Giriþ
K
üçük çaplý kanallar, ýsý transfer özellikleri etkili g e l i þ m i þ o l d u ð u n d a n , o l d u k ç a i l g i görmektedir. Bu kanallar, bilgisayar yongalarýný soðutma ve yüksek akýlý ýsý çekilmesi gibi uygulamalar için çalýþýlmaktadýr.Bir kanalýn duvarlarý ile akýþkan akýþý arasýndaki ýsý transfer hýzý temel taþýným ýsý transfer denklemi ile verilir:
q = hA (Tduvar - T akýþkan) (1) Isý transferi katsayýsý ve yüzey alanýnýn her ikisi de kanal çapý ile baðlantýlýdýr. Kanal çapýný küçültme birçok avantaja sahiptir. Hepsinden önce, daha küçük çaplardaki kanallar daha yüksek bir yüzey alanýnýn dahili akýþkan akýþ hacmi oranýna sahiptirler. Hacimsel temelde, akýþkana ýsý transferi hýzý böylece hidrolik çapla
Satish G. KANDLÝKAR
Gleason Professor Mechanical Engineering Department Rochester Institute of Technology Rochester, NY 14623 USA
ÖZET ABSTRACT
Kandlikar (2002a) mikro kanallarda akýþ tipi kaynama ile ilgili temel hususlara dikkati çeken bir makale yayýnladý. Bu hususlar bu çalýþmada tekrar incelenmiþtir. Mikro kanallarda akýþ tipi kaynama, çok yüksek ýsýl performans kapasitesi nedeniyle yoðun bir çalýþma alanýdýr. Uygulama sýrasýnda ortaya çýkabilecek baþlýca sorunlardan bir tanesi kabarcýðýn çekirdekleþmesi ve aniden geliþmesi sebebiyle ortaya çýkan karasýzlýklardýr. Bu makale akýþýn dengelenmesi ve mikrokanallardaki akýþ tipi kaynamanýn ýsý geçiþi ve basýnç düþüþüne ait karakteristikleri ortaya koyan çabalarýn bir incelemesini sunmaktadýr. Isý transferini ve kritik ýsý akýsýný tanýmlayan modellerin kararlý kaynama koþullarýnda elde edilen güvenilir deneysel verilerin ardýndan gelmesi beklenmektedir.
Kandlikar (2002a) published an article outlining the f u n d a m e n t a l i s s u e s re l a t e d t o f l o w b o i l i n g i n microchannels. These issues are revisited in the current paper. The flow boiling in microchannels is an area of intense research due to its extremely high thermal performance capability. One of the major hurdles in its practical implementation is posed by the instabilities arising due to bubble nucleation and its rapid growth. This paper presents a review of the efforts on stabilizing the flow and establishing the heat transfer and pressure drop characteristics during flow boiling in microchannels. The models describing heat transfer and critical heat flux are expected to follow after reliable experimental data have been obtained under stable boiling conditions. .
Anahtar Kelimeler: Mikrokanal, Isý Geçiþi, Kaynama,
Keywords: Microchannel, Heat transfer, Boiling, Nucleation Çekirdeklenme
MÝKROKANALLARDA AKIÞ TÝPÝ KAYNAMA ÝLE ISI TRANSFERÝ
KONUSUNDA SON GELÝÞMELER
RECENT DEVELOPMENTS IN FLOW BOILING HEAT TRANSFER IN
*
MICROCHANNELS
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 557
97
Introductýon
S
mall diameter channels are receivingconsiderable attention due to their efficient heat transfer characteristics. These channels are being studied for applications such as computer chip cooling and high flux heat removal.
The heat transfer rate between the walls of a channel and the fluid stream is given by the basic convective heat transfer equation:
q = hA (T - Twall fluid) (1) The heat transfer coefficient and the surface area are both related to the channel diameter. Reducing the channel diameter has several advantages. First of all, the smaller diameter channels have a higher ratio of surface area to internal fluid flow volume. The heat transfer rate to * Çeviri : M. Mete ÖZTÜRK
ters orantýlý olarak artar. Buna ek olarak, daha küçük çaplý kanallarda akýþkan akýþý genellikle laminar olduðundan (Re = rVD / m), ýsý transfer katsayýsý çap azaldýkça artar H (Tam geliþmiþ akýþ koþullarý altýnda Nu=hD / k= sabit H olduðu için). Mikrokanallarýn kullanýmýnýn avantajlarýna dair daha fazla detay Kandlikar ve Grande (2003) te verilmiþtir.
Tek-fazlý akýþda ýsý transfer katsayýsýnýn çok yüksek olmasýna raðmen, izin verilen sýcaklýk artýþý, duyulur ýsý transfer biçimi sebebiyle akýþkan akýþýnýn ýsýyý çekme kapasitesini sýnýrlar. Bu sýnýra çok kýsa bir mesafe sonunda ulaþýlýr, bazen bu mesafe akýþ boyunca birkaç milimetre olabilir. Öteyandan, akýþ tipi kaynama sistemleri, sývýyý buhara dönüþtürmek için gerekli gizli ýsý aracýlýðýyla daha fazla ýsý taþýma kapasitesi saðlarlar. Örneðin, suyun 1 atmosfer basýnçta özgül ýsýsý 4,2 kJ/kg ºC dýr, halbuki gizli ýsýsý 2257 kJ/kg dýr. Ayný ýsý çekme hýzý için akýþ tipi kaynama sisteminin ýsý çekme kapasitesini karþýlayan tek-fazlý akýþta eþdeðer sýcaklýk yükselmesi 500 ºC ýn üzerindedir (ki bu imkansýzdýr). Ancak belirlenen bir sýcaklýk artýþ limiti altýnda, tek-fazlý bir sistemle karþýlaþtýrýldýðýnda, belirlenmiþ bir ýsý çekme hýzý için akýþ tipi kaynama sistemindeki kütle debisi belirgin bir þekilde daha düþüktür. Akýþ tipi kaynama sistemlerinde iki-fazlý basýnç düþümü tek-fazlý akýþa göre daha yüksek olmasýna raðmen, akýþ tipi kaynama sistemlerde daha düþük olan kütle debisi daha yüksek basýnç düþümü problemini büyük ölçüde telafi eder. Akýþ tipi kaynama sisteminin bir diðer avantajý, akýþ uzunluðu boyunca basýnç düþüþünden kaynaklanan doyma sýcaklýðýndaki küçük bir deðiþim hariç ýsý deðiþtiricideki oldukça uniform akýþkan sýcaklýðýdýr. Kandlikar (2005a) tarafýndan, bilgisayar soðutma uygulamalarý için yüksek ýsý akýlý soðutma sistemleri üzerine iyi bir inceleme sunulmuþtur.
Küçük çaplý kanallarýn tanýmlanmasýnda kullanýlan terminoloji dikkat gerektirir. Çeþitli uygulamalardaki kanallarý tanýmlamada bir tek kanal sýnýflandýrma þemasý faydalý olacaktýr. Kandlikar ve Grande (2003) tek-fazlý gaz ve sývý akýþlarý, akýþ tipi kaynama, yoðuþma ve adyabatik
98
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 557the fluid on a volumetric basis thus increases inversely with hydraulic diameter. Further, as the fluid flow is generally laminar in smaller diameter channels (Re = rVD / m), the H heat transfer coefficient increases as the diameter decreases (since Nu=hD / k=Const ant under the fully H developed flow conditions). Further details on the advantages of using microchannels are given in Kandlikar and Grande (2003).
