Theoretical Analysis of the Effect of Nano-Fluid Usage on Cooling in the Cooling System of a Diesel Engine

Yıl 2022, Cilt: 63 Sayı: 707, 250 - 278, 09.06.2022

Kemal Bilen , Hakan Zafer Kızılkaya , Nazlı Hazal Kızılkaya

https://doi.org/10.46399/muhendismakina.932996

Cited By: 1

Öz

Cooling of internal combustion engines are necessary to prevent reaching high temperatures that would damage the engine block. For this reason, studies on more efficient cooling of internal combustion engines are frequently encountered in the literature. This becomes even more important if the internal combustion engine is supercharged. These engines are mostly cooled by liquid fluids, while some are cooled by air. Considering this point, in this theoretical study, effect of using of water, water + Al2O3, water + CuO, ethylene glycol, water + ethylene glycol, water + ethylene glycol + Al2O3 or water + ethylene glycol + CuO in the cooling system of a diesel engine on the amount of heat removed is investigated, respectively. In daily life, considering that the freezing temperature of water is relatively higher than the freezing temperature of ethylene glycol, water + ethylene glycol mixture is used instead of single water in engine cooling systems. Considering this situation, in this study, usage of water-ethylene glycol mixture and usage of single water or usage of various nano-fluids are thermally compared. For this aim, primarily, the effect of nano-particle volumetric ratio in the mixtures on the thermophysical properties such as density, specific heat, and thermal conductivity of the related nano-fluid is investigated. Then, using these new thermophysical properties, the effect of fluid or nano-fluid on the amount of heat to be removed from the engine block is investigated. According to this; among the examined fluids, the fluid with the highest density is 47.5% water + 47.5% ethylene glycol + 5% CuO, while water has the highest specific heat. The highest value among the thermal conductivity values that are calculated using various relations belongs to 49.75% water + 49.75% ethylene glycol + 0.5% CuO fluid according to the Wasp Model. The fluid with the highest mass flow rate is 47.5% water + 47.5% ethylene glycol + 5% CuO fluid which has the highest density. According to these data, the usage of nano-fluids provided an increase nearly as 15% in the amount of heat removed from the engine block thanks to increasing in density and specific heat.

Anahtar Kelimeler

Diesel engine cooling, Water, Ethylene glycol, Al2O3, CuO, Nano-fluid, Thermal analysis., thermophysical property

Dizel Bir Motorun Soğutma Sisteminde Nano-Akışkan Kullanımının Soğutmaya Etkisinin Teorik Analizi

Öz

İçten yanmalı motorların soğutulması, motor bloğuna zarar verecek seviyedeki yüksek sıcaklıklara ulaşılmasını önlemek için gereklidir. Bu nedenle literatürde, içten yanmalı motorların daha etkin soğutulabilmesine ilişkin çalışmalara sıklıkla rastlanmaktadır. İçten yanmalı motorun, aşırı doldurmalı olması durumunda bu husus daha büyük bir önem kazanmaktadır. Bu motorlar, çoğunlukla sıvı akışkanlar ile soğutulurken bazıları hava ile soğutulur. Günlük yaşamda etilen glikolün donma sıcaklığının, suyun donma sıcaklığına göre nispeten düşük oluşu göz önünde bulundurularak motor soğutma sistemlerinde, sadece su yerine, su + etilen glikol karışımı kullanılır. Ayrıca, akışkanlara karıştırılan nano-parçacıkların genel olarak akışkanların termofiziksel özeliklerini iyileştirdiği bilinir. Bu hususlar göz önüne alınarak bu teorik çalışmada, dizel bir motorun soğutma sisteminde sırasıyla; su, su + Al2O3, su + CuO, etilen glikol, su + etilen glikol, su + etilen glikol + Al2O3 veya su + etilen glikol + CuO akışkan veya nano-akışkanların kullanımının, motor bloğundan çekilen ısı miktarına etkisi incelenmiştir. Böylece bu çalışmada, su + etilen glikol karışımının kullanımı ile sadece suyun kullanımı veya çeşitli nano-akışkanların kullanımı, ısıl bakımdan mukayese edilmiştir. Bunun için öncelikle, karışımlardaki nano-parçacık hacimsel oranının; ilgili nano-akışkanın yoğunluk, özgül ısı ve ısı iletim katsayısı gibi termofiziksel özeliklerine etkisi incelenmiştir. Daha sonra, bu yeni termofiziksel özelikler kullanılarak akışkan veya nano-akışkanın, motor bloğundan çekilecek ısı miktarına etkisi incelenmiştir. Buna göre; incelenen akışkanlar arasında en yüksek yoğunluğa sahip akışkan %47.5 su + %47.5 etilen glikol + %5 CuO iken, en yüksek kütlesel özgül ısıya su sahiptir. Çeşitli bağıntılar kullanılarak hesaplanan ısı iletim katsayıları arasındaki en yüksek değer, Wasp Modeli’ne göre %49.75 su + %49.75 etilen glikol + %0.5 CuO akışkanına aittir. Kütlesel debisi en yüksek olan akışkan ise, doğal olarak yoğunluğunun yüksek oluşu nedeniyle %47.5 su + %47.5 etilen glikol + %5 CuO akışkanıdır. Bu verilere göre nano-akışkan kullanımı, yoğunluktaki artış nedeniyle motor bloğundan çekilen ısı miktarında yaklaşık %15 artış sağlamıştır.

