Uzay uygulamalarında kullanılacak eksenel oluklu sabit iletkenlikli ısı borusu geliştirilmesi ve performansının incelenmesi
Development of axially grooved constant conductance heat pipes for space applications and its performance investigation
Yazar: CEM ÖMÜR
Danışman: PROF. DR. İLHAMİ HORUZ ; DR. AHMET BİLGE UYGUR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada uzay uygulamalarında kullanılacak eksenel oluklu sabit iletkenlikli ısı borusunun üretimi, geliştirilmesi ve performansının incelenmesi hedeflenmiştir. Bu amaçla, öncelikle oluklu silindirik ısı boruları için maksimum ısı taşıma kapasitesinin hesaplamasına yönelik bir matematiksel model geliştirilmiştir. Bu model, ısı borusunda sıvı-buhar arayüzünde oluşan kılcal basınç farkını, ısı borusu boyunca buhar ve sıvıda görülen basınç kayıplarını, buharlaştırıcı ve yoğuşturucu arasındaki sıcaklık düşüşünü, yapısal dayanım gereksinimlerini ve literatürde daha önce değinilmemiş olan ekstrüzyon ve elektro erozyon işleme (EEİ) kaynaklı kısıtları göz önünde bulundurmaktadır. Çalışmada ayrıca entegrasyon çalışmaları kapsamında yapılan; boru sonlandırma parçaları üretimi ve bunların ısı borusuna kaynatılması, dolum tüpünün krimplenmesi (sıkıştırılması), amonyak dolum düzeneğinin oluşturulması, helyum kaçak testleri ve amonyak dolumu çalışmaları da anlatılmıştır. Bunlarla birlikte çalışma kapsamında ısı borularının yapısal yeterliliklerini göstermek için yapılan dayanıklılık ve patlatma testlerinden bahsedilmiş, geliştirilen test düzeneği ve düzeneğin yetenekleri sayesinde ısı borusunun dayanıklılık ve patlatma basınçları belirlenmiştir. Ardından, ısı borusu maksimum ısı taşıma kapasitesini belirlemek için oluşturulan test düzeneği ve bu test düzeneğinde yapılan ısıl-çift ve ısıtıcı enstrümantasyonu anlatılmış, 3 farklı operasyon sıcaklığı için performans testi sürecinden bahsedilmiş ve bu sıcaklıklarda kurumanın hangi güç değerinde olduğu performans testleriyle tespit edilmiştir. Test sonrasında matematiksel modelden elde edilen ısı taşıma değerleri ile testte elde edilen değerler karşılaştırılmış, maksimum mutlak bağıl hatası %11,7 olarak hesaplamıştır. Tezin ilerleyen kısımlarında ise ekstrüzyon ve EEİ kısıtlarının ısı taşıma performansına etkisi ele alınmış, farklı operasyon sıcaklıkları ve boru çaplarında oluk geometrisi optimizasyonu yapılmıştır. Tüm bu elde edilenler ışığında tezin son bölümünde kütle ve ısı taşıma performansı baz alınarak, uydunun elektronik elemanlarında oluşan ısının uzaklaştırma problemi için hangi tip oluklu ısı borularının kullanılması gerektiği belirlenmiştir.

Abstract:
In this study, development, manufacturing and performance investigation of axially grooved constant conductance cylindrical heat pipes for space applications is aimed. For this purpose, a mathematical model is developed for the determination of maximum heat transport capacity which takes into account not only the capillary pressure difference created at the vapor-liquid interface, vapor and liquid pressure losses throughout the pipe, temperature drop between the evaporator and condenser, structural strength of the container but also the manufacturing limitations imposed by the current state of the art of extrusion and electro discharge machining (EDM) technology. In addition to the model, the fabrication of end cap and filling tube and their welding to the container, crimping of filling tube, construction of ammonia filling set-up, helium leak tests and the process of ammonia filling are explained within the scope of the thesis. In addition, the developed test set-up and procedures of proof and burst tests for the determination of proof and burst are explained which are performed in order to prove the structural integrity of heat pipe container. Furthermore, a novel test set-up in a thermal vacuum chamber and its instrumentation of thermocouples and heaters are presented for the determination of maximum heat transport capacity of heat pipes. With this set-up, a performance test is performed having three different operation temperature in which dry-out instants and corresponding heat loads are identified. After the test, the predictions of the model and the test results are compared and the maximum absolute relative percent error is calculated as 11.7%. Thereinafter, the effect of extrusion and EDM on the heat transport performance is investigated and groove geometry optimization is performed for different operating temperatures and outer pipe diameters. In the light of these, lastly, the utilization of grooved heat pipes for heat removal problem encountered in satellites based on mass and heat transport performance is done.