Although the heat transfer coefficient in single-phase flow is very high, the allowable temperature rise limits the heat removal capacity of the fluid stream due to sensible mode of heat transfer. This limit is reached within a very short distance, sometimes as small as a few millimeters, along the flow length. On the other hand, the flow boiling systems provide a larger heat carrying capacity through the latent heat required to change the liquid into the vapor phase. For example, the specific heat of water at 1 atmospheric pressure is 4.2 kJ/kg°C, while the latent heat is 2257 kJ/kg. For the same heat removal rate, the equivalent temperature rise in the single-phase flow is over 500 °C (which is impossible) to match the heat removal capacity of a flow boiling system. Thus under a given temperature rise limit, the mass flow rate in a flow boiling system for a given heat removal rate is significantly lower as compared to a single-phase system. Although the two-phase pressure drop in flow boiling systems is higher than the single-phase flow, the lower mass flow rate in flow boiling systems offsets the higher pressure drop penalty to a large extent. Another advantage of a flow boiling system is the relatively uniform fluid temperature in the heat exchanger, except for a small change in the saturation temperature resulting from the pressure drop along the flow length. A good research overview of high heat flux cooling systems for computer cooling applications is given by Kandlikar (2005a).
The terminology used in describing the small diameter channels needs some attention. A unified channel classification scheme is useful in identifying the channels in various applications. Kandlikar and Grande
iki-fazlý akýþý içeren çeþitli uygulamalarda ýsý transferi kavramý üzerine çalýþmýþlar ve aþaðýdaki kanal sýnýflandýrma þemasýný önermiþlerdir:
Kanal Çapý Sýnýflandýrmasý (Kandlikar ve Grande 2003) Konvansiyonel kanallar -D > 3mm
Minikanallar -3mm ³ D > 200
m
m Mikrokanallar - 200m
m ³ D > 10m
mGeçiþ Bölgesi Kanallarý - 10
m
m ³ D > 0.1m
m Geçiþ Bölgesi Mikrokanallarý - 10m
m ³ D > 1m
m Geçiþ Bölgesi Nanokanallar - 1m
m ³ D > 0.1m
m Moleküler Nanokanallar - 0.1m
m ³ DBurada D minimum kanal boyutu (Kandlikar, 2005b) Bu sýnýflandýrma cetveline göre 10
m
m - 200m
m arasýndaki, boyutlarý en küçük olan kanallar mikrokanal sýnýfýna düþmektedirler. Bu makale, bu mikro kanallarda akýþ tipi kaynama ile ilgilidir.Küçük çaplý kanallardaki akýþ tipi kaynama son on yýl içinde birçok araþtýrmacý tarafýndan deneysel olarak çalýþýlmýþtýr. Kandlikar (2002a,2002b) mikrokanallar ve minikanallardaki akýþ tipi kaynama üzerine kapsamlý bir literatür incelemesi sunmaktadýr. Doksanlarýn baþlarýndan önce yapýlmýþ olan çalýþmalar kompakt otomobil buharlaþtýrýcýlarýndaki minikanal akýþ pasajlarýna odaklanmýþtýr (örneðin Cohen ve Carey, 1989). Akýþ tipi kaynama 2000 yýlýndan önce sadece birkaç araþtýrmacý tarafýndan çalýþýlmýþtýr. Moriyama ve Inoue (1992) sadece 35
m
m - 110m
m arasý yükseklikte ve 30mm geniþlikte dikdörtgen mikrokanallardaki kaynama sýrasýndaki iki-fazlý akýþ kavramýný çalýþmýþlardýr. Geniþ kanallar, kanal boyunca akýþta sývý þeritlerini içeren akýþ modellerini meydana getirmiþtir. Ayrýca, akýþ boyunca kabarcýk büyümesi ve birleþmesini de gözlemlediler. Isý transfer katsayýsýna ýsý akýsýnýn kuvvetle baðlý olduðunun görülmesine raðmen, çekirdekMikro Kanallarda Akýþ Tipi
Kaynama-Ýlk Geliþmeler
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 557
99
(2003) studied the heat transfer phenomena in various applications, including single-phase gas and liquid flows, flow boiling, condensation and adiabatic two-phase flow, and proposed the following channel classification scheme:
Channel Size Classification (Kandlikar and Grande, 2003) Conventional channels - D > 3mm Minichannels - 3mm ³ D > 200
m
m Microchannels - 200m
m ³ D > 10m
m Transitional Channels -10m
m ³ D > 0.1m
m Transitional Microchannels - 10m
m ³ D > 1m
m Transitional Nanochannels - 1m
m ³ D > 0.1m
m Molecular Nanochannels - 0.1m
m ³ Dwhere D minimum channel dimension (Kandlikar, 2005b)
According to this classification scheme, channels with their smallest dimension in the range 10
m
m to 200m
m fall under the microchannel category. This paper is concerned with flow boiling in these microchannels.Flow boiling in small diameter channels was studied experimentally in the last decade by a number of investigators. Kandlikar (2002a, 2002b) present a comprehensive review of literature on flow boiling in microchannels and minichannels. The work prior to early nineties focused on minichannel flow passages in compact automotive evaporators (see for example, Cohen and Carey, 1989). Flow boiling in microchannels was studied only by a few researchers prior to 2000. Moriyama and Inoue (1992) studied the two-phase flow phenomenon during boiling in rectangular microchannels with only 35 µm -110 µm height and 30 mm width. The wide channels resulted in flow patterns that included liquid strips flowing down
Flow Boýlýng In Mýcrochannels
- Earlýer Developments
kaynama unsuru gözardý edilerek kendi deneysel ýsý transferi verilerini iliþkilendirdiler. Daha sonraki araþtýrmacýlar, ýsý transferi katsayýsýnýn çekirdek kaynama kavramýyla yönetildiðini rapor ettiler. Yoðun kabarcýk büyüme faaliyetinin ýsý akýsýna bu kuvvetli baðýmlýlýktan sorumlu olduðuna inanýlmaktadýr. Bu alanda yapýlan deneysel çalýþmalarýn bazýlarý aþaðýda incelenmiþtir.
Mikro kanallarda akýþ tipi kaynama üzerine yapýlan deneysel çalýþmalar 1990’larýn sonlarýnda daha dikkat çekmiþtir. Peng ve Wang (1998), 200
m
m - 400m
m arasý geniþlikte, 100m
m 300m
m arasý yükseklikte ve 50mm uzunluktaki dikdörtgen mikrokanallardaki akýþ tipi kaynama üzerinde çalýþmýþlardýr. Ayrýca üçgen kanallar üzerinde de çalýþmýþlardýr. Bu araþtýrmacýlar gerçek olmayan kaynama ile ilgili yeni bir kaynama kavramý rapor ettilerki bunun sebebi saniyede 30 kare çekebilen sýradan bir kamera ile kabarcýklarýn görüntülenmesindeki yetersizlikleriydi. Kawano ve diðerleri (1998), Hetsroni ve diðerleri (2000), Koo ve diðerleri (2001), Warrier ve diðerleri (2001), Jiang ve diðerleri (2001), Hetsroni ve diðerleri (2002), Yen ve diðerleri (2002), Zhang ve diðerleri(2002), Hetsroni ve diðerleri (2003), ve Wu ve Cheng(2003), Lee ve Garimella (2003), Steinke ve Kandlikar(2004), Kandlikar ve Balasubramanian (2005) ve Kosar ve diðerleri (2005) gibi araþtýrmacýlar mikrokanallardaki akýþ tipi kaynama sýrasýnda açýk bir çekirdeklenmeyi izleyen hýzlý kabarcýk oluþumunun var olduðunu belirtmiþlerdir.Yüksek-hýz akýþ görüntüleme ile desteklenen deneysel çalýþmalar mikrokanallardaki akýþ tipi kaynama kavramýný anlayabilmemiz için çok kritiktir. Bu çalýþmada, yüksek-hýz akýþ görüntüleme, ýsý transferi ve basýnç düþümü üzerine mevcut bazý çalýþmalar yeniden gözden geçirilmekte ve akýþ tipi kaynama mekanizmasýný daha iyi anlayabilmemiz için y a p ý l a b i l e c e k a r a þ t ý r m a l a r a d a i r ö n e r i l e r sunulmaktadýr.
