Üç kolonlu titreşimli ısı borusunun farklı çalışma basınçlarında deneysel olarak incelenmesi
An experimental analysis of an oscillating heat pipe consisting of three interconnected columns at various operating pressures
Yazar: MURAT EMRE DEMİR
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ÖZDEMİR ; YRD. DOÇ. DR. BÜLENT GÜZEL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Isı geçişi katsayısı = Heat transfer coefficient

Özet:
Isı boruları, taşınımla ısı geçişi ve sıvı-buhar hal değişimi ilkelerinden faydalanılarak ısı geçişini sağlayan cihazlardır. Basit yapılı olmaları, içersinde hareketli parça bulundurmamaları ve yüksek ısı geçiş kapasiteleri nedeniyle birçok ısı değiştiricisi sistemlerinde tercih edilmektedir.
Bu çalışmada, 20. Yüzyılın sonlarında keşfedilen titreşimli ısı borularının(TIB) alternatif bir modeli incelenmiştir. Titreşimli akışta ısı geçişinden faydalanan bu cihazlar, özellikle minyatür yapıda olabilmeleri, ısıl iletkenliklerinin yüksek olması ve bakım maliyetlerinin düşük olması nedeni ile elektronik cihazlar için tercih edilmektedirler. 
Titreşimli ısı borularının tasarımı birçok parametreye bağlıdır. Bu cihazların ısıl verimi, soğutucu akışkana, soğutucu akışkanın boru içindeki akışı dolayısıyla boru çapına, ısı borusundaki kıvrım sayısına (total number of meanderin), ısı borusunun yatay veya dikey konumuna, soğutucu akışkanın doldurulma oranına (filling ratio), çalışma koşullarındaki ısıl yüke vb. gibi birçok parametreye bağlıdır. Olayın mekanik ve termodinamik açıdan karmaşıklığı nedeniyle titreşimli ısı borularında ortalama ısı geçişi hesabı için deneysel çalışmalara ihtiyaç duyulmuştur. 
Bu çalışmada öncelikle farklı çalışma basınçlarında titreşimli ısı borusununda kaynama bölgesinden yoğuşma bölgesine ısı geçişini incelemek için deney tesisatı hazırlanmıştır. Daha sonra ısıtıcı gücü ve çalışma basıncı değiştirilerek, titreşimli ısı borusunun performansı deneysel ve teorik olarak incelenmiş, Deney verileri oluşturulan matematik modelle kıyaslanmıştır. Çalışmada kullanılan deney düzeneği, İTÜ Isı ve Kütle Geçişi Araştırma Laboratuvarında bulunan üç kolonlu titreşimli ısı borusu düzeneğinin geliştirilmesi ile elde edilmiştir. 
Bu çalışmada döngülü ısı borusu olarak bilinen (loop heat pipe) ısı borusu modeline üçüncü bir kolon eklenmiş ve bu sayede salınımlı akış sağlanmıştır. Çalışmadaki deney düzeneği temel olarak kaynama, yoğuşma ve basınçlandırma kolonu olarak adlandırılan ve birbirlerine pirinç borular ile bağlı, ısıya dayanıklı cam borulardan oluşmaktadır. Deney düzeneğine ısı girişi, kaynama kolonunda bulunan bakır ısıtıcı ünite üzerinden gerçekleşmektedir. Isıtıcı ünitenin içeresinde bulunan rezistans, doğru akım kaynağı ile beslenmektedir. Yoğuşma ise yoğuşma kolon içerisinde dolaşan soğutma suyu sayesinde gerçekleşmektedir. Soğutma suyu sabit sıcaklık banyosu tarafından beslenmektedir. Düzeneği diğer döngülü ısı borularından ayıran üçüncü sıvı kolonuna bağlı basınçlı tank ile sistemin çalışma basıncı ayarlanabilmektedir. Tank basıncı ise bir vakum pompası ile ayarlanmaktadır. 
