Mikro yapılı yüzeylerde gözenek çaplarının ve girinti aralıklarının parametrik olarak çekirdekli kaynama üzerinde deneysel incelenmesi
Experimental investigation of effect of pore diameter and reentrant cavity width on nucleate boiling in micro structured surface
Yazar: ALİ CAN İSPİR
Danışman: PROF. DR. SEYHAN ONBAŞIOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Kaynama en önemli faz değişim yöntemlerinden biri olup fiziksel yapısı oldukça karmaşıktır. Günümüzde enerji dönüşüm sistemlerinde, ısı pompalarından oluşan iklimlendirme sistemlerinde, elektronik soğutmasında ve buhar üretimi yapan ileri mühendislik yapıtlarında sıklıkla tercih edilmektedir. Sistemlerin enerji verimliliği açısından çeşitli kaynama ısı geçiş iyileştirme yöntemleri son yüzyılda birçok araştırmacının ortak çalışma konusu haline gelmiştir. Bu iyileştirme yöntemleri aktif ve pasif olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Dışardan bir etkinleştirme mekanizması ile kaynama ısı geçişine müdahale eden metodlar aktif yöntemler olarak, kaynama yüzey yapısı üzerinde bir takım değişimler yapan metodlar ise pasif yöntemler olarak incelenmektedir.
Pasif yöntemlerin kapsamında olan kaynama ısı geçişi iyileştirme yöntemlerinden biri de yüzey üzerine girintili kavite ve tünellerin yapılandırılmasıdır. Bu yapılar gözle görülebilir mertebede olduklarında yüzeyde ısı geçiş alanını arttırmalarının yanı sıra çekirdekli kaynama ısı geçiş mekanizmalarını da doğrudan etkilemektedirler. Birçok çalışma çekirdekli kaynama mekanizmasında kaynama ısı geçiş performansını doğrudan etkileyen çekirdeklenme yoğunluğu, aktif çekirdeklenme bölgeleri sayısı, çekirdeklenme frekansı, sıvının emilimi, buhar kabarcıklarının yüzeyden tahliyesi gibi performans olguları üzerinde iyileştirme sağlayacak yüzey yapıları geliştirmeyi amaç edinmişlerdir.
Çekirdekli kaynama ısı geçiş prosesinde buhar kabarcıkları yüzeyden uzaklaştırılırken yerlerine yeteri miktarda sıvı alınması en çok arzu edilen durumdur. Buhar kabarcıklarının yüzeyden uzaklaştırılamaması yüzey üzerinde kuruluğa ve kızdırma derecesinin ani artışına dolayısıyla ısı taşınım katsayısının düşümüne neden olurken fazla miktarda sıvının yüzeyde buhar kabarcığından boşalan yerlere hücum etmesi ısı akısını olumsuz yönde etkiler. Bu amaçla girintili kaviteli ve tünelli yapıların yanında doymuş sıvının veya kızgın buhar kabarcıklarının transportasyonu için gözenekli yapıların da kullanılması kaynama ısı geçişi için pozitif bir etki yaratmaktadır. Gözenekli yapılar bu bağlamda incelendiğinde yüzeye yeterli sıvı emilimi yapmak ve oluşan buhar kabarcıklarını yüzeyde birleşmelerinden önce yüzeyden uzaklaştırmak için uygun oldukları düşünülebilir.
Bu çalışmada girintili tünelli ve gözenekli yapıların boyutları parametrik olarak deneysel incelemeye tabi tutulmuştur. 1,5 mm ya da 2,0 mm gözenek çapına, 2 mm, 3 genişliğine sahip 3 kaynama yüzeyi, 3 mm tünel genişliğine sahip gözeneksiz kaynama yüzeyi ve herhangi bir işleme bulunmayan düz kaynama yüzeyi üzerinde ısı akısı, yüzey kızdırma derecesi, ısı taşınım katsayısı, çekirdeklenme davranışlarının belirlenmesi amacıyla havuz kaynama deneyi yapılmıştır. Bu yüzeyler geometrik
xxii
ölçülerine göre adlandırılmıştır: 1.5G-2.0A-30-30, 1.5G-3.0A-30-30, 2.0G-2.0A-30-30, 3.0A-30-30 ve DUZ-30-30. G harfi gözenek çapını, A harfi tünel aralığını, son iki sayı ise incelenen yüzeyin kesit ölçülerini mm cinsten ifade etmektedir.
Tasarlanan kaynama yüzeylerinin kaynamadaki ısı geçişini iyileştirmesi amacıyla gösterdikleri performans literatürde yer alan girintili kaviteli / tünelli ve gözenekli yapılarda yapılan çalışmalardaki sonuçlarla kıyaslanmıştır. En başarılı sonucu 1.5G-2.0A-30-30 yüzeyi göstermiştir. Bu yüzey üzerinde 120,91 kW/m2 ısı akısında yüzey kızdırma derecesi 7,4 C olarak ölçülürken, bu değer düz yüzey için 118,9 kW/m2'de 25,4 C'dir. Bu sonuç girintili tünelli ve gözenekli yapıların etkinliğini ön plana çıkarmaktadır.
