Alüminyum köpüklerde iki boyutlu sıcaklık dağılımının deneysel olarak incelenmesi

(1)

i T.C.

SELÇUK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ

ALÜMĠNYUM KÖPÜKLERDE ĠKĠ BOYUTLU SICAKLIK DAĞILIMININ DENEYSEL

OLARAK ĠNCELENMESĠ Burak AKBABA YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Makine Mühendisliği Anabilim Dalı

(2)

(3)

(4)

iv ÖZET

YÜKSEK LĠSANS TEZĠ

ALÜMĠNYUM KÖPÜKLERDE ĠKĠ BOYUTLU SICAKLIK DAĞILIMININ DENEYSEL OLARAK ĠNCELENMESĠ

Burak AKBABA

Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı

DanıĢman: Yrd. Doç. Dr. Ahmet Ali SERTKAYA 2016, 61 Sayfa

Jüri

Yrd. Doç. Dr. Ahmet Ali SERTKAYA Prof. Dr. ġefik BĠLĠR

Yrd. Doç. Dr. Ali ATEġ

Bu çalışmada açık hücreli alüminyum köpükler ısı değiştirici formuna getirilip iki boyutlu ısı transferi deneysel olarak incelenmiştir. 10, 20 ve 30 PPI gözenek yoğunluklarına sahip açık hücre alüminyum köpükler sabit ısı akısı için ısı değiştiricinin kanatlarını oluşturmuştur. Alüminyum köpük üzerinde, X-Y düzleminde özellikle ısıtıcıya yakın bölgelerde sık olarak yerleştirilen ısıl çiftlerle sıcaklıklar ölçülmüştür. Elde edilen sıcaklıklar yardımıyla bütün yüzey üzerindeki sıcaklık dağılımı bulunmuştur. Grafikler, yüzey sıcaklıkları ve giriş sıcaklığı arasındaki farka dayalı olarak çizilmiştir. Ayrıca her üç ısı değiştirici için basınç düşüşü bulunmuştur.

(5)

v ABSTRACT

MS

THE EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF TWO DIMENSIONAL HEAT TEMPERATURE DISTRIBUTION IN ALUMINUM FOAM

Burak AKBABA

THE GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCE OF SELÇUK UNIVERSITY

THE DEGREE OF MASTER OF SCIENCE IN MECHANICAL ENGINEERING Advisor: Asst. Prof. Dr. Ahmet Ali SERTKAYA

2016, 61 Pages Jury

Asst. Prof. Dr. Ahmet Ali SERTKAYA Prof. Dr. ġefik BĠLĠR

Asst. Prof. Dr. Ali ATEġ

In this study, heat transfer was investigated in open cell aluminum foams formed into a heat exchanger experimentally two dimensional. The open cell aluminum foams with pore density of 10, 20, 30 PPI were used as the heat exchanger fins formed for a constant heat flow. Temperatures were measured using thermocouples located on several points in the X-Y planes of the aluminum foams especially on areas near the heaters. The temperature distribution for the whole area was obtained from the measured temperatures,. The graphs were plotted based on the difference between the surface temperatures and the inlet temperature ΔT. In aditıon for each of the three heat exchanger pressure drop was found.

(6)

vi ÖNSÖZ

Bu çalışma esnasında değerli tavsiyeleriyle beni yönlendiren ve karşılaştığım zorlukları bilgi ve tecrübeleriyle aşmama yardımcı olan danışman hocam Yrd. Doç. Dr. Ahmet Ali SERTKAYA’ya ve her türlü fedakârlığı yapan aileme minnet ve şükranlarımı sunarım.

Burak AKBABA

(7)

vii ĠÇĠNDEKĠLER ÖZET ... iv ABSTRACT ... v ÖNSÖZ ... vi ĠÇĠNDEKĠLER ... vii

1. ALÜMĠNYUM METAL KÖPÜKLER ... 1

1.1. Giriş ... 1

1.1.1. Açık ve Kapalı Hücreli Alüminyum Köpük Metaller ... 3

1.1.2. Alüminyum köpük metal üretim yöntemleri ... 4

1.1.2.1. Gaz enjeksiyon metodu ... 4

1.1.2.2. Yarı katı içinde gaz bırakan partikül çözülmesi ... 6

1.1.2.3. Polimer ya da balmumu prekursörünü mastar olarak kullanarak yapılan 8 döküm... 8

1.1.2.4. Toz metalurjisi yöntemi ... 9

1.1.3. Alüminyum köpük metallerin uygulama alanları ... 11

1.1.3.1.Otomotiv endüstrisi ... 11

1.1.3.2. Isıl iletkenlik ... 12

1.1.3.3. Uzay teknolojisi ... 12

1.1.3.4. Bina endüstrisi ... 13

1.1.3.5. Sıvıların depolanması ve transferi ... 13

2. KAYNAK ARAġTIRMASI ... 14

2.1 Giriş ... 14

2.2 Metal Köpüklerle İlgili Yapılan Çalışmalar ... 14

3. MATERYAL VE METOT ... 18 3.1.1. Veri kaydedici ... 20 3.1.2. Anemometre ... 21 3.1.3. Isıl çift ... 22 3.1.4. Frekans değiştirici ... 22 3.1.5. Fan ... 23 3.2. Deneysel çalışma ... 23 4. SONUÇLAR VE TARTIġMALAR ... 25 4.1 Sonuçlar ... 25 5.TARTIġMA VE ÖNERĠLER ... 44 6. KAYNAKLAR ... 46

(8)

1 1. ALÜMĠNYUM METAL KÖPÜKLER 1.1. GiriĢ

Alüminyum yerkabuğunda oksijen ve silisyumdan sonra en çok bulunan üçüncü elementtir. Periyodik cetvelde III A gurubundaki zayıf metallerdendir. +3 değerli bir element olan alüminyumun atom numarası 13 ve atom ağırlığı 26.89 g/mol’dur. Yoğunluğu 2.7g/cm³ olan alüminyumun 20ºC’deki, ergime sıcaklığı 659.8°C, kaynama sıcaklığı 2450ºC’dir. 1000ºC’deki ısınma ısısı 224 kcal/kg’dır, ışık yansıtma oranı %90’dır. Alüminyum metali boksit cevherlerinden üretilmektedir. Boksit Al2O3.nH2O

alüminyum hidratlarına verilen genel isimdir. Boksit içerisinde yaklaşık %58 AI2O3,

%30 su ve %5 Fe2O3, %5 SiO2 ve %2 TiO2 gibi yabancı maddeleri içerir. Alüminyum

üretimi cevherden birincil alüminyum veya hurdadan ikincil alüminyum olmak üzere iki kaynaktan sağlanır. Yılda yaklaşık 25 milyon ton cevher işlenmekte ve 5 milyon ton alüminyumda hurdadan geri kazanılmaktadır. Alüminyum üretimi bakır, kalay ve kurşunun bugünkü toplam üretimlerinden çok daha fazla bir miktarda üretilmektedir. Alüminyum ihtiyacı 30 milyon tona ulaşmışken bakır 14,7 milyon ton, çinko 8,6 milyon ton, kurşun 6 milyon ton seviyesindedir.

Alüminyum, yumuşak ve hafif bir metal olup mat gümüşümsü renktedir. Zehirleyici ve manyetik değildir, kıvılcım çıkarmaz. Diğer metallerle yüksek mukavemetli alaşımlar oluşturur, defalarca kullanılabilir, yüksek korozyon direncine sahiptir, kolay şekillendirilebilir, kolaylıkla dövülebilir, makinede işlenebilir, yüksek ısı ve elektriksel iletkenliğine sahiptir, ısı ve ışığı yansıtıcılık özelliği çok iyidir. Hafif ve dayanıklı olması nedeniyle sanayide birçok araştırmacı bu malzemeyle ilgili çalışma yapmaktadır. Bu çalışmaların en başında alüminyum metal köpük üretimi gelmektedir. Metalik köpüklerle ilgili çalışmayı ilk defa Benjamin Sosnik, 1948 yılında alüminyum içerisinde civa buharlaştırarak yapmış ve daha sonra Elliot 1951 yılında aynı yöntemle metal köpük malzeme üretmeyi başarmıştır. Bu çalışmanın ardından değişik yöntem ve malzemeler kullanılarak metal köpük üretim çalışmaları devam etmiştir (Doğan A., 2015).

Metal köpükler, köpük şekline sahip yapıların faydalarını metallere aktarmak için geliştirilmiş ürünlerdir. Geliştirilen birçok üstün özellikli malzemelerin arasında metal köpükler, düşük yoğunlukları sayesinde, titreşim azaltma özelliğine sahiptir. Kapalı hücreli metal köpükler ısı tutma, açık hücreli metal köpükler ise ısı yalıtımı

(9)

2

özelliği sağlamaktadır. Gözenekli yapıların en büyük özelliği hafiflikleri ve enerji sönümleme kabiliyetleridir (Mutlu, 2011). Bunun yanında metal köpükler; hafiftir, ısıyı ve elektriği iyi iletir, oksitlenmeye karşı dayanıklıdır. Metal köpük yapımında kullanılan malzemeler genellikle alüminyum, demir, nikel, kurşun, çinko ve titanyumdur. Günümüzde düşük yoğunluğu, korozyon direncinin yüksek olması ve düşük sıcaklıkta ergime gibi özellikleri nedeniyle, alüminyum köpükler en çok kullanılan metal köpüklerdir. Birçok firma alüminyumun köpük kullanımıyla ilgili araştırma yapmakta ve uygulama alanı her geçen gün artmaktadır. Yoğunluk, homojenlik, hücre boyutu gibi konulardaki kontrolsüzlük ve üretim maliyetinin yüksek oluşu gibi sorunlar alüminyum köpüğün yaygın kullanımını engellemektedir (Çağlar, 2009).