Deney düzeneğinde ayrıca kesit ve yüzeylerdeki sıcaklık değerlerinin takibi için 21 adet termoeleman bulunmaktadır. Ayrıca buhar kısmındaki basıncın anlık takibi için de bir adet basınç transmitteri bulunmaktadır. Hava tankındaki basınç kontrolü için de dijital barometre bulunmaktadır.
Konvansiyonel ısı borularında faz değişiminin daimi olması gerekir. Bu nedenle de çalışma aralıkları sabittir ve bu aralığın dışına çıkıldığında tamamen sıvı veya gaz fazına geçen akışkan ısı borusunun çalışmasını engellemektedir. Tank basıncının ayarlanabilir olması, bu çalışmadaki ısı borusunun çalışma aralığını genişletmiştir ve yapılan diğer tüm çalışmalardan farklı kılmıştır. Bu çalışmadaki amaç, farklı çalışma basınçları altında titreşimli ısı borularının performansını deneysel ve teorik olarak incelemek ve titreşimli ısı boruları için çalıştıkları ortam basıncına da bağlı olarak Nusselt korelasyonu oluşturmaktır.  
Bu çalışma kapsamında 18 adet deney yapılmıştır. Deneyler üçü atmosfer basıncının altında, üçü de üstünde olmak üzere altı farklı çalışma basıncında gerçekleştirilmiştir.  Altı farklı basınçta yapılan deneylerin üçü atmosfer basıncının altında (vakum), diğer üçü de üstündedir.  Her bir basınç için üç farklı ısıtıcı gücünde deneyler yapılmıştır.   Bu deneylerde tesisat içindeki kütle sabittir.  Ancak basınç altında yapılan deneylerde, ısıtıcı gücünün yetersiz kalmasından dolayı tesisattaki su kütlesinin azaltılması gerekmiştir.  Tüm sıcaklık ve basınç değerlerinden alınan veriler Keithley 2700 multimetre ile okunmuş ve bilgisayara kaydedilmiştir. Kolonlardaki anlık yükseklikler için ise video kamerayla kayıt yapılmış, her bir saniye 33 kareye bölünmüş ve bu kayıtlar Tracker adlı görüntü takip programı yardımıyla işlenmiştir. Her bir deney için toplam kütle hesabı, kolonların salınım denklemleri, buhar basıncı salınım denklemleri, ısıtıcı ünite, soğutucu ünite, buhar ve sıvı bölgelerindeki prop sıcaklıkları gösterilmiş ve ortalama ısı geçiş katsayısı hesaplanmıştır. Örnek deney olarak seçilen Deney 1 için hesaplamalar ayrıntılı bir biçimde gösterilmiş, diğer deneylerin sonuçları ise çalışma içerisinde çizelge ve tablolarda sunulmuştur. 
Çalışmada kullanılan ısı borusunda kaynama ve yoğuşma arasındaki faz farkı nedeniyle bu olayların gerçekleştiği kolonlarda kendiliğinden salınım başlamaktadır. Bu salınımlar ısı borusunda taşınımla ısı geçişini sağlamaktadır. Bu titreşim hareketinin genliği yaklaşık 10 cm mertebelerindedir. 