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 557
100
the channel. They also observed bubble growth and coalescence along the flow length. They correlated their own experimental heat transfer data by ignoring the nucleate boiling component, although a strong dependence of heat flux on heat transfer coefficient was noted. Later investigators reported the heat transfer coefficient to be largely governed by the nucleate boiling phenomenon. The intense bubble growth activity is believed to be responsible for this strong dependence on heat flux. Some of the experimental work in this area is reviewed below.
The experimental work on flow boiling in microchannels received some attention in late 1990s. Peng and Wang (1998) studied the flow boiling of water in rectangular microchannels of 200
m
m - 400m
m width and 100m
m - 300m
m height with a length of 50 mm. They also studied triangular microchannels. They reported a new boiling phenomenon of fictitious boiling, apparently due to their inability to visualize bubbles with a regular video camera operating at 30 frames per second. Subsequent work of researchers such as Kawano et al. (1998), Hetsroni et al. (2000), Koo et al. (2001), Warrier et al. (2001), Jiang et al. (2001), Hetsroni et al. (2002), Yen et al. (2002), Zhang et al. (2002), Hetsroni et al. (2003) and Wu and Cheng (2003), Lee and Garimella (2003), Steinke and Kandlikar (2004), Kandlikar and Balasubramanian (2005), and Kosar et al. (2005) indicates that there is a clear presence of nucleation followed by rapid bubble growth during flow boiling in microchannels.The experimental work incorporating high-speed flow visualization is critical to our understanding of the flow boiling phenomena in microchannels. In this paper, some of the available works on high-speed flow visualization, heat transfer, and pressure drop is reviewed and recommendations for further research to enhance our understanding of the flow boiling mechanisms are presented.
Kandlikar(2002a) Tarafýndan Tanýmlanan Mikrokanallarda Akýþ Tipi Kaynamada Temel Sorunlar
Kandlikar(2002a) tarafýndan mikrokanallardaki akýþ tipi kaynamaya dair incelenen baþlýca sorunlardan üçü þunlardýr:
1. Küçük kanal boyutu kabarcýk dinamiklerini ve iki-fazlý akýþý nasýl etkiler?
2. Bu kanallardaki ýsý transferi ve basýnç düþüþü nasýl etkilenir?
3. Uygulamada, tekli ve çoklu paralel kanallar arasýndaki performans farký nedir?
Steinke ve Kandlikar (2004) ve Kandlikar ve Balasubramanian (2005), ve diðerleri tarafýndan akýþýn görüntülenmesi üzerine yapýlan çalýþmalar akýþ þekillerinin net bir tanýmýný elde etmek için kameranýn kabarcýk oluþma frekansýný yakalayacak görüntüleme hýzýna sahip olmasý gerektiðini göstermiþtir. Tipik olarak, mikrokanallardaki akýþ tipi kaynamayý görüntülemek için 1000 fps' nin üstünde görüntüleme hýzýna ihtiyaç duyulmaktadýr. Daha yüksek ýsý akýlarýnda, kabarcýklarýnýn büyüme hýzý çok yüksektir ve 10,000 fps veya daha yüksek görüntüleme hýzýna ihtiyaç duyulmaktadýr. Görüntü netliðinin arttýrýlmasýna ilave olarak, daha yüksek poz oranlarýna ihtiyaç vardýr.
Steinke ve Kandlikar(2004) ve Kandlikar ve Balasubramanian (2005) tarafýndan dikkatle hazýrlanmýþ yüksek-hýz video görüntüleri elde edilmiþtir. Bu görüntüler, akýþ içinde çapý 5 mm kadar küçük olan kabarcýklarýnýn olduðunu ortaya çýkarmýþtýr. Küçük kanal boyutlarý; sonunda tüm kanalý dolduran bir buhar tamponuna dönüþen bir çekirdekleþen kabarcýðýn hýzlý büyümesi nedeniyle akýþ tipi kaynama iþlemini etkilemiþtir. Buhar tamponu, hem aþaðý hem de yukarý akýþ yönlerinde hýzlý bir þekilde büyümeye devam etmiþ ve ters akýþa neden olmuþtur. Bazen ters akýþ, buharýn kanal giriþine geri dönmesi ile sonuçlanýr.
Geri akýþ kavramý ýsý transferi, basýnç düþümünün her
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 557
101
Fundamental Issues in Flow Boiling in
Microchannels Identified by Kandlikar (2002a) In their paper addressing the fundamental issues in flow boiling in microchannels, the three major issues raised by Kandlikar (2002a) were:
1. How does the small passage dimension affect the bubble dynamics and the two-phase flow?
2. How is the heat transfer and pressure drop affected in these channels?
3. What is the difference in performance between single and multiple parallel channels?
The work on flow visualization by Steinke and Kandlikar (2004), Kandlikar and Balasubramanian (2005) and others clearly established that in order to obtain accurate descriptions of flow patterns, the frame rate of the camera needs to be in excess of the bubble frequency. Typically, a frame rate greater than 1000 fps is needed to visualize the flow boiling in microchannels. At higher heat fluxes, the bubble growth rates are extremely high, and a frame rate of 10,000 fps or more is needed. In addition to improving the image clarity, higher exposure rates are needed.
Elaborate high-speed video images were obtained by Steinke and Kandlikar (2004) and Kandlikar and Balasubramanian (2005). These images revealed that bubbles as small as 5 mm in diameter are present in the flow. The small passage dimensions affected the flow boiling process mainly through the rapid growth of a nucleating bubble that eventually became a vapor plug filling the entire flow channel. The vapor plug continued to grow rapidly in both upstream and downstream directions and caused the reversed flow. Sometimes the reversed flow resulted in the introduction of vapor back in the inlet manifold.
The backflow phenomena had a major impact on both heat transfer and pressure drop. The onset of nucleation followed by rapid bubble growth caused
ikisi üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Ani kabarcýk büyümesiyle takip edilen çekirdeklenme baþlangýcý, akýþ karasýzlýklarýna uzanan ciddi basýnç düþümü salýnýmlarýna neden olmuþtur. Bazen basýnç düþümü salýnýmlarý toplam basýnç düþümü kadar büyüklüðe ulaþmýþtýr (Kandlikar ve Balasubramanian, 2005). Karasýzlýklarýn ýsý transferi üzerindeki etkileri tam olarak net deðildir ancak Kandlikar ve diðerleri (2006) tarafýndan son zamanlarda yapýlan bir çalýþma ýsý transferinin kararlý kaynama koþullarýnda geliþtiðini göstermiþtir. Bu çalýþma, daha sonra makale içinde detaylý olarak tartýþýlacaktýr. Kararsýzlýðýn CHF üzerindeki etkisi de dikkatimizi gerektiren diðer önemli bir noktadýr. Literatürde mikrokanallar için rapor edilmiþ olan CHF deðerleri (örneðin, Bowers ve Mudawar, 1994) ayný basýnçta karþýlýk gelen havuz tipi kaynamadaki CHF deðerlerinden daha düþüktür. Kararsýzlýklar bu yüzden kabul edilemez ve mikrokanallarý kullanan akýþ tipi kaynama sistemlerinin geliþmesinde büyük sýnýrlamalar olarak tanýmlanýrlar.
