T.C.
SELÇUK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
ÖNDÜLELĠ KANATÇIKLAR ÜZERĠNE AÇILAN DAĠRESEL DELĠK DĠZĠLĠMLERĠNĠN DOĞAL TAġINIM ÜZERĠNE ETKĠLERĠ
MOHAMMED SALAM TAHA TAHA YÜKSEK LĠSANS TEZĠ
Makine Mühendisliğe Anabilim Dalı
Nisan-2019 KONYA Her Hakkı Saklıdır
TEZ KABUL VE ONAYI
MOHAMMED SALAM TAHA TAHA tarafından hazırlanan“Öndüleli Kanatçıklar Üzerine Açılan Dairesel Delik Dizilimlerinin Doğal Taşınım Üzerine Etkileri”adlı tez çalışması 24/04/2019 tarihinde aşağıdaki jüri tarafından oy birliği / oy çokluğu ile Selçuk Üniversitesi Lisansüstü Enstitüsü Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı’nda YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir.
Jüri Üyeleri Ġmza
BaĢkan
Prof. Dr H. Kürşad ERSOY ………..
DanıĢman
Dr.Öğr.Üyesi ALİ ATEŞ ……….. 2.DanıĢman
Dr. Öğr. Üy. Aziz Hakan ALTUN
Üye
Dr. Öğr. Üyesi Ulaş Atmaca ………..
Yukarıdaki sonucu onaylarım.
Prof. Dr. Yakup KARA Enstitü Müdürü
TEZ BĠLDĠRĠMĠ
Bu tezdeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edildiğini ve tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm.
DECLARATION PAGE
I hereby declare that all information in this document has been obtained and presented in accordance with academic rules and ethical conduct. I also declare that, as required by these rules and conduct, I have fully cited and referenced all material and results that are not original to this work.
Mohammed Salam Taha TAHA 24/04/ 2019
iv ÖZET
YÜKSEK LĠSANS TEZĠ
ÖNDÜLELĠ KANATÇIKLAR ÜZERĠNE AÇILAN DAĠRESEL DELĠK DĠZĠLĠMLERĠNĠN DOĞAL TAġINIM ÜZERĠNE ETKĠLERĠ
Mohammed Salam Taha TAHA Konya Teknik Üniversitesi
Lisansüstü Enstitüsü
Makine Mühendisliği Anabilim Dalı DanıĢman: Dr. Öğr. Üy. Ali ATEġ
2. DanıĢman: Dr. Öğr. Üyesi. Aziz Hakan ALTUN 2019, 49 Sayfa
Jüri
Prof. Dr. H. KürĢad ERSOY Dr. Öğr. Üyesi Ali ATEġ Dr. Öğr. Üyesi Faruk KÖSE
Çalışan sistemlerde ve özellikle elektronik cihazlarda ısı üretimi vardır ve bu da sıcaklığın artmasına neden olur. Yüksek sıcaklıklar sistemin bileşenlerine zarar verebilir ya da çalışma performansını etkiler. Küçük hacimli cihazlarda doğal taşınımla soğutma en sık başvurulan yöntemlerden biridir. Doğal taşınımda kanatçıklı yüzeylerden yararlanmak etkili bir yöntemdir. Bu çalışmada; yüzeye dikey yönde yerleştirilmiş, düzlemsel ve dalgalı (sinüzoidal) formda, delikli ve deliksiz kanatçıklı yüzeylerden, doğal taşınımın yanı sıra ışınım ile ısı transferinin birlikte etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Önce düz düzlemsel kesitli kanatçıklar için deneyler yapılmıştır. Daha sonra aynı çevre ve deney şartları altında periyotları 2 olan 3 farklı genlik değeri, H/30, H/15 ve H/10 için dalgalı kesitli kanatçıklı plakalarda deneyler tekrarlanmıştır. Delikli ve deliksiz kanatçıklarda farklı ısıl güçler için elde edilen sonuçlar irdelenmiştir. Deneyler yaklaşık 1.6 W ile 24 W güç değeri aralığında gerçekleştirilmiştir. 15 farklı ısı kuyusundan oluşan kanatçık seti için toplam 90 adet deney gerçekleştirilmiştir. Deneyler sonucunda Nusselt sayısı ve yüzey sıcaklık değerleri açısından kanatçık formları ve delik çaplarının etkileri tespit edilmiştir. Ölçülen en yüksek Nusselt sayısı; Nu≈25.31 olarak bulunmuştur. Rayleigh sayısı ise yaklaşık olarak Ra≈1x106ile5x106aralığında değişmiştir.
Anahtar Kelimeler: Delikli kanatçıklar, doğal taşınımla ısı transferi, ısı kuyusu, ışınımla ısı transferi, sinüzoidal dalgalı kanatçıklar.
v ABSTRACT MSc THESIS
EFFECTS OF CIRCULAR HOLE ARRAYS PERFORATED ON CORRUGATED FINS TO NATURAL CONVECTION
Mohammed Salam Taha TAHA Konya Technical University Institute of Graduate Studies
Department of Mechanical Eengineer Advisor: Assist. Prof. Dr. Ali ATES
2nd Advisor: Assist. Prof. Dr. Aziz Hakan ALTUN 2019, 49 Pages
Jury
Prof. Dr H. KürĢad ERSOY Assist. Prof. Dr. Ali ATES Assist. Prof. Dr. Faruk KÖSE
Heat generation exists in working systems and especially in electronic devices and this leads to increasing temperature. High temperatures may damage system components or affect performance. Cooling with natural convection in compact devices is one of the most common methods. Utilizing finned surfaces in natural convection is an effective method. In this study; effects of both radiation and natural convection heat transfer mechanisms in combination from perforated and not perforated finned surfaces that are aligned vertically and that have rectangular and wavy fin forms were investigated and compared experimentally. Experiments were conducted for rectangular non-perforated fins first. Then, experiments were repeated for the same environmental and experimental conditions with wavy fin plates for 3 different amplitude values, H/30, H/15 and H/10 while waves have two periods. Results that were obtained for perforated and not perforated fins according to different heating powers were evaluated. Experiments were realized between about 1.6 W and 24 W power values interval. A total of 90 experiments were performed for the fin set that was constituted by 15 different heat sinks. Effects of fin forms and hole diameters were determined in terms of Nusselt number and surface temperature values at the end of the experiments. The highest measured Nusselt number was found as Nu≈25.31. Rayleigh number, on the other hand, changes between Ra≈1x106
and 5x106 approximately.
Keywords: Perforated fins, natural convection heat transfer, heat sink, radiation heat transfer, sinusoidal wavy fins.
vi ÖNSÖZ
Çalışmalarım boyunca ayırdığı değerli zamanı ve büyük yardımları ile bana yardımcı olan ve katkılarıyla beni yönlendiren danışmanım ve hocam Sayın Dr. Öğr. Üy. Ali ATEŞ'e ve ikinci danışmanım hocam Sayın Dr. Öğr. Üy. Aziz Hakan ALTUN’a sonsuz şükranlarımı sunmak isterim. Çalışmalarım esnasında değerli yardımlarından dolayı Sayın Arş. Gör. Eyüb CANLI'ya teşekkürü bir borç bilirim.
Ayrıca yüksek lisans öğrenimim süresince fikir alışverişinde bulunduğum arkadaşım Yüksek Makine Mühendisi Orkun ZİYLAN'a teşekkürlerimi sunarım. Beni her zaman destekleyen aileme, özelliklede başımın tacı annem Khairiyah KAREEM ve bugünlere gelmemde büyük emekleri olan babam Salam TAHA ve hep arkamda olan ağabeylerime tüm kalbimle teşekkürlerimi sunarım.