Metal köpükler çok geniş ve önemli kullanım alanına sahiptir. Mikro-gözenekli ve kompakt ısı değiştiricilerinde, kompakt ısı kaynaklarında, elektronik aletlerin soğutulmasında, endüstriyel fırınlarda, hava soğutmalı kondenserlerde, kimyasal elektronik reaktörlerde, uçak donanımları ve kütle transferi yöntemlerinde yaygın kullanılmaktadır. Alüminyum köpükler hafif oldukları için özellikle uçak ve otomobil yapımı başta olmak üzere spordan uzay araçlarında, hafif alaşımları bina yapımında, elektrikli araçlarda, mutfak eşyası yapımında ve buna benzer yerlerde geniş bir kullanım alanına sahiptir (Güven, 2011). Bir alüminyum köpük hücresinde yaklaşık olarak 12 ile 14 yüzey mevcuttur. Yüzeyler pentagonal ve hegzagonal şekillerden oluşurlar. Her bir yüzey aynı veya farklı uzunluklarda 4 ile 6 filament ile diğer yüzeylere bağlanır. Şekil 1.1’de açık hücreli alüminyum köpük ve temsili köpük hücresi görülmektedir. Metal köpükler açık hücreli ve kapalı hücreli olmak üzere iki farklı formda üretilmektedir (Sertkaya ve ark., 2012).

ġekil 1.1 Farklı poroziteye sahip açık hücreli metal köpük örnekleri ve temsili köpük hücre yapısı

(10)

3

1.1.1. Açık ve Kapalı Hücreli Alüminyum Köpük Metaller

Alüminyum köpük metaller yapı içindeki hücrelerin formuna göre açık ve kapalı hücreli olarak sınıflandırılırlar. Açık hücreli metal köpüklerde hücreleri birbirinden ayıran hücre yüzeyleri bulunmaz, yapı tel kafes biçimindedir ve gözenekli yapı rahatlıkla görülebilir. Kapalı hücreli metal köpüklerde ise hücreleri birbirinden ayıran hücre yüzeyleri arasında temas yoktur, gözenekler genellikle küreseldir ve birbirlerinden ayrılmış halde bulunurlar. Kapalı hücreli metal köpüklerin yapısındaki gaz, metal içerisine hapsedilmiştir ve her biri birbirinden ince bir filmle ayrılmıştır. Her iki hücre şeklide %80-95 oranında boşluk ve %5-20 oranında alüminyum içerir. Şekil 1.2’de metal köpük örnekleri, Şekil 1.3’de açık ve kapalı hücreli alüminyum köpüklerin hücre yapısı, Şekil 1.4.’de Kapalı hücreli alüminyum köpük görülmektedir (Özer, 2005).

(a) (b) (c)

ġekil 1.2 Metal köpük örnekleri a. Açık hücreli b. Kapalı hücreli gaz enjeksiyon yöntemi ile

üretilmiş c. Kapalı hücreli toz metalürjisi yöntemi ile üretilmiş.

(a) (b)

ġekil 1.3 Açık (a) ve kapalı (b) hücreli alüminyum köpüklerin hücre yapısı (Boomsma ve ark.; Sertkaya,

2008)

(11)

4

ġekil 1.4 Kapalı hücreli alüminyum köpük

1.1.2. Alüminyum köpük metal üretim yöntemleri

Metal köpük üretiminde genellikle alüminyum kullanılır. Köpükleştirmek için genellikle ergitme ve toz metalürjisi yöntemleri uygulanır. Ergitme yönteminde köpürtme; sıvı metal içerisine gaz enjekte edilerek, gaz oluşmasını sağlayan köpürtücü maddeler eklenerek veya köpükleşmeyi sağlayacak maddelerin önceden sıvı metal içerisinde belirli yerlere konulması ile sağlanır. Toz metalürjisi yönteminde köpürtücü madde tozları homojen bir şekilde karıştırılır, köpürtücü madde sıvı ile tepkimeye girerek gaz salınımı sağlanır ve metal içerisinde köpük oluşumu gerçekleşir. Toz metalürjisi yönteminde homojen karışımın sağlanması, gözenek oluşumu ve büyümesinin kontrolü, katılaşma gibi etkenler önemlidir (Güven, 2011). Metal köpüğün özellikleri, bağıl yoğunluk, hücre yapısının açık veya kapalı hücreli olma durumu ve hücre boyutuna göre değişkenlik gösterir. Metal köpükler genel olarak aşağıda belirtilen üretim yöntemlerinden biriyle yapılır (Mutlu, 2011).

1.1.2.1. Gaz enjeksiyon metodu

Ergimiş metal içerisine doğrudan gaz üflenerek köpükleştirme yöntemidir. Sıvı haldeki metal içine gaz salınır ve kabarcıklar oluşur. Kabarcıklar düşük yoğunluğundan dolayı sıvı yüzeyine doğru hareket etmek ister. Sıvı metalin viskozitesi ne kadar düşük ise o kadar hızlı bir şekilde yüzeye çıkar. Metal sıvının viskozitesi, hücreler arası iplikçik yapının kalınlığını, dolayısı ile metal köpük malzemenin dayanımını belirler (Sezer, 2009).

Gaz enjeksiyon metodu, oksidasyona daha dirençli olduğu için en iyi alüminyum alaşımlarına uygulanır. %10-%30 arasında AlO2, SiC2 gibi çözünmeyen ya da yavaş

(12)

5

çözünen parçacıklar eklenerek, alüminyum eriyiğin akışkanlığı arttırılır. Köpük metalin hücre duvarlarında rijitliği sağlamak için saf alüminyum ya da alaşımlarına 5-15% oranında seramik parçacıklar eklenir. Bu parçacıklar alümina, zirkona, silisyum karbür, TiH2’dir. Sıvı alüminyumda kabarcık oluşturmak için karbondioksit, oksijen, inert

gazlar, hatta su bile kullanılabilir. Bu prosesle oluşturulan kabarcıklar eriyiğin yüzeyine çıkarak katılaşmaya başlarlar. Köpüğün içerisindeki sıcaklık dağılımı, köpüğün katılaşma oranını ve drenaj miktarını belirler (Mutlu, 2011).

ġekil 1.5 Gaz üfleme metodu ile alüminyum köpük elde edilmesi (Banhart, 2000)

Alüminyum eriyiğine TiH parçacıklar eklenmesiyle, hızlı bir şekilde hidrojen gazı çıkışı gerçekleşir. Eriyik içerisinde kapalı hücre yapısına sahip baloncuklar oluşur. Sağlanan köpük drenajı yeterince düşüktür, yüksek bir erime viskozitesi gerektirir. Bu yöntemle Shinko Wire Company, Alporas adında bir alüminyum köpük üretmiştir. (Mutlu, 2011)

Şekil 1.6. da Eriyik içinde gaz bırakan partikül çözünmesi ile alüminyum köpük üretim aşamaları gösterilmiştir. Alüminyumun 670-690o

C sıcaklıkları arasında eritilmesiyle stabilizasyon başlar. %1-2 kalsiyum eklenerek viskozitesi arttırılır, hızlıca oksitlenmesi sağlanır ve CaO ve CaAl2O4 partikülleri oluşturur (Ashby, 2000).

(13)

6

ġekil 1.6 Eriyik içinde gaz bırakan partikül çözünmesi ile üretilen alüminyum köpüğün proses adımları

(Alporas prosesi)

Eriyik sürekli olarak karıştırılarak 5-20μm çapında TiH2 partikülleri eklenir.

Partiküller eriyik içinde yayıldıklarında karıştırma durdurulur. Eriyiğin üzerinde basınç, sıcaklık ve zaman gibi üretim değerlerinin kontrolü yapılarak köpük oluşması sağlanır. Belirli bir süre sonra TiH2’yi bulunduğu ortamdan ayrışır. Karbonat ve nitrat gibi

yüksek ayrışma sıcaklığına sahip köpükleştirici maddelerle yapılan araştırmalar, bu metodun demir, çelik ve nikel bazlı alaşımlarda kullanılma ihtimalini ortaya çıkarmıştır (Ashby, 2000).

1.1.2.2. Yarı katı içinde gaz bırakan partikül çözülmesi

Köpük yapıcı maddeler metale katı halde veya toz halinde katılabilir. Genellikle TiH2 kullanılır. Saf alüminyumun ergime sıcaklığından daha düşük olan 465oC’de TiH2

çözünmeye başlar ve bu köpük yapıcının toz metalürjisi üretiminde kullanılmasını sağlar. Katı alüminyum içinde sıcaklığı yeteri kadar arttırarak, eriyiğin bir bölümünde ya da tamamında gaz çözündürülerek, köpük oluşması sağlanır.