Tekli ve çoklu-kanal akýþlarýndaki akýþ tipi kaynama Balasubramanian ve Kandlikar (2005) da dahil birçok araþtýrmacý tarafýndan karþýlaþtýrýlmýþtýr. Paralel kanallarýn, diðer kanallar boyunca alternatif akýþ yollarý saðlayarak akýþ salýnýmý teþvik ettiði görülmesine raðmen, tek kanallarda da daha az bir derecede olmasýna raðmen geriye doðru akýþ durumu görülmüþtür. Sývýnýn, büyüyen bir kabarcýðýn etrafýndan buharýn kanal giriþine geri akmasýna izin veren ince bir film olarak aktýðý bulunmuþtur.
Akýþ kararsýzlýklarýna dair son geliþmeler aþaðýdaki bölümlerde sunulmuþtur.
Akýþ kararsýzlýklarý, Kandlikar (2002a) tarafýndan mikrokanallardaki akýþ tipi kaynama sistemlerinin geliþiminde baþlýca engel olarak tanýmlanmýþtýr. Bu bölümde de tarif edildiði gibi bu sebeplerin belirlenmesi ve karasýzlýklarýn kontrol edilmesi konusunda, son birkaç yýlda önemli bir ilerleme kaydedilmiþtir.
Akýþ Kararsýzlýklarý: Sebepler
102
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 557severe pressure drop oscillations leading to flow instabilities. Sometimes the pressure drop oscillations reached the same magnitude as the total pressure drop (Kandlikar and Balasubramanian, 2005). The effect of instabilities on heat transfer is not entirely clear, but a recent work by Kandlikar et al. (2006) shows that heat transfer is improved under stable boiling conditions. This work will be discussed in greater detail later in this paper. The effect of instability on CHF is another important aspect that needs our attention. The CHF values reported in literature (for example, Bowers and Mudawar, 1994) for microchannels were lower than the corresponding pool boiling CHF value at the same pressure. The instabilities are therefore unacceptable and are identified as the major limitations in developing flow boiling systems using microchannels.
Flow boiling in single channel and multi-channel flows was compared by a number of investigators, including Balasubramanian and Kandlikar (2005). Although the parallel passages were seen to promote flow oscillations by providing alternate flow paths through the other channels, the single channels were also seen to experience the backflow phenomenon, although to a lesser degree. It was found that the liquid flowed around an expanding bubble as a thin film allowing the vapor to flow back towards the inlet manifold.
Recent developments in addressing the flow instabilities are presented in the following sections.
Flow instabilities were identified by Kandlikar (2002a) as the major roadblocks in the development of flow boiling systems in microchannels. Significant progress has been made in the last couple of years in identifying the causes and controlling these instabilities as described in this section.
Kandlikar (2006), çekirdekleþme teorisini yeniden incelemiþ ve çekirdekleþmeden önceki tek fazlý akýþda ýsý tranfer katsayýsýnýn yüksek deðerlerinin akýþda çekirdek kaynamasýnýn baþladýðý (ONB) konumunun akýþ boyunca ilerlemesine neden olduðunu fark etmiþtir. ONB deki yerel duvar kýzdýrma bu nedenle yüksektir ve yerel sývý aþýrý soðutmasý geleneksel büyüklükteki kanallardaki ilgili deðerlerle karþýlaþtýrýldýðýnda daha düþüktür. Belirli akýþ koþullarý altýnda sývý hacmi hatta kýzdýrýlmýþ olabilir. Böyle durumlarda, buhar kabarcýðýnýn çekirdeklenmesi kýzgýn sývý ortamýnda bir buhar kabarcýðýnýn aniden büyümesine sebep olabilir.
Ani büyüme olgusu ve sonuçta meydana gelen geri akýþ Kandlikar (2006) tarafýndan aþaðýdaki þekilde açýklanmýþtýr. Þekil 1, Kandlikar (2006) tarafýndan sunulan belirlenmiþ bir durum için çekirdek kaynama baþlangýcý konumunda (ONB) yerel sývý aþýrý soðutma ve yerel duvar kýzdýrma deðiþimini göstermektedir. Bu eðri, çekirdeklenme kriterleriyle verilen uygun boyutu çekirdeklenme oyuklarýnýn elde edilebileceðini varsayar (örneðin Hsu, 1962, Bergles ve Rohsenow, 1964, Davies ve Anderson, 1966, ve Kandlikar ve diðerleri 1997). Kritik çaplý çekirdeklenme oyuklarý yoksa çekirdeklenme, eldeki oyuk çaplarý için çekirdeklenme kriterleri saðlanana kadar gecikecektir.
2
Þekil 1 de, 1 MW/m lik ýsý akýsýnda, 1054 x 197 mm lik bir dikdörtgen mikrokanaldaki akýþ tipi kaynama sýrasýnda ONB deki yerel duvar kýzdýrma ve aþýrý soðutmasý çizilmiþtir. Þekilden de görüldüðü gibi 3 mm lik bir oyuk yarýçapý için duvar kýzdýrmasý en düþük deðerdedir ve sývý aþýrý soðutulmasý sadece 4 °C dir. Bununla birlikte, eðer çekirdekleþme 0.5 mm den büyük veya 17 mm yarýçaplý oyuklarda meydana gelirse, duvar kýzdýrmasý 40 °C i geçer ve sývý aþýrý soðutmasý da -25 °C dir. Baþka bir deyiþle, sývý bu þartlar için 25 °C'deki ONB konumuyla gerçekten kýzdýrýlmýþtýr. Bu kadar yüksek sývý kýzdýrmasý çekirdeklenen bir kabarcýðýn sývý-buhar arayüzeyinde çok yüksek buharlaþma hýzlarýna
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 557
103
Kandlikar (2006) revisited the nucleation theory and recognized that the high values of heat transfer coefficient in the single-phase flow prior to nucleation lead to the onset of nucleate boiling (ONB) location to shift downstream in the flow. The local wall superheat at ONB is therefore higher, and the local liquid subcooling is lower as compared to the respective values in conventional sized channels. Under certain flow conditions, the bulk liquid may even become superheated. In such cases, nucleation of a vapor bubble leads to rapid growth of a vapor bubble in the superheated liquid environment.
The rapid growth phenomenon and resulting backflow are explained by Kandlikar (2006) as follows. Figure 1 shows the variation of the local wall superheat and local liquid subcooling at the onset of nucleate boiling (ONB) location for a specific case presented by Kandlikar (2006). This plot assumes the availability of nucleation cavities of appropriate dimensions as given by the nucleation criterion (e.g. Hsu, 1962, Bergles and Rohsenow, 1964, Davies and Anderson, 1966, and Kandlikar et al., 1997). If nucleation cavities of critical radii are not available, nucleation will be further delayed until the nucleation criterion is met for the available cavity radius.
The local wall superheat and liquid subcooling at ONB during flow boiling in a 1054 x 197 mm rectangular
2
microchannel under a heat flux of 1 MW/m are plotted in Fig. 1. It is seen from this figure that for a cavity radius of 3 mm, the wall superheat is the lowest, and the liquid subcooling is only 4 °C. However, if the nucleation occurs over 0.5 mm or 17 mm radius cavities, the wall superheat is in excess of 40 °C and the liquid subcooling is -25°C. In other words, the liquid is actually superheated by 25°C at the ONB location for these cases. Such a high liquid superheat will lead to a very high evaporation rate at the liquid-vapor interface of a nucleating bubble.
gidecektir. Kandlikar ve Balasubramanian (2005) bunun gibi yüksek büyüme hýzlarýný deneysel olarak gözlemlemiþlerdir. Mukherjee ve Kandlikar(2005), bir sayýsal benzetimle, deneysel olarak gözlemlenen geriye akýþ kavramýna uzanan bu kadar yüksek büyüme hýzlarýnýn ara yüzeyin akýþ uzunluðu boyunca her iki yöne hareket etmesine sebep olduðunu göstermiþlerdir.