Mohammed Salam Taha TAHA KONYA-2019
vii ĠÇĠNDEKĠLER ÖZET ... iv ABSTRACT ... v ÖNSÖZ ... vi ĠÇĠNDEKĠLER ... vii 1. GĠRĠġ ... 1 2. KAYNAK ARAġTIRMASI ... 2 3. MATERYAL VE YÖNTEM ... 5 3.1. Deney Düzeneği ... 5 3.1.1. Deneyin Uygulanması ... 5 3.1.2. Kanatçıkların karakteristikleri ... 6 3.2. Deneylerin Yapılışı ... 8 3.3. Veri Analizi ... 10
3.4. Işınım ile Gerçekleşen Isı Transferi ... 11
3.5. Kanatçıklı Delikli Plaka için Örnek Hesaplama ... 17
3.6. Belirsizlik Analizi ... 19
4. ARAġTIRMA BULGULARI VE TARTIġMA ... 22
5.1 Sonuçlar ... 41
5.2 Öneriler ... 42
KAYNAKLAR ... 44
EK-A Birbirine paralel iki plaka için Ģekil faktörü ... 46
EK-B Birbirine dik iki plaka için Ģekil faktörü ... 47
EK-C 1 atm basınçta havanın özellikleri ... 48
viii SĠMGELER VE KISALTMALAR
A : Plaka yüzey alanı [m ] 2
F : Işınım şekil faktörü [boyutsuz] H : Kanatçıkların yüksekliği [mm] I : Elektrik akımı [ A ]
L : Plakanın uzun kenar ölçüsü [mm] Nu : Nusselt sayısı [boyutsuz]
Pr : Prandtl sayısı [boyutsuz] P : Isıtıcı gücü [W]
Ra : Rayleigh sayısı [boyutsuz]
S : Plakanın üzerindeki kanatçıklar arası mesafe [mm] T : Sıcaklık [K ]
V : Elektrik akımının gerilimi [V ] W : Plakanın kısa kenar ölçüsü [mm]
*
W : Belirsizlik
Q : Isı transfer miktarı [W] a : Genlik ölçüsü [mm]
g : Yer çekimi ivmesi [
m s
/
2] h : Taşınım kasayısı [W m K
/
2 ] k : İletim katsayısı [W m K
/
]n : Plakanın üzerinde bulunan kanatçık sayısı p : Periyot sayısı
t : Kanatçık kalınlığı [mm]
: Isıl genleşme katsayısı [
1/ K
]ΔT : Yüzey ile ortam arasındaki sıcaklık farkı [
K
/
C
] ε : Işınım yayınım katsayısı [boyutsuz]σ : Stefan-Boltzman sabiti [
W m K
/
2 4] υ : Kinematik viskozite [m
2/
s
]ix Alt indis:
∞ : Ortam (çevre)
f : Ortalama film sıcaklığı w : Yüzey
1. GĠRĠġ
Pek çok cihaz çalışma sırasında ısı üretir. Isı üretimi sıcaklık artışına neden olacağından her zaman arzu edilen bir durum değildir. Özellikle elektronik cihazlar belli sıcaklık aralıklarında çalıştırılmalıdırlar. Eğer ısı, cihazı çevreleyen atmosfere hızla çıkarılmazsa, bu sistem bileşenlerinin zarar görmesine ya da cihazın verimsiz çalışmasına neden olabilir. Bilgisayar mikroişlemcileri başta olmak üzere birçok elektronik cihazda ısınan devre elemanlarının soğutulması bu sektörün en önemli sorunlarından birisidir. Yüksek iş ve güç yoğunluğu altında çalışan elektronik cihazların soğutulmasında kullanılan yöntemler, uygulamalara ve gerekli soğutma kapasitesine bağlı olarak büyük ölçüde farklılık gösterir.
Kanatçıklar, hava taşıtı motorlarının, hava soğutmalı otomobil motorlarının, jeneratörlerin, trafoların, buzdolaplarının, bilgisayar işlemcilerinin ve pek çok elektronik cihazların soğutulmasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Kanatçıklar ya da çıkıntılı yüzeyler birim hacimdeki ısı transferi yüzeyini arttırmak için kullanılır. Böylece konveksiyonla ısı transferi miktarı arttırılmış olur. Maksada ve geometrik yapıya bağlı olarak çeşitli kanat profilleri gerçekleştirilmiştir. Bunların en yaygın olanı dikdörtgen kesitli ince levhaların oluşturduğu kanat profilleridir.
Kanatçıklı yüzeylerden ısı transferi uygulamasının pek çoğunda doğal taşınımla çevreye ısı transferi gerçekleşir. Kanatçık yüzeyine sürtünerek yükselmekte olan hava, bir ısıl sınır tabaka oluşturur. Kanatçık yüzeyi üzerine delikler açarak ısıl sınır tabakanın daha fazla kalınlaşmasının önüne geçilebilir. Bu teknikle birim yüzeyden birim zamanda meydana gelen ısı transferi miktarı arttırılabilir. Çünkü delikler, oyuklar, oluklar, kanallar v.s. ile kanat gövdesi üzerindeki modifikasyonlar sayesinde; hem sınır tabaka kalınlığının artmasının önüne geçilmiş olur, hem de akışın laminer akıştan türbülanslı, karmaşık bir akışa dönüşmesi sağlanmış olur. Bu da toplam ısı transferi katsayısı arttıracaktır. Ayrıca kanatçıklı yüzeyler üzerine delikler açılması ağırlığı da düşürecek ve daha hafif soğutucu eleman konfigürasyonlarının geliştirilmesine katkı sağlayacaktır.
Delik açma şekli, delik büyüklüğü v.b. gibi çeşitli delikli kanatçık parametrelerinin ısı transferine etkilerini araştırmak için araştırmacılar tarafından çok sayıda bilimsel, deneysel ve sayısal çalışma yapılmıştır.
2. KAYNAK ARAġTIRMASI
Kanatçıklı yüzeylerden doğal taşınımla ısı transferine dair literatürde yapılmış birçok çalışma mevcuttur. Bunlar; kanatçıkların dizilimine, farklı geometri tasarımlarına, farklı konum açılarına, kanatçık üzerine açılan deliklere ve delik geometrilerine göre yapılan değişik çalışmalardır. Aşağıda bazı örnekler sunulmuştur.
Harahap ve McManus yatay düzlemde dikdörtgen şekilli kanatçıklar üzerine çalışma yapmışlardır. Sekiz ayrı boy ve aralıklarda dikdörtgen şekilli kanatçıklar üzerinde yaptıkları çalışmalarında, akış alanında incelemeler yapmışlardır. Uzun kanatçıklarda havanın açık uçlardan girip, kanatçığın ortasından yukarı çıktığını görüntülemişlerdir. Çalışmalarında kanatçık uzunluğunun en önemli geometrik parametre olduğu belirtmişlerdir. Dikdörtgen şekilli kanatçık geometrileri için korelasyonlar önermişlerdir (Harahap ve McManus, 1967).
Yang, ısı transferi ve sürtünme kaybı performansını arttırmak için üç farklı tip belirlemişlerdir. Düşük gözenekli yüzey üzerinden geçişle türbülanslı akış artışı, yüksek gözenekli yüzey üzerinde laminer akış artışı ve kısa kanatlı düşük gözenekli kompozit yüzeyler üzerindeki tüm laminer akış bölgesi girdaplarının üretimi için akış bölgesi vortekslerin prodüksiyonu için akış bölümü ve ısı transferi için bir ortalama bölüm.Üçüncü tip, ikinci tip ile en iyisidir, çünkü kompakt ısı eşanjörleri çoğunlukla laminer akış rejiminde çalıştırılır. İlk patern geliştirme, akış kaynaklı gürültü ve titreşim eşliğinde en az istenen durumdur. (Yang, 1978).
Jasim ve ark., delikli kanatçıkların doğal konveksiyonunu ve sıcaklık dağılımını bir dikdörtgen kanatçık dizisi (15 kanat) için incelemişlerdir. Kesit alanı 100 x 270 mm ebadında plaka üzerine farklı dikey formlarda yerleştirilen kanatlar 18 dairesel delik içermektedir. Sonuç olarak delik çapları arttıkça toplam ısı transferi katsayısının artığı gözlemlenmiştir (Jasim ve ark., 2008).
Shaeri ve ark., çalışmalarında kanatçıkların yanal yüzeylerine uygulanmış dikdörtgen delikli kanat dizisinden iletim ve taşınım yoluyla ısı transferini sayısal olarak incelemişlerdir. Delikli kanatçıkların deliksiz kanatçıklara göre daha yüksek toplam ısı transferi katsayısına sahip olduklarını ve önemli ölçüde kütle kaybı ile sistemin hafiflediğini kaydetmişlerdir (Shaeri ve ark., 2009).
Elshafei, dairesel kesitli iğne (pin) kanatlı soğutucularda doğal konveksiyon ile ısı transferi üzerine deneyler yapmıştır. Rayleigh sayısına bağlı olarak delikli ve içi boş
iğne kanatçıklarından daha yüksek ısı transfer katsayıları sağlandığını göstermiştir. Yukarı yönlü ve yanal yönelimli masif pim kanatlı soğutucu sistemlerin performansının rekabetçi bir nitelik gösterdiğini bulmuştur (Elshafei, 2010).
Jassem, çalışmasında dikdörtgen delikli kanatçıklı yüzeylerin doğal konveksiyon ile ısı transferini araştırmıştır. Bu çalışmada beş kanatçık kullanılmıştır. İlk kanatçık deliksiz, takip eden kanatçıklar ise daire, kare, üçgen gibi farklı şekillerde delinmiştir. Ancak bu delikler aynı kesit alanına sahiptiler. Sonuçlar delinmemiş kanatçıkların sıcaklıklarındaki düşüşün 72 o
C 'den 57 oC 'ye kadar olduğunu göstermiştir. Fakat aynı ısıtma gücünde delikli kanatçıklardaki sıcaklık düşüşü; 72-52 oC (altıgen), 72-51 o
C (kare), 72-50 oC (daire) ve 72 - 48 oC (üçgen) olmuştur (Jassem, 2013).
