Isı borularının modellenmesi ve optimizasyonu
Modeling and optimization of heat pipes
Yazar: MEHMED AKİF PAKSOY
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SALİH ÖZEN ÜNVERDİ
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Literatürde, ısı borusu tasarım parametrelerinin ısıl performans üzerindeki etkilerini inceleyen kısıtlı sayıda çalışma bulunmaktadır ve bu çalışmaları yapabilecek özelleştirilmiş bir model geliştirilmemiştir.
Literatürdeki bu eksiği gidermek amacıyla sinterlenmiş fitilli, silindir şekilli bakıs-su ısı boruları için iki model geliştirilmiştir. Birinci modelde evaporatör ve kondenser fitilinde ısı transferi ve basınç kaybı analitik olarak ifade edilerek fitilin eksenel yöndeki kalınlık profili optimize edilmiştir. Optimizasyon sonucunda; aynı basınç kaybı ve sıcaklık farkı için farklı fitil profilleri ile elde edilebilecek ısı transferi miktarlarının eşit olduğu ispatlanmış ve varyasyonlar hesabı ile bu fitil profilleri arasında en düşük ağırlığa sahip olanının sabit kalınlıklı fitil profili olduğu gösterilmiştir.
İlk modelde analitik sonuçlar üretebilmek ve varyasyonlar hesabı uygulayabilmek için arayüz eğriliği ile eksenel yöndeki ısı transferi ve sıcaklık farkları ihmal edilmiştir. Bu sebeple, bu termo-fiziksel mekanizmaları ve ısı borusu limitlerini de içeren böylece ısı borusu optimizasyonunu daha detaylı yapabilen ikinci model (IBOM) geliştirilmiştir. IBOM'un doğrulanması için dış çapı 6 mm, boyu 34 cm olan bakır-su ısı borusu ile normal çalışma şartlarında ve kılcal limitte deneyler yapılmıştır.
IBOM'un hesaplama zaman gereksinimi oldukça ekonomiktir. Bu sayede, ısı borusu tasarım ve çalışma parametrelerinin ısıl performans üzerindeki etkilerini anlamak ve tasarım değerlerini optimize etmek için birçok analiz yapılmıştır. Sonuç olarak, optimum eksenel fitil profili ile boru çapı, fitil parçacık çapı, evaporatör, adyabatik bölge ve kondenser uzunluklarının ısı borusu performansı üzerindeki etkileri bulunmuştur.

Abstract:
In the literature, there are a limited number of studies examining the effects of heat pipe design parameters on thermal performance, and a customized model to perform this task not presented yet. 
To resolve this deficiency in the literature, two models are developed for cylindrical copper-water heat pipes with sintered wick. In the first model, heat transfer and pressure loss in the evaporator and condenser wick are analyzed analytically and axial wick thickness profile is optimized. As a result of optimization, it is proved that for the same pressure loss and temperature difference, the amount of heat transfer that can be obtained with different wick profiles are equal and it is shown by calculus of variations that among these wick profiles, constant thickness profile is the one with the minimum weight.
In the first model, interface curvature and, heat transfer and temperature differences in axial direction are neglected to be able to develop analytical results and to apply calculus of variations. For this reason, second model (HPOM) including these thermo-physical mechanisms and heat pipe limits is developed, thus making the heat pipe optimization in more detail. In order to verify HPOM, steady-state experiments are carried out under normal conditions and at capillary limit with a copper-water heat pipe of 6 mm outer diameter, 34 cm length.
Computing time of HPOM is quite affordable. Thus, many analyses are done to study the effect of heat pipe design and operational parameters on thermal performance and to optimize design parameters. As a result, optimum axial wick profile and the effects of the pipe diameter, wick particle diameter, evaporator, adiabatic region, and condenser lengths on heat pipe performance are found.