(14)

7

ġekil 1.7 Yarı-katı halde gaz bırakan partiküller vasıtasıyla üretilen metal köpüklerin toz metalürjisi

adımları (Fraunhofer ve Alulight Prosesleri)

Bileşenlerin karıştırılmasından sonra, tozun soğuk ekstrüzyon yöntemi ile çubuk veya levhalar haline getirilir. Küçük parçalara ayrılarak kapalı kalıba konur ve alaşımın katılık sıcaklığının biraz üzerindeki bir sıcaklığa kadar ısıtılarak, TiH2’ün ayrışması

sağlanır böylece yüksek basınçlı boşluklar meydana gelir. Bu boşluklar yarı akışkan halde genişler, alüminyum kabarır ve kalıbı içerisinde köpüğü oluşturur. Köpük kapalı hücrelidir, hücre çapları 1-5 mm boyutlarındadır. Şekil 1.8. de Alüminyum Köpük

(15)

8

Panel görülmektedir. Alman yedek parça firması Wilhelm Karmann ve Berlin’deki Fraunhofer Enstitüsü’nün geliştirdiği alüminyum köpük panel iki alüminyum tabaka arasında sıkıştırılmıştrı. Alüminyum paneller ile katkı kullanmadan daha karmaşık şekiller de eldeedlebilir (Mutlu İ., 2011).

ġekil 1.8 Alüminyum Köpük Panel.

1.1.2.3. Polimer ya da balmumu prekursörünü mastar olarak kullanarak yapılan döküm

Metal malzemelerin çoğundan, homojen dağılmış ve büyük tanecikli, düşük rölatif yoğunluklu açık hücre yapısın sahip köpük üretmek mümkündür. Sıvı metal yerine toz metal karışımları da kullanılabilir. Bunlar sonradan sinterlenir. Rölatif yoğunluğu 0.05 ve gözenek boyutları 1-5 mm aralığında değişen açık hücreli köpükler de üretilebilir.

Döküm yoluyla köpük üretmek yöntemi metallerin çoğu için kullanılabilir. Bu üretim şeklinin farklı bir yolu da, prekursör yapısı, enjeksiyon yoluyla kalıplanmış polimer ya da balmumu kafeslerinden elde edilir. Kafes yapı döküm karışımla kaplanır ve yakılır, geriye kalıbın negatif kopyası kalır (Ashby, 2000).

(16)

9

ġekil 1.9 Açık Hücre Köpük Üretmek İçin Kullanılan Hassas Döküm Metodu (Duocel Prosesi)

1.1.2.4. Toz metalürjisi yöntemi

Bu yöntemde köpük yapıcı madde ve toz metal karıştırıldıktan sonra ekstrüzyon, presleme ve haddeleme gibi metal şekillendirme yöntemleri kullanılarak yarı mamul elde edilir. Köpükleşecek metal ergime sıcaklığının üstündeki bir sıcaklığa kadar ısıtılarak köpük yapıcı malzemeyle tepkimeye girer ve gaz açığa çıkarır. Açığa çıkan gaz erimiş metalin genleşerek gözenekli bir yapı oluşmasını sağlar (Mutlu, 2011). Şekillendirmede kullanılan sıcaklık ve basınç miktarları, toz metal parçacıklarını birbirine bağlayacak ve köpük yapıcı maddenin bozunumu ile oluşan hidrojen gazının kaçmasını önleyecek şekilde ayarlanmalıdır (Özer, 2005). Toz metalürjisi kullanılarak köpük metal üretiminin en önemli özelliği; kararlaştırıcı ek malzemeye ihtiyaç

(17)

10

duyulmaması ve nihai ürüne yakın üretimin mümkün olmasıdır. Ancak toz metal maliyetinin yüksek olması ve gözenek yapısındaki düzensizlik bu üretim yönteminin olumsuz tarafıdır (Babscan, 2003 #78).

(18)

11

1.1.3. Alüminyum köpük metallerin uygulama alanları

1.1.3.1.Otomotiv endüstrisi

Otomobil endüstrisinde güvenlik konusunun her geçen gün ön plana çıkması, gün geçtikçe daha ağır araçların üretilmesine neden olmuştur. Bu da az yakıt tüketen araçlara olan talebi artırmıştır. Bu amaçla özellikle Avrupa ve Japonya’da kısa araçlar üretilmektedir. Ancak bu tasarım yolcuların rahat hareket etmesini engellemektedir. Bu olumsuzluğu gidermek için denenen daha küçük boyuta sahip motorlarda da bu sefer parçaların birbirine çok yakın olmasından dolayı ısınma problemi ve çarpışma noktasına yakınlaşmadan kaynaklı yaşanacak tehlikeyi artırmıştır. Birçok yapılan çalışmanın sonucunda varılan ortak nokta akustik emisyonları azaltmak olmuştur. Bu da ses emicilerinin kullanımına önem katmıştır. Metal köpüklerin hafif olması, enerji ve ısıyı soğurma özelliklerin iyi olması nedeniyle bu sorunların çözümünde kullanmak için iyi bir çözüm olabilir (Banhart, 2000).

Metal köpükler, diğer metallere göre daha yüksek kuvvetlere dayanıklılık gösterir. Alüminyum köpükler otomotiv sanayinde çarpışma enerjisini emici olarak da kullanılmıştır. Çarpışma kutuları darbe tamponunun altına konularak çarpışma anında oluşan enerjiyi emerek araçta meydana gelecek hasarı azaltmaktadır (Dukhan, 2005).

(19)

12 1.1.3.2. Isıl iletkenlik

Korozyona karşı sağladığı direnç ve yüksek ısı iletkenliği nedeniyle, açık hücreli alüminyum köpükler ısı değiştiricisi kullanımı için çok uygundur. Kapalı hücreli köpük yapısına sahip metaller ise ısı iletkenliklerinin düşük olması nedeniyle, soğutma ihtiyacının olduğu, soğutma radyatörleri, bilgisayar çipleri, mikro elektronik cihazlar gibi uygulamalarda yaygın olarak kullanılır. (Doğan A., 2015)

ġekil 1.12 Alüminyum köpükten yapılmış ısı değiştiriciler (Kurtbas ve Celik, 2009)

1.1.3.3. Uzay teknolojisi

Hafif yapı elemanı olan köpük metallerin otomotiv ve uzay sektörlerinde de kullanımı mevcuttur. Uzay uygulamalarında kullanılan köpürtülmüş alüminyum levhaların, metal köpük panellerle değiştirilmesi hem maliyeti azaltır hem de daha yüksek performans sağlar. Köpüklerin en önemli özelliği, mekanik özelliklerini değiştirmeye gerek duymadan darbe ve bozulmaya karşı dayanıklı kompozit yapılar elde edilebilmesidir Uzay teknolojilerinde, uzay araçlarının iniş takımında çarpma tesirini azaltmak ve yük taşıyan uydularda yükü takviye edebilmek için alüminyum köpükler değer kullanılmaktadır (Banhart, 2000)

(20)

13

ġekil 1.13 Uzay mekiği atmosferik kontrol sistemi için ısı değiştirgeci birimi DUOCEL

alüminyum köpük–ERG (Kurtbas ve Celik, 2009)

1.1.3.4. Bina endüstrisi

Bina endüstrisinde geniş yelpazede olası uygulama alanı mevcuttur. Balkon tırabzanları gibi birçok destek elemanı alüminyum köpükten yapılabilir. Bugün kullanılan birçok materyal oldukça ağırdır ve yangına dayanıksızdır. Alüminyum köpük kullanılarak birçok problem çözülebilir. Alüminyum köpük ya da köpük paneller kullanılarak asansörlerdeki enerji sarfiyatı azaltılabilir. Modern asansörlerin yüksek hızlı olmalarından dolayı ivmelenme ve yavaşlama için hafif yapı önemlidir. Enerji sönümleme ve katılık özelliklerinden dolayı alüminyum köpükler kullanılabilir. Alüminyumun ergime noktasının çok düşük olmasına karşın alüminyum köpükler ateş karşısında oldukça kararlıdır (Giamei, 1997).

1.1.3.5. Sıvıların depolanması ve transferi

Gözenekli toz metalürjik malzemelerin en eski uygulamalarından biri partiküller arasındaki boşluklarda yağ depolandığında kendini yağlayabilme durumudur ve yavaşça akışı sağlanarak kullanılmış yağ değiştirilir. Uygulama yağ ile sınırlı değildir. Su yavaşça salınarak otomatik rutubet kontrolünde kullanılabilir. Parfüm depolanabilir ve yavaşça buharlaşması sağlanabilir. Gözenekli lüleler su ya da yapıştırıcıları tutabilir ya da yüzeylere dağıtabilir. Sıvının transferi kılcal olarak tek başına lüledeki ilave basınç sayesinde sağlanabilir. Son olarak, oldukça açık hücreli metalik yapılar çok düşük sıcaklık gerektiren durumlarda sabit ve üniform sıcaklıklarda sıvı depolanması için kullanılabilir. Daha da fazlası; köpük, kısmi dolu tanklardaki istenmeyen hareketleri azaltabilir (Ashby, 2000).

(21)

14 2. KAYNAK ARAġTIRMASI

2.1 GiriĢ

Alüminyum köpükler üzerine yapılan çalışmalar 1960’lı yıllara dayanmaktadır. Ancak son 15-20 yılda bu alandaki çalışmalar hız kazanmıştır. Birçok üniversite ve araştırma enstitüsünde üretim yöntemlerinin geliştirilmesi ve maliyetin düşürülmesi üzerine araştırmaya devam edilmektedir. Ticari olarak üretilen alüminyum köpük metaller genellikle eriyik temelli üretim esasına dayanmaktadır (Mutlu, 2011).