Akýþ kararsýzlýklarýnýn kontrolü, mikrokanallarýn kullanýldýðý akýþ tipi kaynama sistemlerinin güvenilir iþlemleri için çok önemlidir. Bu karasýzlýklarý kontrol altýna almanýn etkin yöntemlerinden biri Kandlikar (2004) tarafýndan önerilen kanal giriþindeki basýnç düþüþ elemanlarýnýn (PDE ler), her bir mikrokanala tanýtýlmasýdýr. Buna ilave olarak, önceki bölümde de belirtildiði gibi, Kandlikar (2006) yerel sývý kýzdýrmalarý (negatif sývý aþýrý - soðutmasý) ve bölgesel duvar kýzdýrmalarýný sýnýrlandýrmak için akýþ boyunun baþlarýnda çekirdekleþme oyuklarýnýn elde edilebilmesini önermiþtir.
Kandlikar ve diðerleri (2006), imal edilmiþ çekirdekleþme oyuklarý ve giriþ basýnç düþüþ elemanlarý
Akýþ Kararsýzlýklarý: Kontrol
Stratejileri
104
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 557Kandlikar and Balasubramanian (2005) observed such high growth rates experimentally. Mukherjee and Kandlikar (2005) showed through a numerical simulation that such high growth rates will cause the interface to move in both directions along the flow length, leading to the experimentally observed backflow phenomenon.
The control of flow instabilities is crucial to reliable operation of flow boiling systems employing microchannels. An effective way of controlling these instabilities was proposed by Kandlikar (2004) by introducing the pressure drop elements (PDEs) at the inlet to each microchannel. In addition, the availability of nucleation cavities earlier along the flow length are recommended by Kandlikar (2006) to limit the local liquid superheat (negative of liquid subcooling) and local wall superheat as discussed in the previous section.
Kandlikar et al. (2006) experimentally studied the flow boiling in microchannels using water by introducing fabricated nucleation cavities and inlet pressure drop elements or PDEs. They employed water in a set of six parallel microchannels of 1054 mm x 197 mm rectangular cross-section. Nucleation cavities of diameter 5 mm - 30 mm were laser drilled along the entire length on the bottom surface of each of the six parallel channels. Six different cases were studied at the same mass and heat fluxes to see the effect of PDEs and fabricated nucleation cavities. The results were presented in terms of flow visualization, pressure drop, pressure drop oscillations, and channel wall temperatures.
The unrestricted inlet cases, with or without the fabricated nucleation sites, resulted in severe flow instabilities with vapor flowing back into the inlet manifold. Introducing the 51% PDEs with fabricated nucleation sites
Flow Instabýlýtýes: Control
Strategýes
Þekil 1.
Figure 1.
Oyuk çapýnýn bir fonksiyonu olarak ONB konumunda
2
sývýnýn aþýrý soðutulmasý ve yerel duvar kýzdýrmasý , 1 MW/m de 1054 x 197 m mikrokanalda su, Kandlikar (2006).
Local wall superheat and liquid subcooling at the ONB location as a function of cavity radius, water in a 1054 x 197 µm
2
microchannel at 1 MW/m , Kandlikar (2006).
m
DT , ONBsat
ya da PDE’ler ile su kullanarak mikro kanallarda akýþ tipi kaynamayý deneysel olarak çalýþmýþlardýr. 1054 mm x 197 mm ölçülerinde dikdörtgen kesitli altý tane paralel mikrokanal setinde su kullandýlar. 5 mm-30 mm çaplarýnda çekirdekleþme oyuklarý paralel altý kanalýn her birinin dip yüzeyinde kanal uzunluðu boyunca lazer kullanarak oluþturuldular. Ayný kütle ve ýsý akýsýnda altý farklý durum, PDE’lerin ve imal edilmiþ çekirdekleþme oyuklarýnýn etkisini görmek için incelendi. Sonuçlar, akýþ görüntüleri, basýnç düþüþü, basýnç düþüþü salýnýmlarý ve kanal duvarý sýcaklýklarý açýsýndan sunuldu.
Ýmal edilmiþ çekirdekleþme alanlarý olan ya da alanlarý olmayan sýnýrsýz giriþ durumlarý buharýn kanal giriþine geri aktýðý ciddi akýþ kararsýzlýklarý ile sonuçlandý. % %51 PDE’lerle imal edilmiþ çekirdekleþme alanýnýn kullanýlmasý, buharýn nadiren kaval giriþine doðru geri akmayla akýþýn kýsmen kararlý olmasýna neden olmuþtur. % 4 PDE imal edilmiþ çekirdekleþme alan ile oldukça kararlý bir akýþ tipi kaynama tamamdýr. Çekirdekleþme alanlarýnýn varlýðý çekirdekleþmenin baþlamasýnda düþük sýcaklýktaki sývý ve duvar kýzdýrýlmasýndan sorumlu olan erken çekirdekleþmeyi arttýrmada önemlidir. Þekil 2, Kandlikar ve diðerleri (2006) tarafýndan rapor edilen kararlý kaynamayý göstermektedir.
Akýþ kararsýzlýðýnýn baþka bir göstergesi de basýnç düþüþ salýnýmlarý sýrasýnda not edilmiþtir. Basýnç düþüþ salýnýmlarý yoðunluðu uçtan-uca, temel durum için (PDE’lerin ve çekirdekleþme alanlarýnýn olmadýðý durumda) 1.4 kPa'dan, imal edilmiþ çekirdekleþme alanlarý ile %4 PDE için 0.3 kPa ya düþürülmüþtür. Ayrýca sadece çekirdekleþme alanlarýnýn oluþturulmasýnýn aslýnda uçtan-uca 3.8 kPa ya ulaþan basýnç düþüþ salýnýmlarýyla akýþ kararsýzlýðýný arttýrdýðý da görülmüþtür. Bu sonuçlar hem kanal giriþi sýnýrlayýcýlarýna (PDEs) hem de imal edilmiþ çekirdekleþme yerlerine gerekliliði göstermiþtir.
Akýþ kararlýlýðýnýn ýsý transferi üzerindeki etkisi de Kandlikar ve diðerleri (2006) nde incelenmiþtir. Isý
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 557
105
caused the flow to stabilize partially, with occasional backflow of vapor toward the inlet manifold. With the 4% PDE and fabricated nucleation sites, extremely stable flow boiling was achieved. The presence of nucleation sites was important in promoting early nucleation that was responsible for low liquid and wall superheats at the onset of nucleation. Figure 2 shows the stable boiling as reported by Kandlikar et al. (2006).
Another sign of flow instability is noted through the pressure drop oscillations. The intensity of pressure drop oscillations was significantly reduced from 1.4 kPa peak-to-peak for the base case (no PDEs and no fabricated nucleation sites) to 0.3 kPa for the 4% PDE with fabricated nucleation sites. It was also noted that introducing only nucleation sites actually increased the flow instability, with the pressure drop oscillations reaching 3.8 kPa, peak-to-peak. These results demonstrate the need for both inlet restrictors (PDEs) and fabricated nucleation sites.
Þekil 2.