Jeon ve ark., araştırmalarında, çift yükseklikli kanatçıkların doğal taşınıma etkilerini nümerik olarak incelemişlerdir. Çift yükseklikli kanatçıklar (birincil ve ikincil konumlu kanatçıklar) ile klasik eşdeğer yükseklikli kanatçıkları, kanatçıklı plakanın performansı ve kütleye bağlı ısıl direnç bakımından kıyaslamışlardır. Kanatçıklı plakanın kütleye bağlı ısıl direnci bağlamında, doğal taşınım açısından ısıl performans iyileştirmesi ve birincil konumlu kanat yüksekliği için bir eşik değeri olduğu ve bu eşik değerinin üzerindeki değerlerde çift yükseklikli kanatçıkların iyileştirme sağladığı ve aynı zamanda da bu eşik değerinin kanatçık kanalı uzunluğu ile doğru orantılı olarak arttığını saptamışlardır.(Jeon ve ark., 2017).
Feng ve ark., yaptıkları çalışmada; klasik düz kanatçıklı plaka ile çapraz konumlandırılmış, birbirlerine dik pozisyonlu, uzun ve kısa kanatçıkların doğal taşınım üzerine etkilerini araştırmışlardır. Kısa kanatçıklardan geçen havanın, uzun kanatçıklara çarpmasıyla ısı transferi katsayısında bir iyileşme meydana geldiğini belirtmişlerdir (Feng ve ark., 2018).
Chang ve ark., ise yaptıkları sayısal çalışmada, çukurlu/çukursuz bir dizi dikey kanatçık için kararlı üç boyutlu doğal konveksiyon akışı ve ısı transferini incelediler. Sonuç olarak; on üç çukursuz kanatçıklı ve dokuz çukurlu kanatçıklı diziler için en kötü ve en iyi ısı transferi performanslarını göstermişlerdir. Rayleigh sayısı arttıkça, özellikle her bir kanatçık yüzeyindeki ortalama Nusselt sayısda artar .Pürüzsüz on üç kanatçık dizi ile çukurlu dokuz kanatçık dizisi için ortalama Nusselt sayısının maksimum artışı %68 olmuştur (Chang ve ark., 2017).
Elghool ve ark., delikli kanatçıkların, delik şekli veya geometrisinin ısı transferi üzerindeki etkilerini araştırmışlardır. Kullanılan ısı değişicisinin tipi, zorlanmış konveksiyon altındaki delikli kanatlı soğutucudur. Deneyler; plakalı soğutucunun en iyi delik şeklini netleştirmek için, delik şekli ile ısı transfer katsayısının değişimini karşılaştırmaya yönelik olarak yapılmıştır. Plaka kanatçıklarının ve soğutucu akışkanın termofiziksel özellikleri, CFD kullanılarak deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Deneysel ve sayısal sonuçlar arasındaki fark; sıcaklık dağılımları için yaklaşık olarak %8-%9 mertebesinde olmuştur. Verilen güç sırasıyla 150 W ve 100 W’dır (Elghool ve ark., 2017).
Al-Jessani ve Al-Bugharbee, dairesel delikli dikdörtgensel kanatçık dizileri ile ısı transferi miktarının arttırılmasını araştırmak için deneysel bir çalışma yapmışlardır. Sonuçlar, delik alanı arttığında genellikle ısı transferi katsayılarının arttığını göstermiştir. Delik alanının artmasıyla sıcaklık farklılıkları da azalmıştır. Bu çalışmada, Ra sayısını ve delik alanı açısından Nusselt sayısını tahmin etmek için ampirik bir denklem de geliştirilmiştir (Al-Jessani ve Al-Bugharbee, 2018).
Kwon ve ark., yapmış oldukları çalışmada, yatay olarak yerleştirdikleri dairesel plaka üzerinde, radyal doğrultudaki kanatçıkların doğal taşınımını analitik ve deneysel olarak optimize etmişlerdir. Asimptotik metotla kanatçıklardaki ısı transferi katsayısını yeni bir korelasyonla geliştirerek deneysel olarak doğrulamışlardır. Kanatçık kalınlığına, uzunluğuna ve sayısına göre belirledikleri bu yeni korelasyonu radyal doğrultudaki kanatçıklara göre optimize etmişlerdir (Kwon ve ark., 2018).
Zaretabar ve ark., çalışmalarında, bilgisayarlarda transistörlü çiplerin soğutulmasında kullanılan kanatçıkların ısıl performanslarını sayısal olarak incelemişlerdir. Analizleri farklı metaller ve kanatçık yükseklikleri için gerçekleştirmişlerdir. Işınım etkisini de dikkate aldıkları çalışmada farklı hava hızlarına göre Nu sayısını ve ısı transferi katsayısını elde etmişlerdir (Zaretabar ve ark., 2018).
Bu çalışmada; aynı boy ve periyottaki dalgalı kanatçık dizilerinin, düzlemsel kanatçık dizilerine göre doğal taşınımla ısı transferini nasıl etkileyecekleri üzerinde durulmuştur. Buna ek olarak, kanatçıklar üzerine açılan delik dizilimlerinin ısı transferini nasıl etkileyecekleri araştırılmıştır.
3. MATERYAL VE YÖNTEM
Bu çalışmada, gövdeyi temsil eden sabit bir plaka üzerine dalgalı kanat dizisi yerleştirilerek taşınımla ısı transferinin etkileri araştırılmıştır. Başlangıçta düzlemsel kanat dizisi kullanılarak elde edilen sıcaklıklar kaydedilmiştir. Daha sonra dalgalı kanat dizisi ile deneyler yapılmıştır. Problemin bir sonraki aşamasında ise dalgalı kanat dizileri üzerinde dairesel delik dizileri oluşturularak deneyler tekrarlanmıştır. Böylece dalgalı ve üzeri delikli olan kanatların taşınımla ısı transferine etkilerinin araştırılması hedeflenmiştir.
3.1. Deney Düzeneği
Bu tez çalışmasında kullanılan deney düzeneği Selçuk Üniversitesi Mühendislik Fakültesi laboratuarlarında kurulmuştur. Deney düzeneği Şekil 3.1’de gösterildiği biçimde; izolasyon malzemeleri ile yalıtılmış muhafaza kutusu, dalga formda delikli kanatçıklı plakalar, ısıl çiftler (T tipi), DC güç kaynağı, DC güç kaynağına entegre volt ve ampermetre, ısıtıcı rezistans ve data-loggerdan oluşmaktadır.
Deney süresince, deneylerin yapıldığı laboratuar ortamı dış etkenlerden (güneş ışığı, hava sirkülasyonları, sıcaklık, v.b.) olabildiğince arındırılmıştır.
3.1.1. Deneyin Uygulanması
Öncelikle deney odası deneyler için hazırlanmıştır. Bunun için karanlık ve her tarafı kapalı bir oda kullanılmıştır. Böylece çevreden gelebilecek ışınım ve taşınımın sistem üzerindeki etkilerinin göz ardı edilebilecek mertebeye indirilmesi için çalışılmıştır. Sisteme elektrik akımı verilerek deney başlatılmaktadır. Şekil 3.1. deki “6-Test bölgesi” olarak işaretlenen ısıtıcının sürekli rejime ulaştığından emin olmak için data-logger üzerinden ısı kuyusu yüzey sıcaklıkları izlenmektedir. Grafiksel ve sayısal olarak sıcaklığın zamana bağlı değişiminin kararlı sistem çalışmasını gösterdiği aralık, verilerin alınacağı aralık olarak seçilmektedir. Diğer bir ifade ile ısı kuyusu yüzey sıcaklığının yaklaşık olarak sabitlendiği, çevre ile dengeye geldiği çalışma rejiminde ölçümler hesaplamalar için kaydedilmiştir.
Sıcaklık ölçümleri T tipi (-270°C ila +370°C) ısıl çiftler üzerinden yapılmıştır. Isıl çiftler, ısıtıcı plakanın alt yüzeylerine açılan oyuklar içerisine yerleştirilmiş ve sıkıca sabitlenmişlerdir. Böylece plaka yatay plaka üst yüzey sıcaklığının ölçülmesi
hedeflenmiştir. Isıl çiftlerin uçları bir data-logger a bağlanmıştır. Data-logger saniyede bir veri almaktadır. Sıcaklık çözünürlüğü ise 0.1 oC’dur.