2.2 Metal Köpüklerle Ġlgili Yapılan ÇalıĢmalar

Köpük metaller, bünyelerinde %90’lara kadar varan boşluklu yapıya sahiptirler. Hücresel metallerin yapısal kullanım alanları arasında; otomotiv endüstrisi (Banhart, 2000). hafif yapı elemanları, çarpışma enerjisi emicisi, hava ve uzay endüstrisi, gemi inşa endüstrisi, yapı endüstrisi, spor malzemeleri, demiryolu ve inşaat endüstrileri, biyomedikal uygulamalar, işlevsel kullanım alanları arasında ise filtreleme ve ayırma, elektrokimyasal uygulamalar, su arıtma, sıvı muhafaza ve iletimi gibi uygulamalar sayılabilir. Köpük metallerin fonksiyonel uygulama alanları olarak ısı değiştiriciler başta gelmektedir (Boomsma ve ark., 2003). Yüksek korozyon direnci ve termal iletkenliği gibi özelliklerinden dolayı açık hücreli alüminyum ve bakır bazlı köpük metaller ısı değiştirici ve soğutma sistemlerinde kullanım alanı bulmaktadır. Kapalı hücreli köpük metaller ise düşük termal iletkenliklerinden dolayı termal kalkan olarak kullanılırlar.

Bu uygulamaya örnek olarak, yekpare soğutma radyatörleri ve bilgisayar çipleri ile güç elektroniği için mikro elektronik cihazlar verilebilir (Decker ve Ark., 2000).Metal köpükler üzerine yapılan çalışmalar 1960’lı yıllara kadar dayanmaktadır. Ancak son 15-20 yılda metalik köpüklerin üretimi ve karekterizasyonu üzerine yapılan AR–GE faaliyetleri büyük oranda ivme kazanmıştır (Tamayol ve ark., 2013). Alüminyum köpükler üzerine hem deneysel hem de sayısal pek çok araştırma yapılmıştır. Bunlardan bazıları kısaca aşağıda belirtilmiştir.

Kim ve arkadaşları bir kanal içerisine yerleştirdikleri farklı gözenek yoğunluğuna sahip alüminyum köpük ısı alıcılardan ısı transferini zorlanmış taşınım şartlarında incelemişlerdir. Sonuç olarak ısıl performansın alüminyum köpük

(22)

15

malzemelerin gözenek yoğunluğundan fazlasıyla etkilendiğini ifade etmişlerdir. Ayrıca geleneksel paralel plaka tipi kanatçıklarla, köpük malzemelerin ısıl performansını karşılaştırmaları sonucunda köpük malzemelerin %28 daha iyi ısı transferi sağladığını tespit etmişlerdir (Kim ve ark., 2003).

Dukhan ve Ark. 10 PPI gözenek yoğunluğunda açık hücreli alüminyum köpükler için bir boyutlu ısı transferi analizini yapmışlardır. Boyutsuz eksen X x

L  _     ve boyutsun sıcaklık fm b T T T T        _ 

  arasında farklı Reynolds sayılarında sıcaklık dağılımını incelemişlerdir. Isıtılan taban sıcaklığından uzaklaştıkça sıcaklığın eksponansiyel olarak azaldığını tespit etmişlerdir (Dukhan, 2005).

Sertkaya ve Ark. 10, 20, 30 PPI gözenek yoğunluğuna sahip açık hücreli

alüminyum köpüklerde bir boyutlu ısı transferini deneysel ve teorik olarak incelemişlerdir. Numuneler bir kanal içine yerleştirilerek bir yüzeyinden ısı verilmiş, diğer 3 yüzeyi dış ortama karşı yalıtılarak bir boyutlu ısı transferi akısı sağlanmıştır. Isı verilen alüminyum köpükler üzerine değişik debilerde hava üflenmiştir. Her 3 numunede de alüminyum köpükler üzerine üflenen hava hızı arttıkça ve y ekseni boyunca kanat sıcaklığının azaldığını, x ekseni yönündeki sıcaklık değişiminin ihmal edilebilecek kadar az olduğunu tespit etmişlerdir (Sertkaya ve ark., 2015).

Doğan ve Öney elektronik eleman performansına etkilerini araştırmak amacıyla, alüminyum köpük ısı alıcılarla genişletilmiş ısı kaynakları bulunan yatay bir kanalda taşınımla gerçekleşen ısı transferini deneysel olarak incelenmişlerdir. Düzlem yüzeyle 10PPI gözenek yoğunluğuna sahip alüminyum köpükle kaplanan ısı alıcıları karşılaştırmışlardır. Düz yüzeyle, 10PPI gözenek yoğunluğuna sahip alüminyum köpük ısı alıcıların, geniş ısı transfer yüzey alanı, yüksek ısı iletim kapasitesi ve yoğun akış karışımı sağlama özelliğinden dolayı, yüzey sıcaklıklarını % 44-50 oranında düşürdüğü, ısı transferini ise % 36-70 oranında artırdığını tespit etmişlerdir (Doğan, 2014).

Babcsan ve Ark. 30 oC dan 500 oC kadar değişik sıcaklıklarda alüminyum köpüklerin termal ve elektrik iletkenliklerini ölçmüşlerdir. Köpük metalin bağıl yoğunluğu azaldıkça elektrik ve termal iletkenliğinin düştüğünü, bağıl yoğunluk arttıkça iletkenliğin arttığını tespit etmişlerdir (Babscan, 2003).

Sertkaya ve ark. açık hücreli alüminyum köpük ısı değiştiricilerle konvansiyonel kanatlı ısı değiştiricilerin ısıl performanslarını deneysel olarak incelemişlerdir. PPI 10,

(23)

16

20 ve 30 özelliklerine sahip, açık hücreli alüminyum köpüklerle, 1.6, 3.2 ve 4.8 mm kanat aralıklarına sahip alüminyum kanatlı konvansiyonel ısı değiştiricilerin ısıl performanslarını karşılaştırmışlardır. Alüminyum köpük ve konvansiyonel ısı değiştiriciler için; Reynolds - Nusselt sayıları, etkenlik – hız, basınç düşümü – hız ve sürtünme - Reynolds sayısının değişimlerini incelemişlerdir. Alüminyum köpük ve konvansiyonel ısı değiştirici sistemlerde soğuk akışkan hızının artmasıyla birlikte etkenliğin azaldığını, basınç kayıplarının arttığı ve yüksek Reynolds sayılarında etkenliğin azaldığını tespit etmişlerdir (Sertkaya ve ark., 2012).

Kurtbaş ve Çelik içerisi tamamen köpük malzemeyle kaplanmış yatay bir kanalda zorlanmış ve karışık taşınımla ısı transferini deneysel olarak incelemişlerdir. Çalışmalarında 10, 20 ve 30 PPI gözenek yoğunluğuna sahip metal köpük malzemeler kullanarak ısı transfer özelliklerini belirlemişlerdir (Kurtbas ve Celik, 2009).

Huisseune ve Ark. Açık hücreli metal köpük ısı değiştiricilerle çıplak boru demeti ve geleneksel kanatlı tip ısı değiştiricilerin performansını karşılaştırmışlardır. Köpük parametreleri, köpük malzeme ve boyutlarının uygun seçimi yapıldığı takdirde; metal köpük ısı eşanjörlerinin aynı fan gücünde çıplak boru demetine göre 6 kat daha fazla ısı transfer ettiğini bulmuşlardır (Huisseune ve ark., 2015).

Chen ve Ark. zorlanmış taşınım şartlarında, iç içe geçmiş, içteki ve dıştaki borunun tamamen alüminyum köpükle doldurulmuş, karşıt akışlı ısı değiştiricide ısı transferini deneysel ve sayısal olarak incelemişlerdir. Alüminyum köpük kullanmanın özellikle düşük Reynolds sayılarında ısı transferini önemli ölçüde iyileştirdiğini tespit etmişlerdir (Chen ve ark., 2015).

Schampheleirea ve Ark. ısıtma, havalandırma ve iklimlendirme uygulamaları için açık hücreli 10 PPI alüminyum köpük ve panjur tipi ısı eşanjörünü karşılaştırmışlardır. Yüksek hızlarda (2.5–3.1 m/s) panjur tipinin, düşük hızlarda (1.1– 2.5 m/s) ise alüminyum köpük ısı eşanjörlerinin daha iyi performans gösterdiğini tespit etmişlerdir (De Schampheleire ve ark., 2013).

Mancin ve ark. poroziteleri 0.905 ve 0.934 arasında 5, 10, 20 ve 40 PPI gözenek boyutlarında açık hücreli bakır köpükler üzerinde zorlanmış konveksiyon şartları altında ısı transferi ve basınç düşüşünü deneysel olarak araştırmışlardır. Test bölgesinde hava hızı 2.5-5 m/s arasında, elektrikli ısıtıcının ısı akısı 25.0 ve 32.5 kW/m2

arsında değiştirmişlerdir. Gözenek yoğunluğu arttıkça ısı transferi ve basınç kaybının exponansiyel olarak arttığını, en fazla ısı transferi ve basınç düşüşünün 40 PPI’ da gerçekleştiğini ifade etmişlerdir (Mancin ve ark., 2012a).

(24)

17

Yine Mancin ve Ark. 20 PPI sabit gözenek yoğunluklu, 20 ve 40 mm yüksekliğindeki açık hücreli alüminyum köpüklerin ısı transfer performansı ve basınç düşüşlerini, 25, 32.5 ve 40 kW/m2

ısı akılarında, 2.0 ve 5.0 m/s hava hızlarında incelemişlerdir. Deney sonuçlarından yararlanarak 40 mm yüksekliğindeki alüminyum köpüğün ısı transferinin 20 mm yüksekliğindeki numuneye göre daha fazla olduğunu, hız arttıkça ısı transferinin arttığını Nusselt-Reynolds sayısı grafiklerini çizerek ifade etmişleridir (Mancin ve ark., 2012b).