Figure 2.
Sahte çekirdekleþme alanlarý ve %4 alan basýnç düþüþü elementleri ile kararlý akýþ. (a) dan (f) ye kadar birbirini takip eden film kareleri 11.7ms zaman aralýklarý ile alýndý. Bu film kareleri altý tane paralel yatay mikrokanal setinden tek bir kanalýn oldukça kararlý bir akýþýný göstermektedir. G = 102kg/m²
2 º
.s, q " = 298 kW/m , Ts = 111.5 C, Kandlikar ve diðerleri (2006) Stable flow with 4% area pressure drop elements and fabricated nucleation sites. Successive frames from (a) to (f) taken at 11.7 ms time intervals illustrating extremely stabilized flow in a single channel from a set of six parallel horizontal microchannels. G=102 kg/m2·s, q"=298 kW/m2, Ts= 111.5°C, Kandlikar et al. (2006).
transferinin duvar sýcaklýðýnýn temel durum için 114.5 ºC den, %4 PDE’ler ve imal edilmiþ çekirdekleþme oyuklarýnýn bulunduðu durum için 111.5 ºC ye düþtüðü belirtilerek geliþmiþ olduðu not edilmiþtir. Daha fazla detay için Kandlikar ve diðerleri (2006) ya bakabilirsiniz.
PDE’ler ve imal edilmiþ çekirdekleþme alanlarýnýn parametrik etkilerini daha iyi anlamak çabasýyla Mukherjee ve Kandlikar (2004,2005), kabarcýk geliþimi olgusunu benzetimle gösteren bir sayýsal çalýþma yürütmüþlerdir. Özellikle, çekirdekleþmeyi takiben ara yüzeyin hareketi izlenmiþtir.
Mikrokanallarda büyüyen bir kabarcýðýn Mukherjee ve Kandlikar (2005) tarafýndan gerçekleþtirilen sayýsal benzetimin sonuçlarý Þekil 2’de gösterilmektedir. Kanal giriþi sýnýrlamalarýnýn olmadýðý(R = 1) temel durum ile, kanal giriþi sýnýrlamalarýnýn sývý akýþý için kanal kesitinin sadece % 25 ini saðladýðý % 25 PDE durumu (R = 0.25) karþýlaþtýrýlmaktadýr. Her iki durumda da benzetim, duvar
106
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 557The effect of flow stabilization on heat transfer was also studied by Kandlikar et al. (2006). It was noted that heat transfer improved as noted from a reduction of the wall temperature from 114.5 °C for the base case to 111.5 °C for the case with 4% PDEs and fabricated nucleation cavities. For further details, the reader is referred to Kandlikar et al. (2006).
In an effort to further understand the parametric effects of PDEs and fabricated nucleation sites, Mukherjee and Kandlikar (2004, 2005) conducted a numerical study simulating the bubble growth phenomenon. Specifically, the movement of the interface following the nucleation was tracked.
The results of a numerical simulation of a growing bubble in a microchannels conducted by Mukherjee and Kandlikar (2005) is shown in Fig. 2. The base case with no inlet restrictors (R=1) is compared with the 25% PDE case (R=0.25), in which the inlet restrictors provide
Þekil 3. Figure 3.
Kabarcýk arayüzey hareketi ile 200 µm luk kare mikrokanal içindeki akýþ tipi kaynama sýrasýnda (a) R = 1 ve (b) R = 0.25 olan kabarcýklarýn etrafýndaki hýz vektörlerinin karþýlaþtýrýlmasý (Mukherjee ve Kandlikar, 2005)
Comparison of bubble interface movement and velocity vectors around bubbles with (a) R = 1 and (b) R = 0.25 during flow boiling in a 200 µm square
Birim vektör
Unit vektor
Birim vektör
ve sývý sýcaklýklarýnýn verilen seti altýnda duvarda bir buhar kabarcýðýnýn tanýtýlmasý ile baþlatýlmýþtýr. R = 1 olan durumda çekirdekleþen hava kabarcýðýnýn hem yukarý hem de aþaðý akýþ yönlerinde neredeyse simetrik bir þekilde geniþlediði görülmüþtür. R = 0.25 durumunda (Þekil 2 de kanal giriþ sýnýrlayýcýsý görüntünün sol tarafýna yerleþtirilmiþtir), aþaðý akýþ yönünde ara yüzey hareketi tercihen aþaðý akýþ yönündedir. Yukarý akýþ yönünde ara yüzeyin geri akýþ yönündeki küçük bir hareketi not edilmiþtir. Buna, kabarcýk içindeki basýncýn artýþý, buharlaþan ara yüzeydeki ani buharlaþma, ve sývýnýn kabarcýk etrafýndan ince halka film olarak akmasýndan ortaya çýkan kuvvetler sebep olmuþtur.
Mikrokanallarda akýþ tipi kaynama, pratikte uygulanýþý dünya genelinde incelenmekte olduðu için hala araþtýrma aþamasýndadýr. Basit ve geliþtirilmiþ mikrokanallardaki tek-fazlý akýþta elde edilen son geliþmelerin (Colgan ve diðerleri, 2005, Steinke ve Kandlikar, 2005) gölgesinde kalmýþ olsa da, çok yüksek ý s ý l p e r f o r m a n s y e t e n e ð i n i n g e l e c e ð i n i göstermektedir.
Akýþ kararlýlýðý, kanal giriþi basýnç düþüþ elemanlarý, veya PDE’ler ve imal edilmiþ çekirdekleþme alanlarý aracýlýðýyla mümkündür. Akýþ ve sistem parametrelerinin bir fonksiyonu olarak (PDE büyüklüklerini ve imal edilmiþ çekirdekleþme oyuðu tanýmlayýcýlarýný da içeren), bir kararlýlýðý geliþtirmek için daha fazla araþtýrma gereklidir.
Isý geçiþinin modellenmesi araþtýrmaya açýk önemli bir alandýr. Akýþ tipi kaynama sýrasýndaki ýsý geçiþi mekanizmalarý kapsamlý olarak incelenmektedir. Isý akýsýnýn ýsý geçiþi üzerindeki etkisi daha önceleri beklenenden çok daha kuvvetlidir. Kandlikar (2004) temel mekanizmalar ve ilgili boyutsuz parametrelerin detaylý tanýmlarýný vermektedir.
Deneysel veriler temelinde araþtýrmacýlar tarafýndan, bir dizi korelasyon önerilmiþtir. Kandlikar (1990) da geleneksel kanallar için verilen korelasyonlar, Kandlikar ve
Gelecekte Yapýlacak Araþtýrmalar
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 557
107
only 25% of individual channel cross-sectional area for fluid flow. In both cases, the simulation was started with the introduction of a vapor bubble on the wall under a given set of wall and liquid temperatures. In the case of R=1, the nucleating bubble was seen to expand almost symmetrically in both upstream and downstream directions. In the case of R=0.25, (the inlet restrictor is placed on the left side of the frame in Fig. 2), the movement of the downstream interface was preferentially in the downstream direction. Slight movement of the upstream interface was noted in the backward direction. This was caused by the forces resulting from the buildup of pressure inside the bubble, rapid evaporation at the evaporating interface, and flow of liquid around the bubble in a thin annular film.
Flow boiling in microchannels still remains in the research phase as its practical implementation is being investigated worldwide. It provides the very high end of thermal performance capability, although these capabilities are somewhat overshadowed by the recent progress in single-phase liquid flow in plain and enhanced microchannels (Colgan, et al., 2005, Steinke and Kandlikar, 2005).