1-Masa 2-Bilgisayar 3-Datalogger 4-Isıl çiftler 5-Dış ortam sıcaklığını ölçen ısıl çift 6-Test bölgesi 7-Yalıtım malzemesi 8-Isıtıcı 9-Bakır 10- Kanatçık dizisi 11-Muhafaza kutusu 12-Güç kaynağı
ġekil 3.1. Deney Düzeneğinin Şeması
Deneylerde kullanılan kanatçıklı ısı kuyuları “Al 5083” kalite malzemeden üretilmiştir. Işınım etkisinin hesaplanabilmesi için plakalar siyah boya ile boyanmıştır. Şekil 3.2’de görüldüğü gibi plakalar tabandan bir elektrikli rezistans ile ısıtılmıştır. Isıtıcı ile plaka arasına bakır levha yerleştirilerek plaka tabanında üniform ısı dağılımı amaçlanmıştır.
3.1.2. Kanatçıkların karakteristikleri
Şekil 3.3-3.5. arasında deneyde kullanılan kanatçık formlarının geometrik çizimleri gösterilmiştir. Genel olarak dış tarafta kalan kanatların üst delik merkezinden alt tablanın kenarına olan yatay mesafesi 14.5 mm, kanatçıklar arası açıklık ise 10 mm olarak alınmıştır. Kanatçıklar üzerinde iki sıra halinde delik dizileri mevcuttur. Her bir dizide üçer delik vardır. Delikler ise 3 mm, 6 mm ve 10 mm olarak üç farklı çapta
delinmiştir. Deliklerin konumları ve ölçüleri belirlenirken, bir elektronik cihazı temsil edecek şekilde boyutlandırılmış olan taban plakası ve buna bağlı yerleştirilen kanatcıklarda, simetrik şekilde yerleşime imkan tanıyan ve 3 farklı delik çapının kullanılabileceği ölçüler araştırılmıştır. Deliklerin delinmesi için kullanılacak donanım imkanları da dikkate alınarak yukarıda bahsedilen delik çaplarının ve aşağıda verilen delik dizilimlerinin kullanılmasına karar verilmiştir.
1. Fiberglas 4.Alüminyum plaka 2. Elektrikli Isıtıcı 5.Dalgalı kanatçık 3. Bakır plaka
ġekil 3.2. Kanatçıklı ısı kuyusunun şematik gösterimi
ġekil 3.4. 6 mm delikli sinüzoidal kanatçıklar
ġekil 3.5. 10 mm delikli sinüzoidal kanatçıklar 3.2. Deneylerin YapılıĢı
Deneyin en başında deliksiz kanatçıklı plakalar için değerler ölçülmüştür. Düz ve dalgalı kanatçıklı plakalar için bu ölçümler tamamlandıktan sonra delikli plakalar için ölçümler yapılmıştır. Her bir deney prosesi düz plakalı delikli kanatçıklar, farklı genliklerdeki dalgalı plakalı ve delikli kanatçıklar için yinelenmiştir. Delikler açılırken
önce 3 mm delik çapı kullanılmış ve ölçümler alınmış; daha sonra delik çapı büyütülerek deneyler tekrarlanmıştır.
Isıtıcı plakaya verilen elektrik enerjisi ile plakanın ısınması sağlanmış ve bakır plaka aracılığı ile etkin bir ısı dağılımının gerçekleşmesi amaçlanmıştır. Ayrıca plaka ve kanatçıklar siyah ile boyanarak ışınım yayınım sabitinin (ε, emisivite), siyah cisim ışınım yayınımına denk olması sağlanmıştır.
Düzeneğe aktarılan elektrik enerjisinin gücü, güç kaynağına entegre bulunan akım ve gerilim ayarlarından yapılmıştır. Isıtıcı gücü hesaplanırken güç kaynağında okunan gerilim ve akım değerleri kullanılmıştır.
Şekil 3.6’da deney düzeneğinin bir fotoğrafı sunulmuştur.
ġekil 3.6. Deney düzeneği (2 periyotlu, H/30 delikli dalga kanatçık için)
Şekil 3.7’de gösterilen (GL240 model) data-logger sıcaklık kaydedicide okunan sıcaklık değerleri sabit hale geldiğinde sürekli rejime ulaşıldığı kabul edilerek sıcaklık verileri kaydedilmiştir. Bir örnek Şekil 3.8’de gösterilmiştir. Deneylere minimum 1.6 W güç ile başlanmış ve maksimum 24 W’a kadar çıkılmıştır. Kanatçıklara ve uygulanan güçlere göre deneyler 1 saat ile 2 saat arasında değişen sürelerde yapılmıştır.
ġekil 3.7. Datalogger ile sıcaklık ölçümlerinin kaydedilmesi
ġekil 3.8. Datalogger ekranında sürekli rejim halinin gösterilmesi
3.3. Veri Analizi
Sürekli rejim şartlarında, sisteme aktarılan toplam ısı miktarı, sistemden dışarı verilen ısı aktarımına eşittir. Bu durum bütün deney aşamaları için geçerlidir. Belirtilen formüller bu deneyin veri indirgenmesinde kullanılmıştır. Bu deney için; malzeme izotropik ve bütün sıcaklık değerlerinde sabit ısı iletimi katsayısına sahip olduğu kabulü yapılmıştır.
3 . . . . g T L Ra (1)
hacimsel genleşme katsayısı;
Tf 1 . (2) 2 W f T T T (3)
ΔT; Yüzey sıcaklığı ile ortam sıcaklığı arasındaki fark
w T T T (4) L; plakanın uzunluğu Nusselt sayısı; k L h Nu . (5) ve taşınım katsayısı
taşınımW
Q h A T T (6)denklemleri kullanılır. (Sparrow ve Chrysler 1981, Alessio ve Kaminski 1989). (6) nolu denklem (5) nolu denklemde yerine yazılırsa;
. taşınım W Q L Nu A k T T (7)elde edilir (Sparrow veVermuri1985) A: Plaka yüzey alanı;
A H L
ve
taşınım ışınım kayıp
Q P Q Q (8) (Sparrow ve Chrysler, 1982)
P; sisteme verilen enerji;
P V I (9)
3.4. IĢınım ile GerçekleĢen Isı Transferi
Işınımla gerçekleşen ısı transferi, her zaman ihmal edilebilecek boyutlarda olmayabilir. Özellikle doğal taşınım ısı transferinin söz konusu olduğu durumlarda
ışınım ısı transferi ihmal edilemeyecek boyutlardadır. Bu nedenle ışınımla gerçekleşen ısı transferinin de hesaplanması gerekir.
Işınım ile gerçekleşen ısı miktarı;
4 4
1 2
. . .
ışınım w
Q F F A T T (10) bağıntısı ile bulunur.
Deneyde kullanılan kanatçıklı plakalar için ışınım şekil faktörünü doğrudan sağlayan bir ifade bulunmamaktadır. Şekil faktörünü tespit edebilmek için karmaşık analizlere ihtiyaç vardır. Buna ilaveten bazı kabullerin de yapılması gereklidir;
Plakalar, kanatçıklar ve tüm çevre yüzeyler siyah cisim yayınımı yapıyor olarak hesaplanmıştır. F 1
Gaz ışınımı sıfır alınmıştır. Yani ortam ışınımının etkisi yok sayılmıştır.
Tüm çevre yüzeyler izotermal ve sıcaklıkları ortam sıcaklığına eşit varsayılmıştır.
Kanatçıklar ve plakanın sabit sıcaklıkta oldukları varsayılmıştır
Siyah cisim yayınımı F 1 için (10) denklemi;
4 4
1 2. .
ışınım w
Q F A T T (11) halini alır.
Pimli plaka şekil faktörü “dağılım bağıntısı”;
1 1 1 2 1
F F (12) olarak ifade edilir
Buna bağlı olarak; kanatçıklı yüzeyden çevre ortama ışınım ile taşınım için şekil faktörü
1 2 1 1 1
F F (13) olarak belirlenir.
Şekil 3.11-3.14’de gösterilen; 2 periyotlu, açık halde kanatçık yüksekliği 33.15 mm olan (H/30), dalgalı kanatçıklar için şekil faktörlerinin hesaplaması şöyle yapılır;
ġekil 3.9. Birbirlerine dik iki plaka için şekil faktörü 3 3 10 10 0.172 58 10 S W (14) 3 3 31 10 0.537 58 10 H W (15)
ġekil 3.10. Birbirlerine paralel iki plaka için şekil faktörü
3 3 31 10 3.115 10 10 H S (16) 3 3 58 10 5.8 10 10 W S (17)
(14), (15), (16) ve (17) numaralı bağıntılarla hesaplanan değerler; ek-A ve ek-B’de verilen grafiklerde kullanıldığında aşağıdaki değerler okunur.