Schampheleire ve Ark. açık hücreli alüminyum köpüklerde doğal taşınımla ısı transferini deneysel olarak incelenmişlerdir. 10 ve 20 PPI gözenek yoğunluğuna sahip %93 poroziteye sahip alüminyum köpüklerin yükseklikleri 6 ile 40 mm arasında değişmiştir. Lehimleme ve epoksi ile yüzeye yapıştırılan numune tabanlarına 55-95o

C arasında sıcaklık vermişlerdir. Nusselt ve Rayleigh sayıları arasında çizilen grafiklerden lehimleme yöntemi ile yapılan bağlantının epoksi yöntemi ile yapılan bağlantıdan daha iyi ısı transferi yaptığını bulmuşlardır (De Schampheleire ve ark., 2014).

Bu çalışmada; bu alanda daha önce yapılmamış olan 10, 20 ve 30 PPI gözenek yoğunluğuna sahip açık hücreli alüminyum köpüklerde iki boyutlu sıcaklık dağılımı deneysel olarak incelenmiştir. Çalışma bu yönüyle literatürdeki diğer çalışmalardan farklılık arz etmektedir. Deneysel çalışmada ise 3 numune için 0,5-4 m/s hızları arasında 0,5 m/s adımlarla iki boyutlu sıcaklık dağılımı elde edilmiştir. Bu hızlardan 1, 2 ve 3 m/s hızları için X-Y eksenleri boyunca ΔT sıcaklık farkına bağlı olarak elde edilen değerlerin 3 boyutlu olarak grafikleri, 0,5-4 m/s hızları içinse hız-basınç düşüşü grafiği çizilmiştir. Elde edilen grafiklerden Y ekseni yönünde sıcaklığın düştüğü, bu düşüşün ısıtıcıya yakın bölgelerde daha yüksek olduğu, X ekseni yönünde ise sıcaklığın arttığı görülmüştür. Birim boydaki basınç düşüşü ise düşük hava hızlarında da az, hava hızı arttıkça basınç düşüşünün yükseldiği tespit edilmiştir. İlave olarak gözenek yoğunluğu arttıkça basınç kaybının da arttığı, en fazla basınç düşüşünün 30 PPI gözenek yoğunluğunda olduğu tespit edilmiştir.

(25)

18 3. MATERYAL VE METOT

Deneysel çalışmalar iki bölümden oluşmuştur. Deneysel çalışmanın ilk bölümünde; deney düzeneğinin hazırlandı, ikinci bölümünde ise bir üretici firmadan (www.m-pore.de, 2014) satın alınan 10 PPI, 20 PPI ve 30 PPI gözenek yoğunluğuna sahip açık hücreli alüminyum köpüklerin ısı değiştirici kanat formuna getirildi ve bu deney için hazırlanan bir kanalda iki boyutlu ısıl performansları deneysel olarak incelendi. Deney düzeneğinin şematik görünüşü Şekil 3.1’de verilmiştir.

(26)

19

Şekil 3.1’de gösterilen kanal içerisine yerleştirilmiş açık hücreli alüminyum köpük, taban yüzeyinden bir ısıtıcı vasıtasıyla ısıtılmış, diğer taraftan da fan yardımı ile üzerine hava üflenerek çapraz akımlı ısı değiştirici formuna getirilmiştir. Açık hücreli alüminyum köpüğün dış ortama bakan yüzeyleri cam yünü ve taş yünü ile izole edilerek ısının x-y yönüne doğru geçişi sağlanmış ve iki boyutlu ısı geçişi elde edilmiştir. Deneyler 10, 20, 30 PPI gözenek yoğunluğuna sahip üç farklı alüminyum köpük üzerinde yapılmıştır. Deneylerde kullanılan açık hücreli alüminyum köpüklere ait resim Tablo 3.1’de, alüminyum köpüklerin termofiziksel özellikleri verilmiştir.

ġekil 3.2 Farklı poroziteye sahip alüminyum köpük örnekleri

Tablo 3.1 Alüminyum köpük için termofiziksel özellikler ve boyutlar

Gözenekli Yoğunluk (PPI) PPI 10 PPI 20 PPI 30

Metaller AlSi7Mg AlSi7Mg AlSi7Mg

Porozite, ε 0.90 0.90 0.90

Isı iletim katsayısı, k (W/mK) 237 237 237 Yoğunluk, (kg/m3

) 230 230 230

Birim hacimdeki yüzey alanı, σ (m2

/m3) 1200 1500 1800

Yükseklik, H 200 200 200

Uzunluk, L 200 200 200

(27)

20

Deney düzeneğinde kullanılan kanalın boyutu 1500 mm kanal kesiti 100x200 mm olmak üzere dikdörtgen şeklindedir. Isının homojen dağılımını sağlamak amacıyla fileksibıl ısıtıcı ile alüminyum köpükler arasına 2 mm kalınlığında 100x200 mm ebatlarında alüminyum levha yerleştirilmiştir. Alüminyum köpüklerin ısıtılmasını sağlamak için 300 ºC sıcaklığa kadar çıkabilen ve bu amaç için özel olarak yaptırılmış fileksibıl ısıtıcı (http://www.termobilim.com.tr/termobilim-katalog.pdf, 2016) kullanılmıştır. Isıtıcı sıcaklığını sabit tutmak için dimmer (şehir şebeke voltajıyla çalışan, genelde aydınlatma sistemlerinde yaygın olarak kullanılmakla beraber, birçok elektrikli cihazlarla gerektiğinde kullanılabilen bir güç ayarlama devresi) kullanılmıştır. Alüminyum köpüğün taban yüzeyi sabit ısı akısında sürekli rejime gelinceye kadar ısıtılmış ve taban sıcaklığı 120o_{C’de sabit sıcaklıkta tutulmuştur. Hava ile soğutma}

yapabilmek için kanal girişine fan yerleştirilmiştir. Frekans değiştiricisi yardımıyla hava debisi kontrol edilmiştir. Kanal içi hava hızını ölçmek için dijital anemometre (DCFM8901 CFM) kullanılmıştır. Kanal giriş ve çıkışı arasındaki basınç düşüşünü ölçmek için dijital manometre (Kimo - CP 304) kullanılmıştır. Deneylerde 0.5 mm kalınlığında (NiCr-Ni T190-1) ısıl çifti kullanılarak sıcaklık ölçümü yapılmıştır. Ölçülen sıcaklık değerleri istenilen zaman aralıklarında 60 kanallı (HIOKI LR8401) bilgisayar kontrollü veri toplayıcı (Veri kaydedici) yardımıyla kaydedilmiştir. Ölçme aletlerinin karakteristik özellikleri Tablo 3.2’de gösterilmiştir. Deney sisteminde kullanılan donanımlar ve karakteristik özellikleri aşağıda verilmiştir.

Tablo 3.2 Ölçme aletlerinin karakteristik özellikleri

Cihaz Ölçüm aralığı Tolerans

Dijital manometre (Kimo - CP 304) -10000 ile 10000 Pa % ±0,5 ile ±10Pa Isıl çift (NiCr-Ni T190-1) -25 ile 400 oC % ±0.8 Dijital anemometre (DCFM8901 CFM) 125 ile 4900 fpm % ±2

3.1.1. Veri kaydedici

Veri kaydedici bir bilgiyi önceden ayarlanmış zaman aralıklarına göre kaydedebilen cihazlardır. Veri kaydedici cihazları çoğunlukla saha çalışmalarında, nakliye sırasındaki izlemelerde, ısıtma, soğutma, havalandırma testlerinde, sorun belirlemede, kalite çalışmalarında, genel araştırma ve eğitim bilimlerinde çalışanlar için idealdir.

(28)

21

Veri kaydedici cihazları sıcaklık, nem, basınç, voltaj, su seviyesi vb. değerleri kullanıcıların belirlediği aralıklar içerisinde kaydedebilmektedir. Veri kaydedicilerin kullanımı ve tam kontrolü, özel bir yazılımla kişisel bilgisayarlar üzerinden gerçekleştirilir.

Ayrıca gelişen teknolojiye paralel olarak Wireless veri kaydedici ve GSM Veri kaydedici cihazları geliştirilmiştir. Bu tip Veri kaydedici cihazları kayıt altına aldıkları verileri GSM ya da WİFİ bağlantıları üzerinden uzak bölgelerdeki merkezlere gönderebilmektedir bu sayede birden çok kullanıcı tarafından kayıtlı veriler incelenebilmekte ve gerektiğinde çok daha hızlı müdahale edilebilmektedir. Deney düzeneğimizde HIOKI LR8401 marka veri kaydedici kullanılmıştır. Kullanılan veri kaydedici 60 kanallıdır ve Şekil 3.3’de görülmektedir.

ġekil 3.3 Veri kaydedici

3.1.2. Anemometre

Anemometreler rüzgâr hızını ölçmek için kullanılır. Rüzgâr hızının doğrudan ölçülmesi kolay değildir, bu nedenle meydana getirdiği fiziki etkiden faydalanılarak ölçülür. Hızın, basınçta meydana getirdiği değişiklik, sıcak cisimlerin hava akımı içerisinde soğuması, hız ve basınç değişmesinden ses hızının değişmesi bu fiziki etkilerden bazılarıdır. Şekil 3.3’de deney sistemimizde kullanılan anemometre görülmektedir.