Flow stabilization is possible through the inlet pressure drop elements, or PDEs, and fabricated nucleation sites. Further research is needed to develop a stability envelop as a function of the flow and system parameters (including PDE sizes and fabricated nucleation cavity descriptors).
The modeling of heat transfer remains an important open area. The heat transfer mechanisms during flow boiling are being studied extensively. The effect of heat flux on heat transfer is much stronger than had expected earlier. Kandlikar (2004) presented a detailed description of the basic mechanisms and associated non-dimensional parameters.
Steinke (2003) ve dahasonra da Balasubramanian ve Kandikar (2005) tarafýndan mikrokanal akýþlarýna geniþletilmiþtir. Bir korelasyonu kontrol etmek için temel gereksinimlerden birisi sabit çalýþma koþullarý altýnda meydana getirilmiþ güvenilir deneysel verilerin varlýðýdýr. Bu alanda daha fazla deneysel çalýþma yapýlmasý þiddetle önerilmektedir.
Paralel kanallarýn akýþ tipi kaynama üzerindeki etkisi hala net bir þekilde anlaþýlamamýþtýr. Mikrokanalda akýþ tipi kaynama sistemlerini geliþtirmeyi sürdürdükçe ortaya çýkacak baþlýca sorun akýþ uzunluðu boyunca ve paralel kanallarýn bir tarafýndan diðer tarafýna alt taban iletimidir. Yüksek verimli mikrokanal ýsý deðiþtiricilerinin küçük geometrik boyutlarý alt taban iletimini, ýsý transferi analizlerinde ve kritik ýsý akýsý limitlerine ulaþmada önemli bir husus haline getirecektir. Farklý baþlýk düzenlemeleri ve alt tabaka koþullarýyla birlikte sabit kaynama koþullarý altýnda ýsý transferi, basýnç düþüþü ve kritik ýsý akýsý için deneysel veriler elde etmek dünya genelinde izlenmesi gereken önemli bir adýmdýr.
Kandlikar (2002a) tarafýndan mikrokanallarda akýþ tipi kaynamayla ilgili öne sürülen baþlýca sorunlar gözden geçirilmiþtir. Akýþ modelleri, basýnç düþüþü, ýsý geçiþi ve çoklu-kanal akýþý ile ilgili sorunlar hala aktif olarak sürdürülmektedir. Son çalýþmalar, akýþ tipi kaynama kararsýzlýðýný akýþ tipi kaynama sistemlerinin gerçekleþtirilmesini sýnýrlayan baþlýca faktör olarak tanýmlamaktadýr. Kanal giriþi basýnç düþüþ elemanlarý ve imal edilmiþ çekirdekleþme alanlarý akýþ tipi kaynama kararsýzlýklarýný ortadan kaldýrmada ya da azaltmada oldukça faydalýdýr. Bu alanda daha fazla deneysel çalýþma yapýlmasý önerilmektedir.
2 A alan, m CHF kritik ýsý akýsý
D çap, bir mikrokanaldaki en küçük boyut,m
Sonuç
Semboller
108
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 557A number of correlation have been proposed by investigators on the basis of experimental data. The correlation for the conventional channels by Kandlikar (1990) was extended to microchannel flows by Kandlikar and Steinke (2003) and later by Balasubramanian and Kandlikar (2005). One of the basic requirements for checking a correlation is the availability of reliable experimental data, which needs to be generated under stable operating conditions. Further experimental work in this area is urgently suggested.
The effect of parallel channels on flow boiling is still not clearly understood. A major issue that will become relevant as we proceed to develop microchannel flow boiling systems is the substrate conduction along the flow length as well as across the parallel channels. The small geometrical dimensions of highly efficient microchannel heat exchangers will make the substrate conduction an important consideration in heat transfer analysis and in reaching the critical heat flux limits as well. Obtaining experimental data for heat transfer, pressure drop, and critical heat flux under stable boiling conditions with different header arrangements and substrate conditions is an important step that needs to be pursued worldwide.
The fundamental issues raised by Kandlikar (2002a) related to flow boiling in microchannels are revisited. The issues related to flow patterns, pressure drop, heat transfer, and multi-channel flow are still being actively pursued. Recent research has identified flow boiling instability as a major factor limiting the practical implementation of flow boiling systems. Inlet pressure drop elements and fabricated nucleation sites are helpful in eliminating or reducing the flow boiling instabilities. Further experimental work in this area is recommended.
2 A area, m CHFcriticalheat flux
D diameter, minimum dimension in a microchannel, m
Conclusýon
D hidrolik h çap,m 2 G kütle akýþý, kg/m s 2 h ýsý geçiþ katsayýsý, W/m °C k ýsýl iletkenlik , W/m °C Nu Nusselt Sayýsý, = hD /kh
ONB çekirdek kaynamanýn baþlamasý PDE basýnç düþüþ elemaný
2 q" ýsý akýsýW/m
Re Reynolds Sayýsý, Re= rVD /mh Tduvar duvar sýcaklýðý, ºC
Takýþkan sývý sýcaklýðý, ºC m viskozite, Pa/s
2005, “Experimental Study of Flow Patterns, Pressure Drop, and Flow Instabilities in Parallel Rectangular Minichannels,” Heat Transfer Engineering, Vol. 26 (3), pp. 20-27.
1964, “The Determination Forced-Convection Surface Boiling Heat Transfer,” Journal of Heat Transfer, Vol. 86 (1964), pp. 365-272.
1994, “High Flux Boiling in Low Flow Rate, Low Pressure Drop Mini-channel and Micro-channel Heat Sinks,” International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 37 (2), pp. 321-334.
1989, “Comparison of the Flow Boiling Performance Characteristics Of Partially-heated Cross-ribbed Channels With Different Rib Geometries,” International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 32 (12), pp. 2459-2474.
2005, “A Practical Implementation of Silicon Microchannel Coolers for High Power Chips,” Invited Paper presented at Semi-Therm 21, San Jose, March 15-17.
1966, “The Incipience of Nucleate Boiling in Forced Convection Flow,” AIChE Journal, Vol. 12 (4), pp. 774-780.
2000, “Nonunifrom Temperature Distribution in Electronic Devices Cooled by flow in Parallel Microchannels,” Packaging of Electronic and Photonic Devices, EEP-Vol. 28, pp.1-9.
2002, “A
Kaynakça/Reference
1. Balasubramanian, P., and Kandlikar, S.G.,
2. Bergles, A. E., and Rohsenow, W. M.,
3. Bowers, M.B., and Mudawar, I.,
4. Cohen, M., and Carey, V. P.,
5. Colgan, E. G., Furman, B., Gaynes, M., Graham, W., LaBianca, N., Magerlein, J. H., Polastre, R. J., Rothwell, M. B., Bezama, R. J., Choudhary, R., Martson, K., Toy, H., Wakil, J., Zitz, J., and Schmidt, R.,
6. Davis, E. J., and Anderson, G. H.,
7. Hetsroni, G., Segal, Z., Mosyak, A.,
8. Hetsroni, G., Mosyak, A., Segal, Z., and G. Ziskind.
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 557
109
Dh hydraulic diameter, m 2 G mass flux, kg/m s
h heat transfer coefficient, W/m2°C k thermal conductivity, W/m°C Nu Nusselt number, = hD / k h ONB onset of nucleate boiling PDE pressure drop element
2 q” heat flux, W/m
Re Reynolds number, Re=
r
VD /hm
T wall temperature, °C wallT fluid temperature, °Cfluid
m
viscosity, Pa/sUniform Temperature Heat Sink for Cooling of Electronic Devices.” International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 45, pp. 3275-3286.
