin olun.
Makale Yapısı
Giriş
Çalışmanın amaçlarını belirtin ve ayrıntılı bir literatür taramasından veya sonuçların bir özetinden kaçınarak çalışma ile ilgili yeterli bir literatür zemini sağlayınız.
Materyal ve Metod
Çalışmanın diğer bir araştırmacı tarafından izlenilmesine imkan vermek için yeterli ayrıntı sağlayınız. Çalışmada kullanılan yöntemler özetlenmeli ve bir referans ile belirtilmelidir. Doğrudan daha önce yayınlanmış bir yöntemden alıntı yapıyorsanız, tırnak işaretleri kullanınız ve ayrıca kaynak belirtiniz. Mevcut yöntemlerde yapılacak herhangi bir değişiklik de açıklanmalıdır.
Sonuçlar
Sonuçlar açık ve net olmalıdır.
Tartışma
Bu kısım çalışmanın önemini vurgulamalı, sonuçların tekrarını içermemelidir. Sonuçlar ve tartışma kısmı birlikte de verilebilir. Literatürdeki çalışmalara büyük oranda atıfta bulunup tartışmaktan kaçınılmalıdır.
Sonuç
Çalışmanın ana sonuçları, tek başına veya bir Tartışma veya Sonuçlar ve Tartışma bölümünün bir alt bölümünü oluşturabilecek kısa bir Sonuçlar bölümü olarak da sunulabilir.
Teşekkür
Bu bölümde, yazarın katkısı veya finansman bölümlerinin dışında herhangi bir desteğe yer verebilirsiniz. Bu kısım, idari ve teknik desteği veya ayni bağışları (örneğin deneyler için kullanılan malzemeler) içerebilir.
Referanslar
Kaynakların IEEE atıf stili ile hazırlanması tavsiye edilir. Formatın detayları şablon dosyasında verilmiştir.
ORCID zorunluluğu
Dergimize makale gönderen yazarların ORCID numaralarını eklemeleri gerekmektedir. ORCID, Open Researcher ve Contributor ID'nin kısaltmasıdır. ORCID, Uluslararası Standart Ad Tanımlayıcı (ISNI) olarak da bilinen ISO Standardı (ISO 27729) ile uyumlu 16 haneli numaralı bir URL'dir. Bireysel ORCID için http://orcid.org adresinden ücretsiz kayıt oluşturabilirsiniz.
Telif Hakkı
Kabul edilen makalelerin yazarları, makalenin telif hakkını DUMF'ye devretmeyi ve DUMF'nin stiline bağlı kalarak nihai hallerini elektronik ortamda göndermeyi kabul etmelidir.
Dergi İntihal Politikası
Dicle Üniversitesi Mühendislik Dergisi, makaleleri/derlemeleri intihal açısından değerlendirme politikasına sahiptir. Dergimize makale göndermeden önce uygun intihal yazılım programları (iThenticate, Turnitin vb.) ile makalenizdeki benzerlik durumu/oranını kontrol etmeniz önerilir. Bu doğrultuda dergimize gönderilen makaleler/derlemeler ön değerlendirmeye tabi tutulur; Turnitin yazılımı ile belirlenen benzerlik oranı %30'un altında olan yazılar Yayın Kurulumuz tarafından kabul edilecektir. Belirtilen oranın (%30) üzerinde olan makaleler/incelemeler yazar(lar)a iade edilir.
Gönderim Sırasında Gerekli Dosyalar:
1) İntihal Formu (Makaleler IThenticate, Turnitin vb. raporlarla birlikte değerlendirilecektir)
2) Hakem Öneri Formu
3) Telif Hakları Devri Formu
4) Ön Yazı
Revizyon Sırasında Yazar tarafından yüklenmesi gerekli dosyalar:
1) Hakemlere Cevap Formu
2) Yapılan Değişiklikleri Gösteren Makale Dosyası
3) Makalenin Son Hali
Kabul sonrası yüklenmesi gereken dosyalar
1) Makalenin basıma hazır hali (yazar bilgileri eklenmiş versiyon)
Ethical Principles and Publication Policy
İlgili makale çalışmanın yapıldığı kurum(lar)la ilgili uygun etik kurullar tarafından onaylandığına ve deneklerin çalışmayla ilgili bilgilendirilip onay verdiğine dair bir ifade içermelidir.