Anahtar Kelimeler

Dizel motorun soğutulması, Su, Etilen glikol, Al2O3, CuO, Nano-akışkan, Isıl analiz.

Kaynakça

• Bilen K. 1998. “Turbo Doldurmalı Bir Dizel Motoru İçin Ara Soğutucu Dizaynı”, Yüksek Lisans Tezi, Kırıkkale Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makina Mühendisliği Anabilim Dalı, Kırıkkale-Türkiye.
• Sedef A.Y. 2017. “First and Second Law Analysis of Compact Heat Exchangers used for Intercooling Purposes”, Yüksek Lisans Tezi, Ankara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makina Mühendisliği Anabilim Dalı, Ankara-Türkiye.
• Kale Oto Radyatör Sanayi ve Ticaret A.Ş.
• Incropera F.P., DeWitt D.P., Bergman T.L., Lavine A.S. 2015. “Principles of Heat and Mass Transfer”, 7th edition, John Wiley  Sons, New York.
• Ginnings D.C., Corruccini R.J. “Enthalpy, Specific Heat, and Entropy of Aluminum Oxide from 0° to 900° C”, U.S. Department of Commerce National Bureau of Standards, Research Paper RP1797 Cilt 38, Sayfa 593-600, Haziran 1947.
• Bohne D., Fischer S., Obermeier E. “Thermal, Conductivity, Density, Viscosity, and Prandtl-Numbers of Ethylene Glycol.Water Mixtures”, Physical Chemistry Chemical Physics, Sayfa 739-742, Ağustos 1984.
• Pak B.C., Cho Y.I. 1997. “Hydrodynamic and Heat Transfer Study of Dispersed Fluids with Submicron Metallic Oxide Particles”, Experimental Heat Transfer, 11:151-170.
• Vajjha R.S., Das D.K. “Measurements of Specific Heat and Density of Al2O3 Nanofluid”, American Institute of Physics, 978-0-7354-0593-6/08, Ekim 2008.
• Barbés B., Páramo R., Blanco E., Casanova C. 2014. “Thermal Conductivity and Specific Heat Capacity Measurements of CuO Nanofluids”, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, Cilt 115:, Sayfa 1883-1891.
• Usri N.A., Azmi W.H., Mamat R., Abdul Hamid K., Najafi G. 2015. “Thermal Conductivity Enhancement of Al2O3 Nanofluid in Ethylene Glycol and Water Mixture”, 2015 International Conference on Alternative Energy in Developing Countries and Emerging Economies.
• Senthilraja S., Vijayakumar K., Gangadevi R. “A Comparative Study on Thermal Conductivity of Al2O3/Water, CuO/Water and Al2O3 – CuO/Water Nanofluids”, Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures, Cilt 10, No. 4, Sayfa 1449-1458, Ekim-Kasım 2015.
• Dawood H.K., Mohammed H.A., Sidik N.A.C., Munisamy K.M. “Numerical Investigation on Heat Transfer and Friction Factor Characteristics of Laminar and Turbulent Flow in an Elliptic Annulus Utilizing Nanofluid”, International Communications in Heat and Mass Transfer, Cilt 66, Sayfa 148-157, August 2015.
• Bilen K., Dağıdır K., Arcaklıoğlu E. “Al2O3 ve CNTs Nano-parçacıklarının R1234yf Soğutucu Akışkanının Termofiziksel Özeliklerine Etkisinin Teorik Olarak Araştırılması”, 22. Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi (ULIBTK – 2019), Kocaeli, 11-14 Eylül 2019.
• Karakaya U., Gürü M., Sözen A., Aydın D.Y., Bilici İ. 2019. “Nano Mineralojik Akışkanların Termofiziksel Özelliklerinin Deneysel Olarak İncelenmesi”, Politeknik Dergisi, Cilt 22, Sayı 3, Sayfa 619-626.
• Timofeeva E.V., Routbort J.L., Singh D. “Particle Shape Effects on Thermophysical Properties of Alumina Nanofluids” Journal of Applied Physics, Cilt 014304, Sayfa 1-10 Temmuz 2009.
• Filippov L.P. “Liquid Thermal Conductivity Research at Moscow University”, International Journal of Heat and Mass Transfer, Cilt 11, Sayfa 331-345, Haziran 1965.