0.704 CA F (18) . . C CA A AC A F A F (19) 0.704 CA AC F F (20) 0.243 BC BA F F (21) . . B BA A AB A F A F (22)
6 6 2 10 58 10 0.243 31 58 10 6 0.003 AB F 0.0786 AB F (23) Olarak bulunur.Yapılan hesaplamalar ile Şekil 3.11’te gösterilen kanatçık yüzeyleri hesaplama uyarlaması elde edilir. Tek tarafı kapalı modül için ışınım şekil faktörü, kanatçıktan ortama(FAO), Şekil 3.12’de ve şekil 3.13’de tabandan ortama (F ), BO iki tarafı kapalı modülde ışınım faktörü için şekil 3.14’de iki tarafı kapalı kanatçıktan ortama (
1 0
F ) ve (F2 0 ) ile gerçekleşen ışınım ile ısı tranferleri belirtilmiştir.
ġekil 3.12 Tek tarafı kapalı modül için ışınım şekil faktörü(FAO)
Kanatçık plakalarında A ve C yüzeylerinin birbirlerine bakan kanatçık adedi toplamda ondörttür. Belirtilen yüzeylere ait alanlar birbirlerine eşdeğer olduklarından (11) numaralı bağıntıda, veriler yerine konulurken alan ondört ile çarpılmıştır ve şekil 3.14’da belirtilen katsayı kullanılmıştır.
İki tarafı kapalı modülde tabandaki alandan (B’den) çevre ortama olan ışınım şekil faktörü
FBO
’nun hesaplanması ise şekil 3.13’deki katsayı kullanılarak ve toplam özdeş taban adedi olan yedi ile çarpılarak hesaplanmıştır.( )ġekil 3.14. İki tarafı kapalı modül için ışınım şekil faktörü (F1 0
) ve (
F2 0)
Kanatçıklı plakalarda çevre ortama doğrudan bakan iki adet yüzey ulunmaktadır (ilk kanatçığın dışarıya bakan yüzeyi ve sondaki kanatçığın dışarı bakan yüzeyi). Ayrıca bu yüzeyler direkt olarak çevre ortama baktıkları için şekil faktörü F1 2 1 olur. Yüzey
adedi olan iki ile çarpılarak hesaplamalar yapılmıştır.
Kanatçık kenarlarındaki ışınımla ısı transferi hesaplanırken bu yüzeyler direkt olarak çevre ortama baktıkları için şekil faktörü F1 2 1 olarak alınmış ve kenar sayısı olan onaltı ile çarpılarak hesaplanmıştır.
Son olarak kanatçıkların üst kenarları hesaplamalarında bu yüzeyler direkt olarak çevre ortama baktıkları için şekil faktörü F1 2 1 olarak alınmış ve kenar sayısı olan sekiz ile çarpılarak hesaplanmıştır. (ZİYLAN, 2018)
Elde edilen bütün şekil faktörlerinin ışınım bağıntılarında yerlerine konulması ve kanatçıklardaki ışınım ile gerçekleşen ısı transferi şöyle hesaplanır.
Tabandan çevre ortama ışınım ile transfer edilen ısı:
ışınım ta an
4 4 1 2 7 ışınım ta an ta an w Q F A T T (24) ışınım ta an
4 4
1 22
ışınım yan yüzey yan yüzey w
Q F A T T (25) ışınım yan yüzey ışınım yan yüzey
İki tarafı kapalı kanatçıkların ışınım ile transfer ettiği ısı:
ışınım kanat ık
4 4 1 2 14 ışınım kanat ık kanat w Q F A T T (26) ışınım kanat ık ışınım kanat ıkKanatçığın üst kısmındaki uçlardan çevre ortama ışınım ile transfer edilen ısı :
ışınım u
4 4 1 2 8 ışınım u u w Q F A T T (27)Kanatçık kenarlarından çevre ortama ışınım ile transfer edilen ısı:
4 4
1 2 16 ışınım kenar kenar w Q F A T T (28) ışınım kenarışınım toplam ışınınm ta an ışınım yan yüzey ışınım kanat ık ışınım u ışınm kenar
Q Q Q Q Q Q (29) ışınım kenar
(29) numaralı bağıntı; kanatçıklı plakalar için toplam ışınım ile transfer edilen ısı miktarının hesaplanmasında kullanılan ifadedir.
3.5. Kanatçıklı Delikli Plaka için Örnek Hesaplama
Bu bölümde 6 mm delik çapı ve H/30 mm genliğe sahip dalgalı kanatçıklı ısı kuyusu için örnek bir veri analizi hesaplaması yapılmıştır. Daha önce belirtilmiş olan kabuller, buradaki hesaplamalar için de geçerlidir.
24.01 P W 297.35 T K (Ortam sıcaklığı) 368.025 w
T K (plaka yüzeyi sıcaklığı) 332.68 2 w f T T T K (sıcaklık ortalaması)
70.67 w T T T K (Sıcaklığın farkı) 2
(
) (6
)
yan yüzeyA
H W
r
( ) kenar A H t ( ) taban A W S ( ) uç A W tToplam yanyüzey kenar taban uç
A
A
A
A
A
ışınım ta an
8 6 4 4 7 5.67 10 10 58 10 0.512 368.025 297.35 ışınım ta an Q
11 4 4 6.2154 10 368.025 297.35 ışınım ta an Q 1.215 ışınım ta an Q W
8 6 2 4 4 2 1 5.67 10 31 58 10 6 0.003 368.025 297.35 ışınım yan yüzey Q ışınım yan yüzey
10 4 4 1.856 10 368.025 297.35 ışınım yan yüzey Q 2.050 ışınım yanyüzey Q W
8 6 2 4 4 14 5.67 10 31 58 10 6 0.003 0.217 368.025 297.35 ışınım kanat ık Q
10 4 4 3.378 10 368.025 297.35 ışınım kanat ık Q 3.091 ışınım kanat ık Q W
8 6 4 4 8 5.67 10 1.5 58 10 1 368.025 297.35 ışınım u Q ışınım u
11 4 4 3.9463 10 368.025 297.35 ışınım u Q 0.415429 ışınım u Q W
8 6 4 4 16 5.67 10 31 1.5 10 1 368.025 297.35 ışınım kenar Q ışınım kenar
11 4 4 4.2338 10 368.025 297.35 ışınım kenar Q 0.44569 ışınım kenar Q Wışınım toplam ışınınm ta an ışınım yan yüzey ışınım kanat ık ışınım u ışınm kenar
Q Q Q Q Q Q 7.35 ışınım Q W . taş ışınım Q P Q . 16.66 taş Q W
k L h
Nu . (Nusselt sayısı)
k : çevre ortamdaki havanın ısı taşnınm katsayısı ; Tf 332.68K: için
1 1 : 0.025494 . . k W m K
.
taş Toplam w Q L Nu A k T T 24.77 Nu olarak bulunur Rayleigh sayısı; 3 g T L Ra Β: Hacimsel genleşme katsayısı 1
f
T
, 0.003005824 K1
g :Yer çekimi , g 9.81 .m s1
:Kinematik viskozite Tf 332.68K için , 0.00001452m2/s
:Termal difüzyon(ısı yayınlama katsayısı) Tf 332.68K için 0.00002242m2/s Veriler (1) numaralı denklem yerine konulursa; 6
4.66*10
Ra
3.6. Belirsizlik Analizi
Yapılan araştırmalarda elde edilen bulgular kadar bir diğer önemli etmen de bu araştırmalar esnasında elde edilen verilerin doğruluğunun belirlenebilmesidir. Yüzde yüz doğru olarak ölçüm yapabilmek her araştırmacının ortak isteğidir fakat her ne kadar özen gösterilse dahi, en azından ölçüm araç ve gereçlerinin belirli bir miktar toleransı içermesi sonuçları etkileyebilmektedir. Bu etkenlerin hassasiyetlerinin, deneydeki değişkenlere ne ölçüde etkide bulunduğu hesaplanabilmektedir. Bu hesaplama belirsizlik analizi yöntemiyle yapılabilmektedir. Ölçülmesi gereken büyüklük R ve bu büyüklüğe etki eden n adet bağımsız değişkenler; x x1, 2,,x3,....,x olsun. Bu durumda n R=R(x x1, 2,,x3,....,x ) yazılabilir. Her bir değişkene ait hata oranları n w w w1*, *2, 3*,....,w*n w olsun. Buna göre w n R büyüklüğünün hata oranının değeri w ile gösterilebilir *R
vew 1/2 2 2 2 * * * * 1 2 1 2 .... R n n R R R w w w w x x x (30)
olarak yazılabilir (Genceli, 1998).