Etik Kurul izni gerektiren araştırmalar aşağıdaki gibidir:
-Katılımcılardan anket, görüşme, odak grup çalışması, gözlem, deney, görüşme teknikleri kullanılarak veri toplanmasını gerektiren nitel veya nicel yaklaşımlarla yürütülen her türlü araştırma.
-İnsan ve hayvanların (materyal/veri dahil) deneysel veya diğer bilimsel amaçlarla kullanılması
-İnsanlar üzerinde klinik araştırma
-Hayvanlar üzerinde araştırma
-Kişisel verilerin korunması kanununa uygun olarak geriye dönük çalışmalar
-Başkalarına ait ölçek, anket ve fotoğrafların kullanımı için izin alınması ve sahiplerinin belirtilmesi
-Kullanılan fikir ve eserlerde telif haklarına uyulduğunun belirtilmesi
Price Policy
Yayın Kurulunun 5 Ekim 2022 tarihli kararına göre talep edilen ücret miktarı revize edilmiştir.
Her makale gönderimi için "500TL" makale işletim ücreti talep edilmektedir. Bu ücret, Derginin profesyonel dizgisi için kullanılır. İlgili makale işletim ücreti kabul/red şartına bakılmaksızın makale gönderim sırasında talep edilmektedir.
Ücret Ödenecek Hesap Bilgileri:
Türk Lirası Hesabı (Banka/Şube): VakıfBank, Dicle Üniversitesi Bağlı Şubesi
Hesap Adı: Dicle Universitesi Muhendislik Fakultesi Dekanlığı
Hesap No: 00158007306834414
IBAN: TR300001500158007306834414
NOT: İlgili APC ödemesi makaleniz ön değerlendirmeden geçtikten sonra Dergi sekreteryasından alacağınız ön onay mesajı sonrası yapılmaktadır.
Lütfen Editör Kurulunun yapacağı ön değerlendirme sonrası Dergipark sistemi üzerinden alacağınız mesajı bekleyiniz.
Tel: +90-412 241 10 00 (3637)
E-posta: muhendislikdergisi@dicle.edu.tr
Indexes
Citation Indexes
Other Indexes
Journal Boards
Baş Editör
Editör Kurulu
Visiting Professor at Oxford University, Dr. Idris Bedirhanoglu, who holds Bachelor and MSc degrees in Civil Engineering, got his Ph.D. from Istanbul Technical University with a co-advisor from Purdue University where he did a part of his PhD. He has been a Professor of Structural Engineering at Dicle University since March 2023. He worked as a Research Scientist at the Engineering Faculty of New York University Abu Dhabi in 2018-2019. He is the author/co-author of more than 40 journals (SCI or SCIE) or international conference papers and a co-author of four book chapters. He is on the Editorial Board of M. of J. of World Architecture and Engineering News (2014-2016), and a reviewer of more than 20 journals (SCI or SCIE). He is skilled in structural analysis, particularly in evaluating existing structures and retrofitting. As well, he has provided consultancy to more than 100 industrial projects. He has served as a member of the Technical Delegation to Evaluate Objections to Risky Building Detections (Ministry of Environment and Urbanization, General Directorates for Environment and Urbanization), vice chair of the Civil Engineering Department at Dicle University (2018-2019) and chair of the structural engineering laboratory (2010-2018). His main research interests include seismic design and evaluation of RC and historical structures, retrofitting buildings with FRP composites or textile fibers, recycling concrete, nondestructive testing, fuzzy logic, and finite element analysis.
Teknik Editör
Dicle Üniversitesi'nden Elektrik-Elektronik Mühendisliği alanında 2017 yılında yüksek lisans derecesini, 2023 yılında doktora derecesini aldı. 2025 yılında Wake Forest University School of Medicine Center for Artificial Intelligence Research'de PostDoc derecesi aldı. Şuan Dicle Üniversitesi'nden Elektrik-Elektronik Mühendisliği bölümünde Dr. Öğr. Üyesi olarak görev yapmaktadır. Araştırma ilgi alanları arasında Medikal Görüntü İşleme, Derin Öğrenme, Makine Öğrenmesi, Tıbbi Bilişim, Dijital Patoloji yer almaktadır.