(29)

22

ġekil 3.4 Anemometre

3.1.3. Isıl çift

Isıl çift iki farklı alaşımın ucunun kaynaklanması ile oluşturulan basit bir sıcaklık ölçü elemanıdır. Kaynak noktası sıcak nokta, diğer açık iki uç soğuk nokta olarak anılır. Isıl çiftin sıcak nokta ile soğuk nokta arasındaki sıcaklık farkına orantılı, soğuk uçlarında mV mertebesinde gerilim üretilir. Isıl çiftin sıcak ve soğuk noktaları arasındaki sıcaklık dağılımı nasıl olursa olsun üretilen gerilim, sıcak ile soğuk nokta arasındaki sıcaklık farkına oranlıdır. Deneyde 0.5 mm tel çapına sahip NiCr-Ni alaşımlı ısıl çift kullanılmıştır. Bu ısıl çiftler -25 ile +400 °C arasında sıcaklık ölçümü yapabilmektedir. Şekil 3.4’de deney düzeneğinde kullanılan ısıl çift görülmektedir.

ġekil 3.5 Isıl çift

3.1.4. Frekans değiĢtirici

Bütün değişken hızlı sistemlerin amacı tek bir sabit hız yerine uygun hızlarda makinenin çalışmasını sağlamaktır. Değişken hızlı sistemler üç kategoriye ayrılırlar. Değişken hızlı motorlar, elektromekanik değişken hızlı sistemler, elektronik değişken hızlı sürücüler. Deneyde Power fileks marka 0.2 ile 11 K güç aralığında çalışabilen bir frekans değiştirici kullanılmıştır. Şekil 3.5’de deney düzeneğinde kullanılan frekans değiştirici görülmektedir.

(30)

23

ġekil 3.6 Frekans değiştirici

3.1.5. Fan

Fanlar genellikle başta hava olmak üzere gazları hareket ettirmek için kullanılan makinelerdir. Amaç istenilen debide havanın basıncını istenilen miktarda artırmaktır. Bu deneyde, akışkanı fan eksenine dik yönde hareket ettiren radyal fan kullanılmıştır. Radyal fanlar düşük debi koşullarında yüksek basınç sağlar. ġekil 3.7’de deney düzeneğinde kullanılan fan görülmektedir.

ġekil 3.7 Fan ve hava kanalı

3.2. Deneysel çalıĢma

Deneysel çalışmalarda 10 PPI, 20 PPI ve 30 PPI gözenek yoğunluğuna sahip 3 farklı açık hücreli alüminyum köpük kullanılmıştır. Bunlar alüminyum köpüğün ısıtılması için gerekli olan silikon fileksibıl ısıtıcı 2 mm kalınlığında bir alüminyum levha ile alüminyum köpüğün tabanına bağlanmıştır ve tabandan ısıtılmaktadır. Isıtıcı sıcaklığı bir regülatör yardımı ile istenilen sıcaklığa ayarlanabilmektedir. Alüminyum

(31)

24

köpük alt yüzeyinden ısıtılırken aynı anda köpük üzerine doğru hava üflenerek soğutulması sağlanmıştır. Alüminyum köpüklerin dış ortama bakan yüzeyleri taş yünü ve cam yünü ile izole edilerek deney numunesinin yalıtımı sağlanmıştır. Alüminyum köpük üzerinde ısı geçişinin olduğu X-Y yüzeyi üzerine ısıl çiftler yerleştirilmiştir. Şekil 3.8’de test numunesi üzerinde ısıl çiftlerin yerleşim koordinatları, ısıtıcı, izole edilmiş yüzey, hava akış yönü gösterilmiştir.

ġekil 3.8 Isıl çiftlerin yerleşim koordinatları

Debisi bir invertör yardımı ile ayarlanabilen fanla, ısıtılan alüminyum köpük üzerine ortam havası üflenerek, alüminyum köpük üzerinde çapraz akımlı ısı geçiş sağlanmıştır. Sistem rejime girene kadar beklenmiş, rejime girmesiyle birlikte alüminyum köpük üzerindeki sıcaklık verileri Veri kaydedici yardımı ile bilgisayara aktarılmıştır. Sistemdeki hava hızı 0.5 m/s aralıkla artırılarak farklı hava hızlarında ve farklı plaka sıcaklıklarında deneyler tekrarlanmıştır. Deneyler her 3 alüminyum köpük (10, 20 ve 30 PPI) için ayrı ayrı yapılmıştır. Elde edilen sıcaklık değerleri kullanılarak farklı poroziteye sahip alüminyum köpükler üzerindeki sıcaklık dağılımları grafiklere dönüştürülmüştür.

(32)

25 4. SONUÇLAR VE TARTIġMALAR

4.1 Sonuçlar

Bu çalışmada, açık hücreli 10, 20 ve 30 PPI gözenek yoğunluğundaki alüminyum köpükler üzerinde iki boyutlu ısı dağılımı deneysel olarak incelenmiştir. Deneysel çalışmada 10, 20 ve 30 PPI gözenek yoğunlukları için 0,5-4 m/s hızları arasında 0,5 m/s’ lik hız artırımlarıyla sekiz farklı hızda deneyler yapılmıştır. Deneyler esnasında X-Y ekseninde 60 noktanın sıcaklıkları ölçülerek yüzey üzerindeki sıcaklık dağılımı oluşturulmuştur. Isıl çiftlerin yerleştirilmesinde; Y yönünde ısıtıcıya yakın noktalarda sıcaklık değişimi daha çabuk olduğundan sık yerleştirilmiş ısıtıcıdan uzaklaştıkça sıcaklık değişimi daha az olduğundan ısıl çiftler arası mesafe daha aralıklı tercih edilmiştir (Şekil 3.8). X yönünde ise 30’ar mm sabit aralıklı yerleştirilmişlerdir Y=100 mm mesafesinden sonra sıcaklık değişimi toplamda 1 oC civarında gerçekleştiğinden bu mesafeden sonraki sıcaklık değişimleri grafikler üzerinde gösterilmemiştir. Deneysel çalışmalardan 1, 2 ve 3 m/s kanal içi hava hızları için X-Y düzleminde yüzey sıcaklıkları ölçülerek 120 o

C taban sıcaklığına göre gözenek yoğunlukları ve hıza bağlı X-Y düzleminde sıcaklık değişimi grafikleri çizilmiştir. 0,5-4 m/s hızları içinse hava hızına bağlı olarak basınç düşüşü grafikleri elde edilmiştir. Sabit taban yüzey sıcaklığına göre kanat görevi yapan filamentlerdeki yüzey sıcaklığının düşme hızı, kanatların ısıyı ortama aktarma hızını göstermektedir. Farklı gözenek yoğunlukları ve farklı hızlar için kanat sıcaklığındaki düşüş miktarı ısı transferinin seviyesi hakkında bilgi vermektedir. Kanat görevi yapan filamentlerin düşük gözenek yoğunluğunda çabuk soğuduğu, yüksek gözenek yoğunluklarında ise soğumanın daha yavaş olduğu gözlenmiştir. Bu da düşük gözenek yoğunluklarında taşınımın iletime göre daha etkin, yüksek gözenek boyutlarında ise iletiminin taşınıma göre daha etkin olduğunu göstermiştir. Aşağıda deneysel çalışma sonucu elde edilen grafikler ve yorumları verilmiştir.

(33)

26

ġekil 4.1 10 PPI için Y=10 mm ekseninde 1,2,3 m/s hızlar için X yönünde sıcaklık değişimi

ġekil 4.2 10 PPI için Y=20 mm ekseninde 1,2,3 m/s hızlarında X yönünde sıcaklık değişimi

(34)

27

(35)

28

Şekil 4.1-7’de 10 PPI gözenek yoğunluğuna sahip alüminyum köpükler için 1, 2 ve 3 m/s hızlarında Y=10 mm, Y=20 mm, Y=30 mm, Y=40 mm, Y=55 mm, Y=75 mm ve Y=100 mm değerleri için X yönündeki sıcaklık değişimi verilmiştir. Grafikler incelendiği zaman tüm Y değerlerinde pozitif X yönüne gidildikçe alüminyum köpük sıcaklığının arttığı görülmüştür. En fazla sıcaklık artışı 1 m/s hızında gerçekleşirken, hızın artması ile birlikte yüzey sıcaklıklarında düşme olmuş ve 3 m/s hızı yüzey sıcaklığının en fazla düştüğü hız olmuştur. Y=10 mm ekseninde ölçülen en yüksek yüzey sıcaklığı X=200 mm de 1 m/s hızında 62.50 ºC olarak gerçekleşmiştir. Bu noktada 2 m/s hızında 50,12 ºC, 3 m/s hızında 36,48 ºC olarak gerçekleşmiştir (Şekil 4.1). Y ekseni boyunca hareket edildiği zaman tüm X koordinatlarında sıcaklığın düştüğü görülmüştür. Y=100 mm ekseninden sonraki noktalar için {(0,130)…(200,200) arasındaki noktalar} düşük hızlarda alüminyum köpük koordinatlarındaki sıcaklıklarla, giriş sıcaklığı arasında en fazla 2 ºC fark gözlenirken yüksek hızlarda bu fark 0,5 ºC değerine kadar düşmüştür. Bunun için Y=100 mm’den sonraki koordinatların sıcaklıkları grafiklere dâhil edilmemiştir. Hava hızının artması ile birlikte yüzey sıcaklığındaki düşme, hızın artması ile birlikte taşınımla ısı transferinin arttığını göstermiştir.