Yapılan bu deneylerde, ölçümde belirsizliğe sebep olan parametreler şu şekilde tespit edilmiştir:
Gerilim ölçüm hatası: 0.11 V
Akım ölçüm hatası: 0.025 A
Sıcaklık ölçüm hatası: 1 K/oC
Yukarda belirtilenler dışında herhangi bir hatanın olmadığı kabul edilmiştir.
Ölçülen değerler cinsinden Nusselt sayısı (5) numaralı bağıntıdan :
k hl Nu
Nusselt sayısı için belirsizlik ifadesi:
1/ 2 2 * * Nu h Nu W w h (31)
Taşınım katsayısındaki belirsizlik w*h, bir sıralama dahilinde; önce taşınım ile ısı
transferi ardından ışınım ile ısı transferi için belirsizlikler hesaplandıktan sonra bulunmuştur. Belirsizlik ile ilgili bu ifadeler aşağıda belirtilmiştir. Ölçümlenen belirsizlikler haricindeki diğer belirsizlikler bu çalışmada ihmal edilmiştir.
Taşınım katsayısındaki belirsizlik
. 1/2 2 2 2 * * * * . taş w h Q T T taş w h h h W w w w Q T T (32)
(8) numaralı bağıntıdan
Qtaşınım V I Qışınım
taşınımla ısı transfer için belirsizlik:. . 1/2 2 2 2 . . . * * * * . taş ışnm
taş taş taş
Q V I Q ışınm Q Q Q W w w w V I Q (33)
(10) numaralı bağıntıdan QışınımF F. 1 2 . . A T
w4T4
ve ışınım ile olan ısı1/2 2 2 . . * * * ışnm w ışnm ışnm Q T T w Q Q W w w T T (34) şeklinde bulunur.
Nusselt sayısı için toplam belirsizlik yüzdesel olarak:
*
*100
Nu
W
Nu (35)
Bağınıtısı ile heaplanır.
Tablo 3.2 Hesaplanan değişkenlere ait belirsizlik değerleri
Güçteki toplam belirsizlik P
W
± 0.4 % 1.45Işınımdaki toplam belirsizlik
ışınım
Q
W
± 0.41 % 5.125Taşınımdaki toplam belirsizlik
taşınım Q
W
± 0.58 % 3.411Taşınım toplam katsayısındaki
belirsizlik
W
h ± 0.3 %4Nusselt sayısındaki toplam
belirsizlik
W
Nu ± 1.21 %4.7Yukardaki tabloda belirtilen değerler en yüksek değerdeki ölçümler kullanılarak hesaplanmıştır. Tek bir deneye ait veriler kullanılmıştır.
4. ARAġTIRMA BULGULARI VE TARTIġMA
Bu çalışmada; doğal taşınımlı, kanatçıklı soğutucu sistemlerin kanat formasyonları değiştirilerek, sıcaklık düşüşü ve toplam ısı transferi performansının nasıl etkileneceği üzerine deneysel bir inceleme yapılmıştır. Sistem temel olarak düz bir plaka üzerine dikey konumda yerleştirilmiş soğutucu kanatçık dizilerinden oluşmaktadır. Başlangıçta klasik düzlemsel kanatçık dizileri ile çalışılmıştır. Daha sonra dalgalı (sinüzoidal) formda kanatçıklarla deneyler yapılmıştır. Dalgalı kanatçıkların düzlemsel kanatçıklara göre aynı hacimde daha fazla soğutma yüzeyi oluşturacakları açıktır. Bununla birlikte kitlesel olarak sistemin ağırlığı artar.
Deneysel çalışmanın daha sonraki aşamalarında kanatçıklar üzerine bir dizi dairesel delikler açılmıştır. Bu delikler bir yandan sistemin kitlesel ağırlığını hafifletici bir rol oynar. Diğer yandan ise kanat uzunluğu boyunca kalınlaşma eğiliminde olan sınır tabakayı kırarak akışkanın (havanın) yeniden yüzeye tutunmasını sağlar. Bundan dolayı doğal taşınımla ısı transferi performansını arttırıcı bir rol oynar.
Deneylerde ısıl çiftler aracılığı ile ölçülen sıcaklıklar bir data-logger’a kaydedilmiş ve buradan alınan değerler bilgisayarda bir yazılım aracılığı ile değerlendirilerek grafik çıktılar elde edilmiştir.
Şekil 4.1 de Nu ve Ra sayılarının düzlemsel kanat dizileri için nasıl davrandıklarını gösteren bir grafik verilmiştir. Şekle bakıldığında delikli kanatçık dizisinde deliksiz kanatçık dizisine göre daha büyük Nu sayılarına ulaşılmaktadır. Bu da kanatlar üzerindeki delik dizilerinin ısı transferi yönünden daha iyi bir performans sağladıklarını göstermektedir. Düz kanatçıklarda delikler ile azalan ısı transfer yüzey alanına rağmen, hidrodinamik sınır tabakanın bozulmasıyla artan taşınım nedeniyle Nu sayısının artan delik çapı ile orantılı olarak arttığı görülmektedir. Dolayısıyla düz kanatçıklı ısı kuyularında delik açılarak ısı transferinin arttırılabileceği anlaşılmaktadır. Literatürde de benzer sonuçlar bildirilmiştir (Jassem, 2013).Bu kanatçık tipi için 10 mm delik çapı geometrik toleranslar nedeniyle incelenmemiştir.
Şekil 4.2’den 4.4’e kadar verilen grafiklerde sırasıyla H/30, H/15 ve H/10 genliklerindeki dalgalı formlardaki kanatçıklar için delik çaplarına bağlı olarak Nu’nun Ra’ya bağlı değişimi sunulmuştur.
ġekil.4.1. Düzlemsel kanatçık formu dizisi için iki farklı delik çapında hesaplanan Nusselt ve Rayleigh sayıları eğrileri
ġekil 4.2. H/30 dalgalı kanat formu için üç farklı delik çapına göre hesaplanan Nusselt ve Rayleigh sayıları eğrileri
ġekli 4.3. H/15 dalgalı kanat formu için üç farklı delik çapına göre hesaplanan Nusselt ve Rayleigh sayıları eğrileri
ġekil 4.4. H/10 dalgalı kanat formu için üç farklı delik çapına göre hesaplanan Nusselt ve Rayleigh sayıları eğrileri
Şekil 4.2 ye göre, H/30 genliğindeki dalgalı kanatçık formu için 3 mm çaplı delik dizisi en iyi performansı sergilemiştir. Nu sayılarının Ra sayısına bağlı değişim eğilimi bütün delik çapları için benzerdir. Fakat delik çapı büyüdükçe deliksiz kanatçıklar ile 3 mm delikli kanatçıklar arasında, azalan bir performans görülmektedir. Fiziksel olarak böyle bir sonuç çıkmasının nedeninin, nispeten düşük genlikli dalga formunun artan delik çapı ile etkisini kaybetmesi olduğu düşünülmektedir. Bu sonuca yol açan akış olaylarının incelenmesi için gelecekte Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizleri yapılması planlanmaktadır. Böylece bu sonucu ortaya çıkaran mekanizma tanımlanmış olacaktır. Bunun yanında delikli kanatçıkların deliksiz kanatçıklara göre her durumda daha iyi performans sergiledikleri anlaşılmaktadır. H/30 formu sinüzoidal dalga formunun dalga genliği daha düşük olan biçimidir. Yani dalgalı formdaki yapının çukurluk veya tümsek yüksekliğinin en düşük olanıdır.
Şekil 4.3 de H/15 formundaki dalgalı kanat dizisi Nu ve Ra sayılarının karşılaştırmalı grafik eğrileri görülmektedir. Şekilden de anlaşılacağı gibi delikli ve deliksiz yapılar H/30 formuna göre daha karmaşık bir sonuç göstermektedirler. Bu şekle göre 3 mm çaplı delik dizisi ve 6 mm çaplı ve10 mm çaplı dalgalı kanatçık dizileri birbirine eşit bir yörünge takip etmişlerdir. Bunun sebebi H/15 formundaki sinüzoidal dalga genliğinin daha fazla olmasına, diğer bir deyişle tümsek ve çukurun daha derin olmasına bağlanabilir. Çünkü kıvrımlı yüzeylerin kıvrımlarından doğal konveksiyon hava hareketi, az kıvrımlıya nazaran daha çok zorlanmaktadır. Bu da kanatlar arası hava hareketinde bir düzensizliğe neden olmaktadır. Deneysel belirsizlik değerleri de göz önüne alındığında, 3 – 10 mm aralığındaki delik çaplarının bu kanatçık formu için bariz bir değişikliğe neden olmadığı düşünülmektedir. Delik açılmış kanatçıklar deliksiz kanatçıklara göre daha iyi sonuç verdiği için, bu kanatçık formu ve ölçülerinde 3-10 mm aralığındaki deliklerin yakın mertebede ısı transferini iyileştirdiği, dolayısıyla imalat kolaylığı ve ekonomik değerlendirmelere bağlı olarak delik çapına karar verilebileceği anlaşılmaktadır.
