Spiral mini kanalda kaynamalı akış karakteristiklerinin incelenmesi
Investigation of flow boiling characteristics in spiral mini channels
Yazar: MEHMET ŞENER
Danışman: PROF. DR. İRFAN KURTBAŞ
Hitit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Isı transferi =   ; Kabarcıklı kaynamalı akım = Nucleate flow boiling ; Kararsızlık = Instability

Özet:
Eğri kanallar yapıları itibariyle ikincil akışların meydana getirmesi ve karıştırma kabiliyetleri
sayesinde daha yüksek ısı transferleri oluşturma eğilimindedirler. Bunun sebebi, kanal
içerisinde meydana gelen merkezkaç kuvveti ve merkezcil kuvvetin etkisi ile birlikte akış
üzerinde sürekli değişen bir kuvvet değişimi ve dağılımı meydana gelmesidir. Böylece, akışın
karışması ve ısı transferinin artması sağlanmaktadır. Bilindiği gibi, kaynamalı akışların daha
yüksek ısı transfer katsayısına sahip olması ve üniform bir sıcaklık dağılımı oluşturması ısıtma
ve soğutma uygulamaları açısından önemli bir avantajdır.
Bu çalışmada eğri bir kanal yapısına sahip olan spiral mini kanallarda zorlanmış kaynama
ortamında ısı transferi, basınç düşüşü ve kaynama kararsızlıkları deneysel olarak
incelenmiştir. Çalışma akışkanı olarak R134a kullanılmıştır. Ancak, belirlenen bir parametre
için R134a için yapılan deneyler R1234yf soğutucu akışkanı için de gerçekleştirilmiş ve
karşılaştırma yapılmıştır. Spiral mini kanalın iki farklı kanal boyu ve üç farklı kanal giriş sayısı
çalışma parametresi olarak belirlenmiştir. Deneysel çalışmada üç farklı kütle akısında (G=100,
200 ve 300 kg/m2s), ısı akısının 0-72 kW/m2 aralığında deneyler yapılmış, kuruluk derecesi
x=0,99 değerine kadar ulaşmıştır. Test sisteminde meydana gelebilecek kütle kuvvetlerinin
etkisini incelemek için üç farklı SMK açısı 0° (yatay), 45° (açılı) ve 90° (dikey) olacak şekilde
değiştirilmiştir. Çalışma basıncı 3, 4 ve 5 bar olarak belirlenmiş, bütün deneysel parametreler
bu değerlerde test edilmiştir. Deneysel çalışmada sıcaklık, basınç ve kütle akısı değerleri için
kaynama akış rejimleri yüksek hızlı kamera ile görselleştirilmiştir.v
Deneylerde kütle akısının artması ITK üzerinde %150'lere varan artışlarla sonuçlanmıştır. Düz
kanal deneysel sonuçlarına göre spiral mini kanal üzerindeki merkezcil ve merkezkaç
kuvvetlerinin hem ITK üzerinde hem de akış rejimi üzerinde önemli bir etkisi olduğu tespit
edilmiştir. İki fazlı akış rejiminde SMK'daki basınç kaybının büyük oranda artması, bu artışın
ısı transferindeki artış oranına göre daha yüksek olması soğutma performans katsayısının
kütle akısıyla ters orantılı olarak değişmesi ile sonuçlanmıştır. SMK için elde edilen basınç,
kütle ve sıcaklık osilasyonları genel olarak literatürde verilen düz kanal kaynamalı akış
kararsızlıkları ile benzer olsa da nicel olarak büyük farklılıklar içermektedir. Tek girişli SMK'da
basınç osilasyonları diğer parametrelere göre 6 kata kadar arttığı gözlenmiştir. R134a
soğutucu akışkan için elde edilen ITK, basınç kaybı ve basınç genlik değerleri bakımından
R1234yf için elde edilen değerlerden daima daha yüksek olduğu tespit edilmiştir

Abstract:
Curved channels tend to generate higher heat transfers due to their structure the generation
of secondary flows and their ability to mix. This is a result of centrifugal and centripetal forces
present within the channel, causing a constantly changing force distribution and resulting in
flow mixing and increased heat transfer. Boiling flows are known to have a higher heat
transfer coefficient and create a uniform temperature distribution, which is an essential
advantage for heating and cooling applications.
An experimental investigation of heat transfer, pressure drop, and boiling instabilities was
conducted in a forced boiling environment in spiral mini-channels with a curved channel
structure. The working fluid was used R134a. However, for a specific parameter, experiments
conducted on R134a were replicated on R1234yf refrigerant, and a comparison was drawn.
The operational parameters included determining two different channel lengths and three
different channel inlet numbers of the spiral mini-channel. During experimental studies, three
different mass fluxes (G = 100, 200 and 300 kg/m2s), heat flux ranging from 0-72 kW/m2, and
the quality of vapor reaching up to x = 0.99 were tested. Three channel angles were varied from
0° (horizontal), 45° (angled) and 90° (vertical) to investigate the effect of inertial forces that
may occur in the test system. All experimental parameters were tested at working pressures
of 3, 4, and 5 bar. In the experimental study, boiling flow regimes for temperature, pressure
and mass flux values were visualised with a high-speed camera.
The experiments showed that the increase in mass flux resulted in an increase in heat transfer
coefficient (HTC) of up to 150%. Based on the findings of the straight channel experiment, itvii
was discovered that the centripetal and centrifugal forces on the spiral mini-channel (SMC)
have a considerable impact on HTC and flow regime. Moreover, in the two-phase flow regime,
the pressure drop in the SMC increased significantly, exceeding the rate of increase in heat
transfer. This caused a change in the cooling coefficient of performance, which was inversely
proportional to the mass flux. Despite the fact that the pressure, mass and temperature
oscillations obtained for the SMC are generally similar to those reported in the literature for
straight channel boiling flow instabilities, there are quantitatively large differences. In
particular, it is observed that the pressure oscillations increase by a factor of 6 for the single
inlet SMC compared to the other parameters. The HTC obtained for R134a refrigerant
consistently higher than the values obtained for R1234yf in terms of pressure drop and
pressure amplitude values.