Karışımlarla yüklü üniform olmayan yapıya sahip atımlı ısı borularının deneysel incelenmesi
Experimental investigation of non-uniform pulsating heat pipes charged with mixtures
Yazar: RAMAZAN VAROL
Danışman: DOÇ. DR. BURAK MARKAL
Recep Tayyip Erdoğan Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Isı boruları = Heat pipes ; Termal dayanıklılık = Tehermostability ; Üçlü karışımlar = Ternary mixtures

Özet:
Bu tez kapsamında, saf akışkanlar ve farklı hacimsel karışım oranlarında akışkanların ikili ve üçlü karışımlarıyla (ve/veya akışkan çiftleriyle) yüklenen üniform olmayan (tek bir döngüde değişken kesit alanına sahip) düz plakalı kapalı döngülü atımlı ısı borularında (FP-CLPHP) ısı transfer karakteristikleri ve akış olayları deneysel olarak incelenmiştir. Farklı hacimsel karışım oranları (MR), dolum oranları (FR), eğim açıları (IA), ısıl yük değerleri ve akışkan türleri için kapsamlı deneyler yapılmıştır. Ayrıca deneyler esnasında, ölçümlerle eş zamanlı olarak, yüksek hızlı kamera ile görüntü alınarak akış desenleri incelenmiş ve ilgili görüntüler fiziksel mekanizmanın irdelenmesinde kullanılmıştır. Deneyler kapsamında iki adet FP-CLPHP kullanılmıştır. Her bir ısı borusunda, bir döngüdeki paralel kanalların kesit değerleri birbirinden farklıdır. Bu tez, üç temel kısım olarak ele alınmıştır. Birinci kısımda, değişken paralel kanallara sahip (2mm x 2 mm ve 1 mm x 2 mm) atımlı ısı borusunun, farklı dolum oranı, karışım oranı ve eğim açısı koşulları altında deneysel incelenmesi yapılmıştır. İş akışkanı olarak etanol ve pentan ikili karışımları kullanılmıştır. Karışım oranındaki değişimin sonuçlar üzerinde önemli etkisi olduğu belirlenmiştir. E:P=1:3 formundaki iş akışkanı ile yüklü ısı borusu, hem düşük (FR=%30) hem de yüksek (FR=%60) dolum oranları için en iyi ısıl karakteristikleri sunmuştur. İkinci kısımda, birbirleri ile karışabilen ve karışamayan ikili akışkanlarla yüklenen üniform olmayan (2mm x 2 mm ve 1.5 mm x 2 mm) FP-CLPHP'nin, tek dolum oranında deneysel incelemesi yapılmıştır. İş akışkanı olarak hekzan, pentan ve metanolün tekil formları ve ikili karışımları kullanılmıştır. Farklı konumlarda (yatay ve dikey) ölçümler alınmıştır. Saf akışkanlar arasında, hekzan ve pentan benzer ısıl performans sunmuştur. Ancak metanol bu iki saf akışkana kıyasla daha iyi bir performans göstermiştir. MR=1:1 ve MR=4:1 için birbiriyle karışmayan akışkan çiftlerinin (metanol-hekzan ve pentan-metanol) ısıl performansı birbiriyle karışan akışkan çiftinin (hekzan-pentan karışımı) ısıl performansından daha yüksektir. En iyi ısıl performans, P:M=1:1 iş akışkanı ile yüklü ısı borusunda gözlemlenmiştir. Üçüncü kısımda ise üçlü karışımlarla yüklü asimetrik tasarımlı (2mm x 2 mm ve 1.5 mm x 2 mm) düz plakalı kapalı döngülü atımlı ısı borusunun, farklı dolum oranı, karışım oranı ve eğim açısındaki performansı deneysel olarak incelenmiştir. Su, metanol ve pentan olmak üzere üç akışkan dikkate alınmıştır. Her bir akışkanın saf hali de iş akışkanı olarak incelenmiştir. IA=90° konumunda, genel olarak, üçlü karışımlar saf akışkanlara kıyasla daha iyi ısıl performans göstermiştir. W:M:P=1:2:3 üçlü karışımı en yüksek ısıl performansı sunarken; en düşük ısıl performans W:M:P=1:0:0 (saf su) için elde edilmiştir. Her bir çalışma kapsamında, üniform olmayan kanallarda çalışma mekanizmasına etki eden dört önemli kuvvet tanımlanmıştır: (1) buharlaşma momentum kuvveti, (2) yüzey gerilme kuvveti, (3) kayma kuvveti ve (4) yer çekimi kuvveti.

Abstract:
In this thesis, heat transfer characteristics and flow phenomena of non-uniform (variable cross-sectional area in a turn) flat plate closed loop pulsating heat pipes (FP-CLPHPs) charged with pure fluids and binary and ternary mixtures (and/or fluid pairs) of fluids at different volumetric mixing ratios were experimentally investigated. Extensive experiments have been carried out for different volumetric mixing ratios (MR), filling ratios (FR), inclination angles (IA), heat loads and fluid types. In addition, during the experiments, flow images were taken with a high-speed camera simultaneously with the measurements, and the flow patterns were examined, and the relevant images were used to examine the physical mechanism. Two FP-CLPHPs were used in the experiments. In each heat pipe, the cross-sectional values of the parallel channels in a turn are different from each other. This thesis was divided into three main parts. In the first part, experimental investigation of pulsating heat pipe with variable parallel channels (2mm x 2mm and 1mm x 2mm) under different conditions of filling ratio, mixing ratio and inclination angle was conducted. Binary mixtures of ethanol and pentane were used as the working fluid. It was determined that the change in the mixing ratio had a significant effect on the results. The heat pipe charged with working fluid in the form of E:P=1:3 presented the best thermal characteristics for both low (FR=30%) and high (FR=60%) fill rates. In the second part, an experimental investigation of the non-uniform (2mm x 2mm and 1.5mm x 2mm) FP-CLPHP charged with miscible or immiscible binary fluids at a single filling ratio was conducted. Single forms and binary mixtures of hexane, pentane and methanol were used as working fluids. Measurements were taken at different positions (horizontal and vertical). Among the pure fluids, hexane and pentane presented similar thermal performance. However, methanol performed better than these two pure fluids. For MR=1:1 and MR=4:1, the thermal performance of the immiscible fluid pairs (methanol-hexane and pentane-methanol) was higher than the thermal performance of the miscible fluid pair (hexane-pentane mixture). The best thermal performance was observed in the heat pipe charged with the working fluid of P:M=1:1. In the third part, the performance of an asymmetrical designed (2mm x 2 mm and 1.5 mm x 2 mm) flat plate closed-loop pulsating heat pipe charged with ternary mixtures was experimentally investigated at different filling ratios, mixing ratios and inclination angles. Three fluids, water, methanol and pentane, were considered. The pure state of each fluid was also studied as a working fluid. At IA=90°, in general, ternary mixtures showed better thermal performance than the pure fluids. The ternary mixture of W:M:P=1:2:3 presented the highest thermal performance; while the lowest thermal performance was obtained for W:M:P=1:0:0 (pure water). Within the scope of each study, four important forces acting on the working mechanism in non-uniform channels were defined: (1) evaporative momentum force, (2) surface tension force, (3) shear force, and (4) gravity force.