Şekil 4.4’de sunulan H/10 Nu-Ra eğrileri incelendiğinde, bu kanatçık formu için 6 ve 10 mm deliklerin daha iyi sonuç verdikleri görülmektedir. H/10 kanatçık formu, en büyük genliğe sahip dalgalı kanatçık formudur. Delikler olmadığında bu kanatçık formu, daha az genlikli kanatçık formlarına göre daha düşük Nu sayıları vermektedir. Bunun sebebi
olarak büyük genliğin akışı engellemesi ve yoğunluk farkından kaynaklanan hareketliliği azaltması olarak düşünülmektedir. Dolayısıyla artan delik çapları bu engelin etkisini azaltmaktadır. Bu nedenle incelenen kanatçık formu ve boyutları için bağıl olarak daha büyük delik boyutlarının daha iyi sonuç verdikleri anlaşılmaktadır. Şekil 4.1-4.4 arasındaki grafiklerde 6 mm ve 10 mm delikler için Ra ve Nu değerlerinin diğer eğri değerlerine göre daha geniş bir aralıkta değişmesinin sebebi, bu eğrilerin oluşturulması için yapılan değerlerde güç değişim aralığının yaklaşık olarak %30 daha geniş tutulmuş olmasıdır. Diğer taraftan eğrilerin meyilleri, kapsadıkları ortak aralıklar karşılaştırma yapılması için elverişlidir.
Şekil 4.1-4.4 de verilen grafiklerde delik çapının etkisi görülmüştür. Bu grafikler kendi aralarında karşılaştırılarak kanatçık formlarının etkisi de çıkarılabilir. Fakat okuma kolaylığı olması bakımından aynı grafikler bu defa kanatçık formlarına göre çizdirilmiş ve Şekil 4.5-4.8 arasında verilmiştir.
Şekil 4.5 incelendiğinde, deliksiz kanatçık dizilerinden oluşan ısı kuyuları için, en iyi ısıl performansın H/30 genliğindeki kanatçık formu ile elde edildiği görülmektedir. Bu kanatçık formu, düz kanatçıklara göre sınır tabakayı bozarak taşınım ısı transferini iyileştirmektedir. Ayrıca düz kanatçıklara göre daha fazla ısı tranferi yüzey alanı sunmaktadır. Bununla beraber diğer kanatçık genliklerinde akış hareketinin engellenmeye başladığı ve dolayısıyla ısı transferinin düz kanatçıklara göre iyi fakat H/30 genlik değerine göre kötü sonuç verdiği düşünülmektedir. Diğer taraftan kanatçıklara dalgalı bir form verilmesinin açıkça ısı transferini iyileştirme anlamında olumlu bir etkisi olduğu görülmektedir. Daha önceden tamamlanan bir yüksek lisans çalışmasında da aynı sonuçlar elde edilmiştir (ZİYLAN, 2018).
Şekil 4.6’da kanatçıklar üzerinde 3 mm delik açıldığında bütün kanatçık formlarının ısı transferi performanslarının iyileştiği, fakat H/30 genliğindeki kanatçık formunun diğer kanatçık formlarına göre üstünlüğünü korumaya devam ettiği görülmektedir. Dolayısıyla 3 mm boyutundaki delikler, ısı transferi performanslarını iyileştirirken, görece büyük genlikli kanatçık formlarının H/30 a göre problemlerini çözememiştir. Gelecekte yapılacak HAD çalışmalarıyla bu bulgunun doğrulanması ve aydınlatılması planlanmaktadır.
Şekil 4.7’de sunulan ve 6 mm delik çapı için verilen grafikte, daha büyük genlikli kanatçık formlarının H/30 genlikli kanatçık formunun performansını yakaladıkları görülmektedir. Kanatçık formlarında farklılık olduğuna göre, delik çapının büyütülmesinin ısı transferi yönünden kanatçık performanslarını değiştireceği buradan da anlaşılmaktadır. Nu sayısının Ra sayısı ile değişim eğilimi belirginleşmiştir. Bu grafik aynı zamanda Nu sayısının Ra ya göre değişiminde ana geometrik parametrenin kanatçıkların dalgalılığı olduğunu, bu delik çapı için dalga genliklerindeki değişimin belirgin etkisi olmadığını göstermektedir.
Şekil 4.8’de ise 10 mm delik çapı ile H/10 genliğindeki dalgalı kanatçık formu, yani en büyük genliğe sahip kanatçık formu en iyi ısıl performansı göstermektedir. Bununla beraber buraya kadar ki grafiklerin Nu sayısı açısından olduğu, sıcaklık ve transfer edilen ısı büyüklüklerinin çevre sıcaklığına ve kanatçık yüzey alanına bağlı olduğu unutulmamalıdır. Aynı Nu sayısına sahip farklı kanatçıklar farklı büyüklüklerde ısı transferi yapmaktadır. Dolayısıyla kanatçıklar ve delik çapları değerlendirilirken uygulamanın gerektirdiği kısıtlar ve gereklilikler göz önüne alınmalı ve buna göre mühendislik kararları verilmelidir.
ġekil 4.6. 3 mm delik çaplı kanatçık dizisi için Nusselt ve Rayleigh eğrileri
ġekil 4.8. 10 mm delik çaplı kanatçık dizisi için Nusselt ve Rayleigh eğrileri Şekil 4.9 - 4.12 arası grafiklerde sisteme verilen güç ile yüzey sıcaklığı değişim eğrileri gösterilmiştir. Bu eğrilerde beklenen, güç arttıkça sistem kararlı hal yüzey sıcaklığının artmasıdır. Çünkü ısı kuyusuna kaynaktan aktarılan ısı miktarındaki artış ancak sıcaklık farkının artmasına bağlı çevreye gerçekleşen ısı transferindeki artışla dengelenebilir. Dolayısıyla da ısı kuyusu yüzey sıcaklığı artmaktadır. Fakat artış eğimi daha düşük olan ısı kuyularının daha düşük sıcaklık farkında aynı ısıyı çevreye aktarabildiği ve dolayısıyla ısıl performansının uygulama için daha iyi olduğu ortadadır. Özellikle elektronik cihazlarda, sıcaklık değerinin belirli bir değerin altında tutulması gerekmektedir. Her ne kadar Nu sayısı, taşınım katsayısı bir kanatçık formu için daha yüksek çıksa da, yüzey alanı da ısı transfer miktarı ve dolayısıyla azami yüzey sıcaklık değeri için önem arz eder. Bu nedenle bahsedilen grafikler, uygulamaya yönelik ısıl performans açısından değerlendirilmektedir. Örneğin deliksiz düz kanatçıklı plakalar en yüksek sıcaklık değerlerini almaktadır. Hem kanatçık formlarıyla artan yüzey alanı hem de akışı değiştiren delikler ile yüzey sıcaklıkları düşmektedir. Doğal taşınım söz konusu olduğu için akışın kaynağı yoğunluk farkı ve yer çekimi ivmesidir. Bununla beraber kanatçık yüzeyinde oluşan sınır tabaka hem kanatçık formlarıyla hem de açılan deliklerle değiştirilmektedir. Kanatçık formlarının aynı kanatçık yüzeyi için daha fazla ısı transferi alanı sunması, deliklerin de kanatçık formlarının akışı engellemesi gibi bazı etkileri değiştirmesi nedeniyle kararlı çalışma durumunda oluşan kanatçık yüzey sıcaklıklarında değişimler elde edilmiştir.
Şekil 4.9’da düzlemsel kanatçık için delik çapındaki artışın sıcaklık artış eğilimini azalttığı görülmektedir. Bu grafik ısı kuyusunun ısı yüküne karşın sıcaklık değişimini gösterdiği ve delik çaplarının doğrudan sıcaklık artış eğilimini azalttığını gösterdiği için düz kanatçık formlarında denenen delik çaplarında en büyük deliklerin en iyi sonucu verdiği kararına varılmaktadır. Şekil 4.10’da verilen H/30 genliğine sahip kanatçık formu için ise en iyi eğrilerin eğiminde, deneysel belirsizlik de göz önüne alındığında, belirgin bir değişiklik görünmemektedir. Şekil 4.11’de sunulan H/15 kanatçık formunda en iyi ısıl performans 6 mm delikler ile elde edilmiştir. Benzer şekilde Şekil 4.12 de verilen H/10 kanatçık formu için de en iyi ısıl performans 6 mm delikler ile elde edilmiştir. Her ne kadar çalışmada bir optimizasyon yapılmış olmasa da, yüzey alanı ve taşınım katsayısı iyileştirme arasındaki ilişki yüzey sıcaklığı bakımından en iyi şekilde 6 mm delikler ile elde edilmiştir.