(36)

29

(37)

30

(38)

31

Şekil 4.8-14’de 20 PPI gözenek yoğunluğuna sahip alüminyum köpükler için 1, 2 ve 3 m/s hızlarında Y=10 mm, Y=20 mm, Y=30 mm, Y=40 mm, Y=55 mm, Y=75 mm ve Y=100 mm değerleri için X yönündeki sıcaklık değişimi verilmiştir. Grafikler incelendiği zaman tüm Y değerlerinde pozitif X yönüne gidildikçe alüminyum köpük sıcaklığının arttığı görülmüştür. Burada da 10 PPI gözenek yoğunluğunda olduğu gibi yüzey sıcaklığındaki artış en fazla 1 m/s hızında gerçekleşirken en düşük artış 3 m/s yüzey sıcaklığında görülmüştür. Y=10 mm ekseninde ölçülen en yüksek yüzey sıcaklığı X=200 mm (200,10) de 1 m/s hızında 82,18ºC olarak gerçekleşmiştir. Bu noktada 2 m/s hızında 52,61ºC, 3 m/s hızında 36,72ºC olarak gerçekleşmiştir. Y ekseni boyunca hareket edildiği zaman tüm X koordinatlarında sıcaklığın düştüğü görülmüştür. 10 PPI ile 20 PPI yüzey sıcaklıkları karşılaştırıldığı zaman 20PPI yüzey sıcaklıkların her noktada 10 PPI gözenek yoğunluğuna göre daha yüksek olduğu görülmüştür. Sabit taban sıcaklığı ve 10 PPI değerine göre 20 PPI gözenek yoğunluğunda yüzey sıcaklıklarının yüksek olması iletimle olan ısı transferinin taşınımla olan ısı transferine göre daha yüksek olduğunu göstermiştir. 20 PPI gözenek yoğunluğunda da Y=100 mm ekseninden sonraki noktalarda ölçülen sıcaklık değerleri, giriş sıcaklığına göre en fazla 3ºC farklılık gösterirken yüksek hızlarda bu fark 0,7ºC gibi ihmal edilebilecek değere kadar düşmüştür. Bundan dolayı 20 PPI içinde Y=100 mm’den sonraki koordinatların sıcaklıkları grafiklere dâhil edilmemiştir.

(39)

32

(40)

33

(41)

34

Şekil 4.15-21’de 30 PPI gözenek yoğunluğuna sahip alüminyum köpükler için 1, 2 ve 3 m/s hızlarında Y=10 mm, Y=20 mm, Y=30 mm, Y=40 mm, Y=55 mm, Y=75 mm ve Y=100 mm değerleri için X yönündeki sıcaklık değişimi verilmiştir. Buradaki grafiklerde de 10 ve 20 PPI gözenek yoğunluğunda olduğu gibi tüm Y değerlerinde pozitif X yönüne gidildikçe alüminyum köpük sıcaklığının arttığı görülmüştür. Düşük hızlarda giriş sıcaklığına göre yüzey hızları oldukça yüksek seyrederken, hızın artması ile birlikte yüzey sıcaklıklarında düşme gözlenmiştir. 1 m/s hız için Y=10 mm ekseninde ölçülen en yüksek yüzey sıcaklığı X=200 mm (200,10) de 119,96 ºC gibi taban sıcaklığına yakın bir değer çıkmıştır. Aynı noktada 2 m/s hızında 92,15ºC, 3 m/s hızında 54,98 ºC olduğu görülmüştür. Y ekseni boyunca tüm X koordinatlarında sıcaklığın düştüğü görülmüştür. 30 PPI gözenek yoğunluğundaki tüm koordinatlardaki değerler 10 PPI ve 20 PPI yüzey sıcaklıkları ile karşılaştırıldığı zaman bütün noktalarda 30 PPI gözenek yoğunluğundaki sıcaklıkların daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. 10 PPI için 1200 m2

/m3, 20 PPI için 1500 m2/m3 ve 30 PPI için 1800 m2

/m3 olduğu göz önünde bulundurulursa gözenek yoğunluğu arttıkça birim hacimdeki yüzey alanının artması ile birlikte (σ) iletimle olan ısı transferinin taşınımla olan ısı transferine göre daha yüksek olduğu anlamını taşımaktadır. 30 PPI gözenek yoğunluğunda da Y=100 mm ekseninden sonraki noktalarda ölçülen sıcaklık değerleri, giriş sıcaklığına göre en fazla 5ºC fark gözlenirken yüksek hızlarda bu fark 0,3ºC gibi ihmal edilebilecek değere kadar düşmüştür. Bu gözenek yoğunluğu içinde Y=100 mm’den sonraki koordinatların sıcaklıkları grafiklere dâhil edilmemiştir.

(42)

35

ġekil 4.22 10 PPI için X=30 mm ekseninde 1,2,3 m/s hızlar için Y yönünde sıcaklık değişimi

(43)

36

(44)

37

Şekil 4.22-28’de 10 PPI gözenek yoğunluğuna sahip alüminyum köpükler için 1, 2 ve 3 m/s hızlarında X=30 mm, X=60 mm, X=90 mm, X=120 mm, X=150 mm, X=180 mm ve X =200 mm değerleri için Y yönündeki sıcaklık değişimi verilmiştir. Buradaki grafiklerde de 10 ve 20 PPI gözenek yoğunluğunda olduğu gibi tüm X değerlerinde pozitif Y yönüne gidildikçe alüminyum köpük sıcaklığının arttığı görülmüştür. Düşük hızlarda giriş sıcaklığına göre yüzey hızları oldukça yüksek seyrederken, hızın artması ile birlikte yüzey sıcaklıklarında düşme gözlenmiştir. 1 m/s hız için X=30 mm ekseninde ölçülen en fazla yüzey sıcaklığı Y=100 mm de 1 m/s hızında 119,96 ºC gibi taban sıcaklığına yakın çıkmıştır. Aynı noktada 2 m/s hızında 92,15 ºC, 3 m/s hızında 54,98 ºC olduğu görülmüştür. X ekseni boyunca tüm Y koordinatlarında sıcaklığın düştüğü görülmüştür. 30 PPI gözenek yoğunluğundaki tüm değerler 10 PPI ve 20 PPI yüzey sıcaklıkları karşılaştırıldığı zaman tüm noktalarda 30 PPI gözenek yoğunluğundan daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Birim hacimdeki yüzey alanı (σ)10 PPI için 1200 m2

/m3, 20 PPI için 1500 m2/m3 ve 30 PPI için 1800 m2/m3 olduğu göz önünde bulundurulursa gözenek yoğunluğu arttıkça iletimle olan ısı transferi taşınımla olan ısı transferine göre daha yüksek olduğu tespit edilmiştir.

30 PPI gözenek yoğunluğunda da Y=100 mm ekseninden sonraki noktalarda ölçülen sıcaklık değerleri, giriş sıcaklığına göre en fazla 5 ºC fark gözlenirken yüksek hızlarda bu fark 0,3 ºC gibi ihmal edilebilecek değere kadar düşmüştür. Bu gözenek yoğunluğu içinde Y=100 mm’den sonraki koordinatların sıcaklıkları grafiklere dâhil edilmemiştir.

(45)

38

(46)

39

(47)

40

(48)

41

(49)

42

Şekil 4.22-42’de 10, 20 ve 30 PPI gözenek yoğunluğuna sahip alüminyum köpükler için 1, 2 ve 3 m/s kanal içi hava hızlarında X=30 mm, X=60 mm, X=90 mm, X=120 mm, X=150 mm, X=180mm ve X=200 mm değerleri için Y yönündeki sıcaklık değişimi verilmiştir. Grafiklerde görüldüğü gibi 10, 20 ve 30 PPI gözenek yoğunluklarında tüm X değerlerinde pozitif Y yönüne gidildikçe alüminyum köpük yüzey sıcaklığının azaldığı görülmüştür. Azalmanın en fazla olduğu gözenek yoğunluğu sırasıyla 10 ve 20 PPI olurken en az azalma 30 PPI gözenek yoğunluğunda görülmüştür. 30 PPI gözenek yoğunluğunun ısıtıcıya yakın koordinatlarında (200, 10) sıcaklıkların taban sıcaklığına yakın (119,96 ºC) olduğu tespit edilmiştir. 10 PPI gözenek yoğunluğunda ise yüzey sıcaklıkları özellikle 3 m/s hızında giriş sıcaklığının biraz üzerinde gerçekleşmiştir. Düşük hızlarda giriş sıcaklığına

(50)

43

göre yüzey sıcaklıkları oldukça yüksek seyrederken, hızın artması ile birlikte yüzey sıcaklıklarında düşme gözlenmiştir.

ġekil 4.10 10, 20 ve 30 PPI için basınç düşüşü ve hız arasındaki ilişki

Şekil 4.10’da 10, 20 ve 30 PPI gözenek yoğunluklu alüminyum köpükler için birim boy başına basınç düşüşü ve 0,5-4 m/s kanal içi hava hızı arasındaki değişim verilmiştir. Düşük hızlarda basınç düşüşü düşük, hız arttıkça basınç düşüşü yükselmektedir. Bu artış lineer olmayıp yüksek hızlarda daha fazladır. Yine grafiklerden görüldüğü gibi gözenek yoğunluğu arttıkça basınç kaybı da artmaktadır. En fazla basınç düşüşü 30 PPI gözenek yoğunluğunda görülmüştür. Gözenek yoğunluğunun artmasıyla birlikte, akışta türbülans ve sürtünme artmakta, bu etkenler basınç düşüşünü yükseltmektedir.

