İçerisinde ayrık gözenekli ısı alıcılar bulunan bir kanalda nanoakışkan kullanımının ısı transferine etkisinin incelenmesi
Investigation of the effects of nanofluid usage on heat transfer in a channel with discrete porous heat sinks
Yazar: OĞUZHAN ÖZBALCI
Danışman: PROF. DR. AYLA DOĞAN
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Isı alıcıları = Heat sinks ; Isı geçişi = Heat transfer ; Nanoakışkanlar = Nanofluids ; Soğutma sistemleri = Cooling systems

Özet:
Bu tez çalışmasında elektronik sistemlerin soğutulmasında nanoakışkan ve metal köpük ısı alıcıların kullanımının ısı transferine ve basınç kaybına etkisi deneysel olarak incelenmiştir. CuO nanopartikülleri kullanılarak farklı kütlesel derişimlerde, katkılarda (Surfaktan ve partikül yüzeyine Ag atomu motifiye) ve partikül boyutunda hazırlanan toplamda 19 adet nanoakışkan ile (NA) çalışılmıştır. Nanoakışkan hazırlanmasında temel akışkan olarak saf su (TA) kullanılmıştır. Dört farklı kütlesel derişimlerde (%0.1, %0.5, %1.0 ve %2.0) hazırlanan CuO-H2O nanoakışkanları test edilmiş ve en uygun nanoakışkan derişiminin kütlece %0.1 olduğu tespit edilmiştir. Belirlenen bu nanoakışkanın ısı transfer miktarını daha da arttırabilmek amacıyla farklı derişimlerde surfaktan eklenmesi ve partikül yüzeyine farklı oranlarda Ag atomu motiflenmesi ile yeni nanoakışkanlar hazırlanmıştır Ayrıca, yüksek alan/hacim oranına sahip 10 PPI ve 40 PPI gözenek yoğunluğunda, Al-6101 metal köpük ısı alıcılar kullanılarak artan yüzey alanının ısı transferine etkisi temel akışkan ve belirlenen nanoakışkanlar için incelenmiştir. Çalışmada kanal içerisinde ısıtılan yüzeye 5 adet metal köpük ısı alıcı ayrık formda yerleştirilmiştir. Deneyler, sabit ısı akısının 3267 W/m2 ila 5400 W/m2 ve hacimsel debinin 17.6 L/h ila 76.5 L/h arasında değişen değerleri için yapılmıştır.
Boş yüzeyde, NA16 (%0.1 CuO-H2O/%2 PEI), NA17 (%0.1 CuO-H2O-%0.03 Ag /%2 PEI) ve NA18 (%0.1 CuO-H2O-%0.05 Ag /%2 PEI) nanoakışkanlarının kullanımıyla taşınımla ısı transferi katsayısında temel akışkana göre elde edilen iyileştirme miktarı sırasıyla %2.66, %2.39 ve %5.23 olarak belirlenmiştir. İçerisinden temel akışkan geçirilen kanalda, 10 PPI ve 40 PPI metal köpük ısı alıcıların kullanımıyla taşınımla ısı transferi katsayısında boş yüzeye göre, elde edilen en yüksek iyileştirme miktarları sırasıyla %15.19 ve %16.47 olarak hesaplanmıştır. NA 16, NA 17 ve NA 18 nanoakışkanlarının 10 PPI ve 40 PPI metal köpük ısı alıcılarla ayrı ayrı kullanımında, taşınımla ısı transfer katsayısında elde edilen iyileştirme miktarı sırasıyla NA 16'da %37.01 ve %33.72, NA 17'de %39.19 ve %44.69, NA 18'de ise %35.75 ve %57.75 olarak belirlenmiştir. Çalışmada temel akışkana göre, en düşük yüzey sıcaklıkları NA 18 (%0.1 CuO-H2O-%0.05 Ag /%2 PEI) nanoakışkanı ve 40 PPI metal köpük ısı alıcı kullanımında elde edilmiştir.

Abstract:
In this thesis, the effects of the use of nanofluid and metal foam heat sinks on the cooling of electronic systems on heat transfer and pressure loss were investigated experimentally. Using CuO nanoparticles, a total of 19 nanofluids (NA) prepared in different mass concentrations, additives (surfactant and Ag atom attaching on the particle surface) and particle sizes were studied. Pure water (TA) was used as the base fluid in the preparation of nanofluids. CuO-H2O nanofluids prepared in four different mass concentrations (0.1%, 0.5%, 1.0% and 2.0%) were tested and it was determined that the most suitable nanofluid concentration was 0.1% by mass. In order to increase the heat transfer amount of this determined nanofluid, new nanofluids were prepared by adding surfactant at different concentrations and attaching Ag atoms at different rates on the particle surface. In addition, the effect of increased surface area on heat transfer was investigated for the base fluid and the specified nanofluids by using Al-6101 metal foam heat sinks at 10 PPI and 40 PPI pore densities with high area/volume ratio. In the study, 5 metal foam heat sinks were placed on the heated surface in the channel in discrete form. The experiments were carried out for constant heat flux values ranging from 3267 W/m2 to 5400 W/m2 and volumetric flow rates ranging from 17.6 L/h to 76.5 L/h.
On the empty surface, the amount of improvement in the convective heat transfer coefficient with the use of, NA16 (%0.1 CuO-H2O/%2 PEI), NA17 (%0.1 CuO-H2O-%0.03 Ag /%2 PEI) and NA18 (%0.1 CuO-H2O-%0.05 Ag /%2 PEI)nanofluids compared to the base fluid was determined as 2.66%, 2.39% and 5.23%, respectively. With the use of 10 PPI and 40 PPI metal foam heat sinks in the channel through which the base fluid was passed, the highest improvement in the convective heat transfer coefficient, relative to the empty surface, was calculated as 15.19% and 16.47%, respectively. When NA 16, NA 17 and NA 18 nanofluids were used separately with 10 PPI and 40 PPI, the improvement in convective heat transfer coefficient was obtained 37.01% and 33.72% in NA16, 39.19% and 44.69% in NA17, 35.75% and 57.75% in NA18, respectively. According to the base fluid in the study, the lowest surface temperatures were obtained using NA 18 (0.1% CuO-H2O-0.05% Ag / 2% PEI) nanofluid and 40 PPI metal foam heat sink.