ġekil.4.9. Düzlemsel kanatçık dizisinde ve farklı delik çaplarında güç-kanatçık sıcaklığı değişimi
ġekil 4.10. H/30 formundaki dalgalı kanatçık dizisinde ve farklı delik çaplarında güç-kanatçık sıcaklığı değişimi
ġekil 4.11. H/15 formundaki dalgalı kanatçık dizisinde ve farklı delik çaplarında güç-kanatçık sıcaklığı değişimi
ġekil 4.12. H/10 formundaki dalgalı kanatçık dizisinde ve farklı delik çaplarında güç-kanatçık sıcaklığı değişimi
Kanatçık formlarının aynı delik çapları için sistem kararlı çalışmasındaki yüzey sıcaklıkları üzerindeki etkilerini daha iyi ortaya koymak adına yüzey sıcaklıklarının ısıtma gücü ile değişimleri aynı delik çaplarında farklı kanatçık formlarına göre Şekil 4.13-16 arasında verilmiştir. Deliksiz kanatçıklar için en iyi ısıl performans H/30 ile elde edilmiştir. 3 mm delik çapı için, her ne kadar taşınım katsayısı daha düşük çıksa da, en iyi ısıl performans H/10 ile elde edilmiştir. Deneysel belirsizlik de göz önüne alınarak 6 ve 10 mm delik çaplarında kanatçık formları arasındaki ısıl performans farkı belirsiz hale gelmektedir. Bu da üretim ve işletme maliyetleri için önem arz edebilir. Çalışmanın önemli çıktılarından birisi de budur.
ġekil 4.13. Farklı formlardaki deliksiz kanatçık dizisinde güç-yüzey sıcaklığı değişimi
ġekil 4.14. Farklı formlardaki 3 mm delik çaplı kanatçık dizisinde güç-yüzey sıcaklığı değişimi
ġekil 4.15. Farklı formlardaki 6 mm delik çaplı kanatçık dizisinde güç-yüzey sıcaklığı değişimi
ġekil 4.16. Farklı formlardaki 10 mm delik çaplı kanatçık dizisinde güç-yüzey sıcaklığı değişimi
Şekil 4.17-20 arasında ısı transferinde taşınım ile ışınım paylarının delik çaplarına göre değişimi sunulmuştur. Daha yüksek yüzey sıcaklıkları ile sonuçlanan toplam ısı transferi büyüklükleri, ışınımın payının da taşınıma göre daha fazla olmasına yol açmaktadır. Diğer bir değişle, aynı taşınım değerleri için daha düşük ışınım değerleri veya aynı ışınım değerine göre daha yüksek taşınım değerleri daha iyi ısıl performans anlamına gelmektedir. Şekil 4.17’de verilen düz kanatçıklar için deliklerin etkisinde bu durum daha açık gözlemlenebilmektedir. 6 mm delik çapı için yapılan deneylerdeki güç aralığı daha geniş tutulduğu için daha yüksek taşınım ve ışınım değerleri ortaya çıkmıştır fakat yaklaşık olarak aynı taşınım değerlerinde 6 mm delik ile daha düşük ışınım gerçekleştiği ve ısıl performansın 6 mm delik çapı ile düz kanatçıklarda daha iyi olduğu görülmektedir. Yani bu grafik türünde daha iyi ısıl performans için daha büyük eğim açıları daha iyi ısıl performans anlamına gelmektedir. Burada ışınımın hesaplandığı unutulmamalıdır. Yani ışınım doğrudan ölçülmemiş, yüzey sıcaklık değerleri ve yüzey alanına göre hesaplanmıştır. Şekil 4.18 de verilen eğrilere göre de H/30 kanatçık formu için deliklere göre ısıl performans çok yakın çıkmaktadır. Fakat H/15 ve H/10 kanatçık formlarında özellikle 6 mm delik çapının daha iyi ısıl performans verdiği daha belirgindir ve daha önceki grafiklerin verdiği sonuçları doğrular niteliktedir
ġekil 4.17. Düzlemsel kanatçık dizisinde ve farklı delik çaplarında taşınım-ışınım eğrileri
ġekil 4.18. H/30 formundaki dalgalı kanatçık dizisinde ve farklı delik çaplarında taşınım-ışınım eğrileri
ġekil4.19. H/15 formundaki dalgalı kanatçık dizisinde ve farklı delik çaplarında taşınım-ışınım eğrileri
ġekil 4.20. H/10 formundaki dalgalı kanatçık dizisinde ve farklı delik çaplarında taşınım-ışınım eğrileri
Kanatçık formuna göre ışınım ile taşınım arasındaki oranların gösterilmesi için Şekil 4.21-24 arasındaki grafikler sunulmuştur. Deliksiz kanatçıklarda H/30 kanatçık formu en iyi ısıl performansa sahip olduğu için taşınımın ışınıma oranı bu kanatçık formunda daha yüksek çıkmıştır. Diğer grafik türleri ile de tespit edilen bu durum sayısal olarak taşınım/ışınım oranını göstermektedir. Deliksiz kanatçıklarda taşınım/ışınım oranı H/30’da yaklaşık olarak 2 iken sırasıyla H/15, H/10 ve düz kanatçık olarak giderek azalmakta ve 1 değerine yaklaşmaktadır. Diğer bir değiş ile ışınım ve taınım aynı mertebe ve değerde ısıyı transfer etmektedir. Bu sonuç aynı zamanda incelenen aralıkta çalışan ısı kuyularında ışınım ısı transferinin ne kadar önemli olduğunu ve tasarımlarda dikkate alınması gerektiğini göstermektedir. 3 mm ve 6 mm delik değerlerinde kanatçık formlarının düzlemsel kanatçık dışında belirgin bir fark oluşturmadıkları, 10 mm delik için ise H/10 kanatçık formunun daha iyi sonuç verdiği tekrar vurgulanmalıdır.
ġekil 4.22. Farklı formlardaki 3 mm delik çaplı kanatçık dizisinde taşınım-ışınım eğrileri
ġekil 4.23. Farklı formlardaki 6 mm delik çaplı kanatçık dizisinde taşınım-ışınım eğrileri
ġekil 4.24. Farklı formlardaki 10 mm delik çaplı kanatçık dizisinde taşınım-ışınım eğrileri
5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER
5.1 Sonuçlar
Yapılan araştırmada izole edilmiş bir muhafaza kutuya yerleştirilen deliksiz ve farklı çaplarda açılmış delikli, düz kanatçıklı ve 2 periyotlu H/10, H/15 ve H/30 genlikli dalgalı kanatçıklı plakaların/ısı kuyularının ısı transferi performanslarının incelenmesi hedeflenmiştir. Deneyler ısıtıcıya verilen 6 farklı güç değerleri için tekrarlanmıştır. Deneylerle doğal taşınım ve ışınım bakımından ısı tranferi etkileri incelenmiştir.
Bu tez çalışmasında şu sonuçlara ulaşılmıştır;
Isı transferi ile ilgili verilen sonuçlarda taşınım katsayısındaki iyileşmeyi gösteren Nu sayısı grafikleri ile kararlı çalışma şartlarında elde edilen yüzey sıcaklık değerleri ayrı ele alınmalıdır. Geometrik parametreler taşınımı iyileştirse de yüzey alanı nedeniyle ısı transferinin değeri ve dolayısıyla yüzey sıcaklıkları farklı eğilimlerde çıkabilmektedir.
En yüksek doğal taşınım ile ısı transferi değerleri deliksiz durum için H/30 genlikli kanatçık formunda, deliklerin açıldığı durum için ise genel olarak H/10 genlikli kanatçık formunda elde edilmiştir.
Kanatçık formuna bağlı olarak farklı ölçülerdeki delikler Nu ve taşınım katsayısı bakımından daha iyi sonuç vermektedir. H/30 kanatçık formu için 3 mm delik çapı daha iyi sonuç verirken, H/15 kanatçık formunda 3-10 mm aralığında belirgin bir fark olmamakta; H/10 kanatçık formu için 10 mm delik çapı daha iyi sonuç vermektedir.
Işınım ile en yüksek ısı transferi sağlanan ise deliksiz düzlemsel kanatçıklı plaka olarak ölçülmüştür. Işınım ısı transferinin taşınım ısı transferine göre oransal artışı daha yüksek yüzey sıcaklığı anlamına geldiği için uygulamaya dönük ısıl performansın daha az etkili olduğu ifade edilebilir.