(51)

44 5.TARTIġMA VE ÖNERĠLER

Bu çalışmada, açık hücreli alüminyum köpükler için 10, 20 ve 30 PPI gözenek yoğunluklarında iki boyutlu ısı dağılımı deneysel olarak incelenmiştir. Deneysel çalışmada 3 farklı gözenek yoğunluğu ve 1, 2 ve 3 m/s hızları için X-Y ekseni boyunca sabit taban sıcaklığına (120ºC) bağlı olarak elde edilen değerler yardımıyla yüzey sıcaklığı-X ekseni, yüzey sıcaklığı-Y ekseni değişimleri grafikleri çizilmiştir. Ayrıca 0,5-4 m/s hızları içinse kanal içi hava hızı-basınç düşüşü grafiği elde edilmiştir. Elde edilen sonuçları aşağıdaki gibi özetleyebiliriz.

 X ekseni yönünde akışkanın hareketi esnasında ısı kazanması nedeniyle sıcaklığın arttığı, ısıtıcıya yakın yerlerde bu sıcaklık artışının daha yüksek olduğu görülmüştür (Şekil 4.1-21).

 Elde edilen grafiklerden Y ekseni yönünde sıcaklığın düştüğü, bu düşüşün ısıtıcıya

yakın bölgelerde daha yüksek olduğu görülmüştür (Şekil 4.22-42).

 Düşük hızlarda sıcaklık düşüşünün yavaş olduğu, hızın artması ile birlikte her iki eksen yönünde de sıcaklık düşüşünün daha da hızlı olduğu deneysel olarak belirlenmiştir (Şekil 4.1-42).

 Kanat görevi yapan filamentlerin düşük gözenek boyutlarında çabuk soğuduğu, yüksek gözenek yoğunluklarında ise soğumanın daha yavaş olduğu gözlenmiştir. Bu da düşük gözenek boyutlarında taşınımın iletime göre daha etkin, yüksek gözenek boyutlarında ise iletimin taşınıma göre daha etkin olduğunu göstermiştir

(Şekil 4.1-42).

 Düşük hızlarda basınç düşüşü düşük, hız arttıkça basınç düşüşü yükselmektedir. Bu artış lineer olmayıp yüksek hızlarda daha fazladır. Yine gözenek yoğunluğu arttıkça basınç kaybının da arttığı tespit edilmiştir. En fazla basınç düşüşü 30 PPI gözenek yoğunluğunda görülmüştür. Artan gözenek yoğunluğu ile birlikte akışta türbülans ve sürtünme kaybı, basınç düşüşünü artırmıştır (Şekil 4.43).

 Şayet alüminyum köpük kanatlı bir ısı değiştirici tasarlanmak istenirse akışkanın çalışma hızına ve sıcaklığına bağlı olarak optimum kanat boyu tespit edilmelidir. Bu çalışma; gözenek yoğunluğu, akışkan hızı ve sıcaklığa bağlı olarak etkin kanat boyu hakkında fikir vermektedir.

 Bu alanda bundan sonra yapılacak çalışmalarda deneysel sonuçlarla geliştirilecek olan matematiksel modellemeler birbirleriyle karşılaştırılabilir.

(52)

45 TEġEKKÜR

Bu çalışma Selçuk Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinatörlüğü tarafından desteklemiştir. Proje No:09401075

(53)

46 6. KAYNAKLAR

Ashby, C. I. H., Zavadil, K. R., Baca, A. G., Chang, P. C., Hammons, B. E. ve Hafich, M. J., 2000, Metal-sulfur-based air-stable passivation of GaAs with very low surface-state densities, Applied Physics Letters, 76 (3), 327-329.

Ashby, M. F., Evans A.G., Fleck N.A., Gibson, L.J., Hutchinson J.W. and Wadley, H.N.G. , 2000, Metal Foams: A Design Guide, In: Metal Foams: A Design Guide, Eds, Boston Oxford Auckland Johannesburg Melbourne New delhi, p. Babscan, N., Meszaros, I., Hegman, N.,, 2003, Thermal and Electrical Conductivity

Measurements on Aluminum Foams, Meterials Science & Engineering

Technology, 34 (4), 391-394.

Banhart, J., 2000, Manufacturing routes for metallic foams, Jom-Journal of the

Minerals Metals & Materials Society, 52 (12), 22-27.

Boomsma, K., Poulikakos, D. ve Zwick, F., 2003, Metal foams as compact high performance heat exchangers, Mechanics of Materials, 35 (12), 1161-1176. Chen, X., Tavakkoli, F. ve Vafai, K., 2015, Analysis and characterization of metal

foam-filled double-pipe heat exchangers, Numerical Heat Transfer, Part A:

Applications, 68 (10), 1031-1049.

Çağlar, S. İ., 2009, Alüminyum Esaslı Kompozit Köpük Üretimi Ve Karakterizasyonu,

Trakya Üniversitesi, Edirne

De Schampheleire, S., De Jaeger, P., Huisseune, H., Ameel, B., T'Joen, C., De Kerpel, K. ve De Paepe, M., 2013, Thermal hydraulic performance of 10 PPI aluminium foam as alternative for louvered fins in an HVAC heat exchanger, Applied

Thermal Engineering, 51 (1), 371-382.

De Schampheleire, S., De Jaeger, P., De Kerpel, K., Ameel, B., Huisseune, H. ve De Paepe, M., 2014, Experimental study of free convection in open-cell aluminum foam, Procedia Materials Science, 4, 359-364.

Doğan, A., Öney, B., 2014, Alümİnyum Köpük Isi Alicilardan Taşinimla Isi Transferİnİn Deneysel Olarak İncelenmesİ, Journal of the Faculty of

Engineering & Architecture of Gazi University, 29 (1).

Doğan A., A. İ., 2015, Metal köpük malzemeler ve yüzey soğutmada kullanımı. 12. Ulusal tesisat mühendisliği kongresi, 8-11 Nisan,. İzmir.

Dukhan, N., Romes, P.D.Q., Ruiz, E.C., Reyes, M.V. Scott E.P., 2005, One dimensional heat transfer analysis in open-cell 10-PPI metal foam, International

Journal of Heat and Mass Transfer, 48, 5112-5120.

Güven, Ş. Y., 2011, Toz metalurjisi ve metalik köpükler, Süleyman Demirel

(54)

47

Huisseune, H., De Schampheleire, S., Ameel, B. ve De Paepe, M., 2015, Comparison of metal foam heat exchangers to a finned heat exchanger for low Reynolds number applications, International Journal of Heat and Mass Transfer, 89, 1-9. Kim, S. Y., Paek, J. W. ve Kang, B. H., 2003, Thermal performance of aluminum-foam

heat sinks by forced air cooling, Ieee Transactions on Components and

Packaging Technologies, 26 (1), 262-267.

Kurtbas, I. ve Celik, N., 2009, Experimental investigation of forced and mixed convection heat transfer in a foam-filled horizontal rectangular channel,

International Journal of Heat and Mass Transfer, 52 (5-6), 1313-1325.

Mancin, S., Zilio, C., Diani, A. ve Rossetto, L., 2012a, Experimental air heat transfer and pressure drop through copper foams, Experimental Thermal and Fluid

Science, 36, 224-232.

Mancin, S., Zilio, C., Rossetto, L. ve Cavallini, A., 2012b, Foam height effects on heat transfer performance of 20 ppi aluminum foams, Applied Thermal Engineering, 49, 55-60.

Matijasevic-Lux, B., Banhart, J., Fiechter, S., Gorke, O. ve Wanderka, N., 2006, Modification of titanium hydride for improved aluminium foam manufacture,

Acta Materialia, 54 (7), 1887-1900.

Mutlu, I., 2011, AlZn5.5MgCu /SiCp Köpük Malzemelerin Mekanik Özelliklerine Isıl İşlemin Etkisinin İncelenmesi, Trakya Üniversitesi.

Özer, G., 2005, Alüminyum esaslı köpük metal üretimi, Yıldız Teknik Üniversitesi,

İstanbul.

Sertkaya, A. A., 2008, Alüminyum köpüğün ısı değiştiricisi olarak tasarımı ve ısı transferi modeli, Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Konya.

Sertkaya, A. A., Altinisik, K. ve Dincer, K., 2012, Experimental investigation of thermal performance of aluminum finned heat exchangers and open-cell aluminum foam heat exchangers, Experimental Thermal and Fluid Science, 36, 86-92.

Sertkaya, A. A., Ateş, A., Altınışık, K. ve Dinçer, K., 2015, Experimental and Numerical Analysis of one Dimensional Heat Transfer on Open Cell Aluminum Foams, Gazi University Journal of Science, 28 (1), 149-159.

Sezer, Ş. D., 2009, Kompakt toz ergitme tekniği ile alüminyum köpük üretimi, İstanbul

Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.

Tamayol, A., Yeom, J., Akbari, M. ve Bahrami, M., 2013, Low Reynolds number flows across ordered arrays of micro-cylinders embedded in a rectangular micro/minichannel, International Journal of Heat and Mass Transfer, 58 (1-2), 420-426.