Ultrasonik ses dalgası destekli daldırmalı soğutma tekniğinin ısı transferi karakteristiklerinin belirlenmesi
Determination the heat transfer characteristics of ultrasound assisted immersion cooling
Yazar: RAHİM AYTUĞ ÖZER
Danışman: PROF. DR. BAYRAM ŞAHİN ; DR. İBRAHİM ATEŞ
Erzurum Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu doktora tez çalışmasında, daldırmalı soğutma sistemlerinde başta ultrasonik ses frekansı olmak üzere ısı kaynaklarının havuz içerisindeki konumu, çıkıntı miktarı ve ısı akısının tek fazlı doğal taşınım ve havuz kaynama ısı transferi üzerindeki etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Dört eş ısıtıcı ikişerli gruplar halinde 5 farklı kombinasyonda çalıştırılmıştır. Deneysel çalışma, çıkıntısız, 2 ve 4 mm çıkıntılı olmak üzere üç çıkıntı seviyesi için gerçekleştirilmiştir. Deneylerde, ultrasonik ses dalgası sabit genlikte ve 0-24 kHz aralığında uygulanmıştır. Isı kaynaklarına uygulanan ısı akısı 4 kW/m2 ile 166,66 kW/m2 aralığında değiştirilmiştir. İş akışkanı olarak PF-5060 dielektrik sıvısı kullanılmıştır. Deney sonuçlarına göre, ultrasonik ses dalgalarının tek fazlı doğal konveksiyonda ısı transferini olumlu yönde etkilediği görülmüştür. Düşük ısıl güçlerde, ses dalgalarının sıvı moleküllerini itici etkisi ile birlikte sıcak yüzeylerdeki akış sirkülasyonunu artırarak doğal konveksiyon ısı transferi katsayısında %107,49'a varan artış elde edilmiştir. Bütün çalışma durumlarında çıkıntı miktarının artışı ilave sıcak yüzey oluşturduğu için ısı tranfer katsayısının azalmasına neden olmuştur. Havuz kaynama rejiminde ise ultrasonik ses dalgası frekansının tek fazlı doğal konveksiyona kıyasla ayırt edici bir etkisinin olmadığı görülmüştür. Bu durum, ultrasonik ses dalgası tahriki olmasa dahi, kaynama sırasında oluşan termal kabarcıkların mikro konveksiyon oluşturarak kararsız akışkan hareketleri ile karışım etkisini kuvvetlendirmesinden kaynaklanmıştır. Diğer taraftan aktif ısı kaynağının sıvı serbest yüzeyine ve birbirlerine göre konumunun kızdırma sıcaklığını etkilediği sonucuna varılmıştır. Çıkıntı miktarının ise kabarcık oluşumu ve kaldırma kuvvetleri doğrultusunda kabarcık hareketini engelleyici ekstra yüzey sağladığından dolayı kızdırma sıcaklığını arttırıcı etkide bulunmuştur.

Abstract:
In this Phd thesis, the effects of heat source location, protrusion amount, and heat flux on single and two-phase immersion cooling systems were experimentally investigated, with a focus on the ultrasound frequency. Four heat sources with equal power capacity were operated in pairs in 5 different combinations. The experimental study was conducted for three levels of protrusion: without protrusion, 2 mm protrusion, and 4 mm protrusion. The ultrasonic sound wave used in the experiments had a constant amplitude and ranged from 0 to 24 kHz. The heat flux applied to the heat sources was varied in the range of 4 kW/m² to 166.66 kW/m². PF-5060 dielectric fluid was used as the working fluid. According to the experimental results, it was observed that ultrasonic sound waves positively influenced heat transfer in single-phase natural convection. At low heat powers, the circulation of liquid molecules on the hot surfaces increased due to the propelling effect of the sound waves, resulting in an increase in the natural convection heat transfer coefficient of up to 107.49%. In all operating conditions, an increase in protrusion amount led to a decrease in the heat transfer coefficient due to the creation of additional hot surface. In the pool boiling regime, it was observed that the frequency of the ultrasonic sound wave did not have a distinctive effect compared to single-phase natural convection. The reason of this, even without ultrasound, the thermal bubbles formed during boiling was enhanced the mixing effect through unstable fluid motions caused by microconvection. On the other hand, it was concluded that the position of the active heat source relative to the free liquid surface and to each other affected the boiling temperature. The protrusion amount increased the boiling temperature by providing additional surfaces that hinder bubble formation and buoyancy forces.