Salınım denklemleri kamera kayıtlarından alınan konumlara Hızlı Fourier Dönüşümü(HFD) uygulanması ile elde edilmiştir. HFD analizi neticesinde tüm kolonlarda tek bir frekansta salınım hareketi yapıldığı gözlenmiştir. 18 deney boyunca salınım frekansı 4,78 ve 4,28 (rad/s) arasında değerler almıştır.  En büyük frekans maksimum güçte (230 W) görülürken, en düşük frekans en yüksek basınç altında (130 kPa) görülmüştür. Basınç salınım denklemleri ise basınç transmitterinden okunan değerlere HFD uygulanması ile elde edilmiştir. Basınç salınımlarında 2 farklı frekans gözlenmiştir. Birinci frekans, salınım frekansına çok yakın değerlerde çıkarken, ikinci frekans birinci frekansın iki katı değerinde çıkmıştır. Tüm deneyler için, kolonların salınım frekansları, buhar basıncı, ısıtıcı ünite, soğutucu ünite, buhar ve sıvı bölgelerindeki prop sıcaklıkları ile ortalama ısı geçiş katsayısının değişimi incelenmiştir. Tek başına bu paremetrelerin değişimi ortalama ısı geçiş katsayısı hakkında yeterli sonuç vermediği gözlenerek boyut analizi yapılmıştır. 11 adet boyutsuz sayı elde edilmiştir. Bu boyutsuz sayılar kendi aralarında cebirsel işlem yapılarak kaynamada etkili olan Jakob, Weber, Bond, Prandtl ve Eşdeğer Grashof sayıları ile Salınım hareketinde etkili olan Kinetik Reynoldss sayısı elde edilmiştir. Bu 6 boyutsuz sayının Nusselt Sayısı ile olan değişimi incelenmiştir. .Nusselt sayısının bu sayıların bir fonksiyonu olduğu görülmüştür. Özellikle Weber, Eşdeğer Grashof ve Bond sayıları Nusselt sayısı ile oldukça uyumlu bir şekilde değişmişlerdir. 6 boyutsuz sayıyı içeren Nusselt Korelasyonu çok değişkenli regresyon analizi yapılarak elde edilmiştir. Korelasyon ile elde edilen değerler deneysel veriler ile kıyaslanmıştır. Korelasyonun başarılı bir şekilde deneysel verilerle uyumluluk gösterdiği gözlenmiştir.
Son olarak tez danışmanının daha önce danışmanlığını yaptığı tez çalışmasındaki matematik model geliştirilmiş, deney şartları için uygulanıp modelin uyumluluğu incelenmiştir. Matematik modelde deneysel verilerde olduğu gibi kolon salınımları, ortak tek bir frekansın olduğu sinüzoidal hareket yaparak gerçekleşmektedir. Matematik modelde basınç salınımları da yine deneysel verilerde gözlendiği gibi iki frekans altında gerçekleşmektedir. Birinci frekans salınım frekansı ile aynı çıkarken ikinci frekans ise birinci frekansın yaklaşık iki katı olarak hesaplanmıştır. Matematik model salınım eksenini hesaplamak da yetersiz kalmıştır. Bu noktada geliştirilmeye ihtiyaç duymaktadır.

Abstract:
Heat pipes are devices that working with the principle of heat convection and phase change of the refrigerant fluid. Because of the simplicity of construction, having no moving part and high capacity of heat transfer, these devices are preferred in several heat exchanger systems.
Oscillating heat pipes (OHP) are compact and efficient heat pipes that benefit from the oscillating flow. OHPs were invented in late 20th century and they are especially used in electronics. In this study, an alternative model of oscillating heat pipe is investigated. 
Design fundamentals of oscillating heat pipes are depend on various parameters. Refrigerant fluid, fluid flow in heat pipe (diameter of heat pipe), total number of meandering, orientation of heat pipe, filling ratio of heat pipe and total heat flux to condensation zone etc. effects thermal efficiency. Due to the complex characteristics of heat transfer and dynamic oscillating behavior inside oscillating heat pipes, experimental studies are needed for determining overall heat transfer coefficient of OHPs.
In this study, experimental setup was installed first to determine the overall heat transfer coefficient between condensation and evaporation zones. By changing the working pressures and heat flux, thermal and mechanical behavior of OHP is investigated both experimentally and theoretically. A mathematical model was applied cases in this study. The mathematical model was developed before by previous graduate thesis supervised by Dr. Özdemir. Minor changes was made to upgrade the mathematical model. The experimental setup used in this study, is upgraded version of the setup in ITU Faculty of Mechanical Engineering, Research Laboratory of Heat and Mass Transfer.