2003, “Two-Phase Flow Patterns in Parallel Micro-channels,” International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 29, pp. 341-360.
“On the Size Range of Active Nucleation Cavities on a Heating Surface,” Journal of Heat Transfer, Vol. 84, pp. 207-216.
2001, “Forced Convection Boiling in a Microchannel Heat Sink,” Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 10 (1), pp. 80-87.
1990, “A General Correlation for Two-phase Flow Boiling Heat Transfer Inside Horizontal and Vertical Tubes,” Journal of Heat Transfer, Vol. 112, pp. 219-228.
2002a “Fundamental Issues Related to Flow Boiling in Minichannels and Microchannels,” Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 26 (2-4), pp 389-407.
2002b, “Two-Phase Flow Patterns, Pressure Drop, and Heat Transfer during Flow Boiling in Minichannel Flow Passages of Compact Heat Evaporators,” Heat Transfer Engineering, Vol. 23 (5), pp. 5-23.
2004, “Heat Transfer Mechanisms During Flow Boiling in Microchannels,” Journal of Heat Transfer, Vol. 126, pp. 8-16.
“High Flux Heat Removal with Microchannels-A Roadmap of Challenges and Opportunities,” Heat Transfer Engineering, Vol. 26 (8), pp. 5-14.
2005b, Chapter 5, Flow Boiling in
9. Hetsroni, G., Mosyak, A., Segal, Z., and E. Pogrebnyak.
10. Hsu, Y. Y., 1962,
11. Jiang, L., Wong, M. and Y. Zohar.
12. Kandlikar, S. G., 13. Kandlikar, S. G., 14. Kandlikar, S. G., 15. Kandlikar, S. G. 16. Kandlikar, S. G., 2005a, 17. Kandlikar, S. G.,
Minichannels and Microchannels, in Heat Transfer and Fluid Flow in Minichannels and Microchannels, Kandlikar, S. G., Garimella, S., Li, Dongqing, Colin, S., and King, M , Elsevier Publications, UK.
2006, “Nucleation Characteristics and Stability Considerations during Flow Boiling in Microchannels,” To appear in Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 30, 2006.
2004 “An Extension of the Flow Boiling Correlation to Transition, Laminar and Deep Laminar Flows in Minichannels and Microchannels,” Heat Transfer Engineering, Vol. 25 (3), pp. 86-93.
2005, “Effect of Gravitational Orientation on Flow Boiling of Water in 1054 × 197 Micron Parallel Minichannels," Journal of Heat Transfer, Vol. 127, pp. 820-829.
2003, “Evolution of Microchannel Flow Passages Thermohydraulic Performance and Fabrication Technology,” Heat Transfer Engineering, Vol. 24 (1), pp. 3-17.
2006, ”Experimental Evaluation of Pressure Drop Elements and Fabricated Nucleation Sites for Stabilizing Flow Boiling in Minichannels and Microchannels,” To appear in Journal of Heat Transfer, April 2006.
Ikenze, Bubble Nucleation and Growth Characteristics in Subcooled Flow Boiling of Water, HTD-Vol. 342, Proceedings of the 32nd National Heat Transfer Conference, ASME, Vol. 4 (1997), pp. 11-18. Kandlikar, S. G., and M. E. Steinke. 2003, “Predicting Heat Transfer During Flow Boiling In Minichannels and Microchannels,” ASHRAE Transactions, Vol. 109, PART 1, pp. 1-9.
2003, “Predicting Heat Transfer Buring Flow Boiling In minichannels and Microchannels” ASHRAE Transactions, Vol. 109, PART 1, pp.1-9
1998, “Micro Channel Heat Exchanger for Cooling Electrical Equipment,” HTD-Vol. 261/PID-Vol. 3, Proceedings of the ASME HTD, Vol. 3, 173-180.
2001, “Modeling of Two-Phase Microchannel Heat Sinks for VLSI Chips,” Proceedings of the IEEE 14th International MEMS conference, Interlaken, Switzerland, Jan. 2001, IEEE.
2005, “Boiling heat transfer in rectangular microchannels with reentrant cavities,”
18. Kandlikar, S. G.,
19. Kandlikar S. G., and Balasubramanian, P.,
20. Kandlikar, S. G. and Balasubramanian, P.
21. Kandlikar, S. G., and Grande, W. M.,
22. Kandlikar, S. G., Kuan, W. K., Willistein, D. A., and Borrelli, J.,
23. Kandlikar, S. G., Mizo, V. R., Cartwright, M. D.,
24. Kandlikar, S.G., And M.E. Steinke.
25. Kawano, K., Minakami, K., Iwasaki, H., and Ishizuka, M.,
26. Koo, J.M., Jiang, L., Zhang, L., Zhou, L., Banerjee, S.S., Kenny, T.W., Santiago, J.G., and Goodson, K.E.,
27. Kosar, A., Kuo, C-J, Peles, Y.,
110
Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 557International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 48 (2324), pp. 4867-4886
2003, “Experimental investigation of heat transfer in microchannels,” Proceedings of ASME Summer Heat Transfer Conference, July 21-23, 2003, Las Vegas, USA Paper HT2003-47293. ASME.
1992, “The Thermodynamic Characteristics of Two-phase Flow in Extremely Narrow Channels (the Frictional Pressure Drop and Heat Transfer of boiling two-phase flow, analytical model),” Heat Transfer - Japanese Research, Vol. 21 (8), pp. 838-856.
2004, “Numerical Simulation of Growth of a Vapor Bubble during Flow Boiling of Water in a Microchannel,” Proceedings of the Second International Conference on Microchannels and Minichannels, Rochester, NY, June 17-19, 2004, ASME.
2005, “Numerical Study of the Effect of Inlet Constriction on Bubble Growth during Flow Boiling in Microchannels,” Proceedings of the Third International Conference on Microchannels and Minichannels, Toronto, Canada, June 13-15, 2005, ASME.
1998, “Forced Convection and Boiling Characteristics in Microchannels,” Heat Transfer 1998, Proceedings of 11th IHTC, August 23-28, Kyongju, Korea, Vol. 1, pp. 371-390.
2004, “An Experimental Investigation of Flow Boiling Characteristics of Water in Parallel Microchannels,” Journal of Heat Transfer, 126 (4), pp. 518-526.
2001, “Heat Transfer and Pressure Drop in Narrow Rectangular Channels,” Proceedings of the Fourth International Conference on Multiphase Flow, New Orleans, May 27 June 1, 2001, ASME.
2003, “Liquid/Two-Phase/Vapor Alternating Flow During Boiling in Microchannels at High Heat Flux,” International Communications on Heat Mass Transfer, Vol. 30 (3), pp. 295-302.
2002, “Forced Convective Boiling Heat Transfer in Microtubes at Low Mass and Heat Fluxes,” Symposium on Compact Heat Exchangers on the 60th Birthday of Ramesh K. Shah, 24 August, 2002, Grenoble, France, Begell House, New York, pp. 401-406,.
2002, “Measurements and Modeling of Two-Phase Flow in Microchannels with Nearly Constant Heat Flux Boundary Conditions,” Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 11 (1), pp. 12-19.
28. Lee, P.-S., and Garimella, S.V.,
29. Moriyama, K. and A. Inoue.
30. Mukherjee, A., and Kandlikar, S. G.,
31. Mukherjee, A., and Kandlikar, S. G.,
32. Peng, X.F., and Wang, B.X.,
33. Steinke, M. E., and Kandlikar, S. G.,
34. Warrier, G.R., Pan, T., and Dhir, V.K.,
35. Wu, H.Y. and P. Cheng.
36. Yen, T.-H., Kasagi, N. and Y. Suzuki,