Experimental setup has similarities with closed end loop heat pipes. It has additional third liquid column which lead oscillating flow in this study. Setup has three interconnected columns called evaporator column, condenser column and compression column. Columns are made of heat-resistant glass of 35.2 mm in inner diameter. The glass columns are interconnected by brass tubes of 35.8 mm inner diameter. Heat input provided by DC power. A DC power supply is used to supply the electrical heater inside brass tube in evaporator column. Condensation is provided by the cooler tube, which is made of two concentric copper tube be supplied by constant temperature bath. Cooling water enters the inner tube, and leaves from the outer tube. Experiment installation, the liquid column makes it different from other third loop heat pipe. Compression column which differs the experimental setup from loop heat pipes, connected to a compression tank. Pressure of the compression tank can be adjusted by vacuum pump.
Experimental setup also consists 21 thermocouples for measuring temperatures on surfaces and cross sections. Furthermore, there is a piezo resistive pressure transmitter between condensation and evaporation columns in order to measure instantaneous pressure on vapor zone. Also there is a digital barometer to control pressure on compression tank. 
Phase transitions should be continuous on conventional heat pipes. So that their operating range is not flexible. If it exceeds operating range, all of working fluid turns into steam or fluid which makes heat pipe unable to work. In this study, due to the fact that tank pressure can be adjusted, it widen the operating range and differs this study from all other studies in the literature. Main goal of this thesis is investigating performance of oscillating heat pipe under different working both experimentally and theoretically. Furthermore, building a Nusselt correlation also depends on working pressure of OHP. 
Because of phase lag between the evaporation and condensation processes, liquid in the columns starts to oscillate. Oscillation causes heat transfer by convection. Amplitude of liquid level oscillation is in the order of 10 cm.
In the scope of this study, 18 experiments were made. Experiments were made under six different heat load and tank pressure. Three of tank pressure are below atmospheric pressure and rest of them are above atmospheric pressure. Three different heat load applied each pressure conditions during experiments. Filling ratio of the system was kept constant. However, as lack of DC supply some of liquid discharged in high pressured experiments.
All temperature and pressure data was collected by Keithley 2700 multimeter data acquisition system and saved by computer. A video camera record oscillating motions to measure instantaneous level of liquid columns. Videos were shot 33 frame per second. Liquid levels were determined for every frame with the help of a video tracker program. 
Oscillation curves of liquid columns, pressure curves of vapor zone, overall temperature of heater and cooler units, probe temperatures of liquid and vapor zones and overall heat transfer coefficients are determined for all experiments. Experiment #1 is chosen for sample experiment and all calculations are shown detailed in chapters. Rest of the results are represented in tables and charts.
 Fitted curves for liquid motion is determined with Fast Fourier Transform (FFT) analysis. The result of the FFT analysis, there is one frequency for oscillation motion. Within 18 experiments, frequencies are varied between 4,78 and 4,28 (rad/s). Largest frequency is obtained from highest heater power load (230 W) and smallest frequency is obtained from highest tank pressure (130 kPa). Fitted curves for pressure oscillations is also obtained by FFT analysis. Unlike the liquid columns, oscillation of the vapor pressure has two frequencies. Primary frequencies are obtained close to liquid oscillation frequency and secondary frequencies are obtained in the order of half value of primary frequencies. Variation of overall heat transfer with frequencies, tank pressure, overall temperature of heater and cooler units, probe temperatures investigated. Due to the fact that, all those parameters couldn't have given enough information for overall heat transfer coefficient, dimensional analysis was applied. 11 dimensionless number obtained. By algebraic manipulations with these numbers, number of dimensionless parameters reduced to 6 which are, Jakob, Weber, Bond, Prandtl, Equivalent Grashof and Kinetic Reynoldss numbers. These 6 number are considered important for the case because first 5 numbers are related with boiling and Kinetic Reynoldss number is related with oscillating motion.

Variation of 5 dimensionless parameters with Nusselt number is investigated and it was seemed that Nusselt number can be written as a function of the other dimensionless numbers. By multi-parameterized regression analysis, Nusselt correlation was found. Validation of Nusselt correlation with experimental data is found highly successful.
Finally. The mathematical model was applied all cases for this study and results are compared with experimental data. Coherent results were obtained from mathematical model.