Kaynama eğrisinde görüleceği üzre yüksek sıcaklıklara çıkıldıkça geçiş ve film kaynama bölgelerinin rejimleri görülmeye başlar. Bu bölgelerde yüzey üzerinde buhar tabakası birleşerek bir buhar yastığı meydana getirir. Sıvı yüzeye ne kadar çok yayılırsa yani temas açısı ne kadar düşük olursa ve sıvıya temas eden sıcak yüzey ne kadar fazla olursa faz değişimi o kadar hızlı gerçekleşir.
Havuz kaynamada ulaşılması mümkün olmayan yüzey kızdırma derecelerinde tasarlanan yüzeylerin yüksek sıcaklıkta ısıl performanslarını değerlendirme amacıyla su verme / damla düşüm deneyleri yapılarak yüzey üzerine damlayan damlacığın buharlaşma zamanı ölçülmüştür. TUBİTAK tarafından desteklenen "Buhar Kullanılan Cihazlarda Buhar Üretme ve Aktarma Sisteminin Enerji Verimliliğini Artırmaya Yönelik Tasarımı" adlı 115M403 nolu proje kapsamında incelenen ütü kaynama taban yüzeylerinin performansları ile kıyaslanmıştır. Bu karşılaştırmada ütü taban yüzeylerinden Alüminyum yüzey düşük yüzey sıcaklığında daha iyi sonuç verirken sıcaklık değeri arttıkça tasarlanan yüzeylerin performansları diğerlerinden daha üstün hale gelmiştir.

Abstract:
Boiling phase change process is one of the most efficient heat transfer methods and it is hard to understand physics of boiling mechanism. Boiling phase change process is often prefered in various energy conversation units, heat exchange systems, vapor generation mechanisms, heat pumps used in air conditioning systems and cooling of high heat energy density electronic components. In order to increase energy efficiency of the systems, there are a lot of research studies dealing with various boiling heat transfer enhancement techniques. The different enhancement techniques are examined in two groups: Active techniques and passive techniques. Active enhancement techniques involve boiling process externally requiring an external activator or power supply. In passive enhancement techniques, boiling heat transfer is improved by altering boiling surface structure and structure characteristics.
Nano/micro structures manufactured in MEMS (microelectro mechanical systems) techniques, covering with woven screens, surface structured with porous media, reentrant cavities and tunnel structures, wettability film covers are the subjects of passive enhancement methods. One of these methods is the structuring boiling surface with reentrant cavities / tunnels and pores. These structures may affect the nucleate boiling process also increase the heat transfer area when they can be seen. Many research studies aims to develop the boiling structures providing an enhancement on the parameter of boiling heat transfer mechanism such as bubble frequency, active nucleation site denstiy, replenishing of saturated liquid into surface and releasing of bubbles.
It is very desirable situation that enough amount of liquid is replenished while bubbles are released from boiling surface. When the bubbles cannot move away from the surface merging each other, it results in dry out of the surface. This causes the sudden increase of wall superheat and the sharp decrease of the heat transfer coefficient. On the other hand occupation of excessive amount of liquid occupy the cavities and tunnels in surface affect the performance boiling heat transfer adversely. For heat transfer performance, besides usage of reentrant cavity and tunnel structure for increasing active nucleation site denstiy, it is sensible to use pore structures on tunnels and cavities for transportation of saturated liquid or superheated vapor bubbles. Because it can be considered that pore structures appropriate to release vapor bubbles before merging and replenishing amount of liquid.
In this research, the effect of pore diameter and reentrant cavity width were examined in terms of boiling heat transfer in micro structured surfaces. Reference structure geometry was the flat and polished surface. Reentrant cavity width effect and pore diameter effect on the boiling heat transfer performance were examined and compared with the flat surface separately. Five boiling surface structured with pores and reentrant cavities / tunnels were designed, manufactured and investigated to determine pore diameter and width effect on nucleate boiling mechanism. The boiling surfaces are categorized and named according to geometric dimensions: 1.5G-2.0A-30-30, 1.5G-2.0A-30-30, 2.0G-2.0A-30-30. First column is defined as pore diameter in milimetric scale, secound column is reentrant cavity width in milimetric scale, third and fourth column are expressed as geometric dimension of the whole surface.
An experimental study was carried out in this study. Although there are many theoretical and numeric study for modelling boiling mechanisms, the studies were inadequate to predict and explain the physics of boiling mechanisms. Experimental studies are always the most reliable method to understand boiling heat transfer. In order to evaluate the performance of boiling heat transfer of the design structured surfaces, pool boiling experimental setup and droplet impingement experimental setup are designed and installed. In pool boiling experimental setup, the boiling surface is heated by two dc power supply units in fully water filled pool. The temperatures in system reach the steady state level in approximately half-two hours and the important measurements, calculations and observations can be held. The measurement can be done by the thermocouples in different location. One of the most important parameter for the performance is wall superheat which can be measured by thermo couples in subsurface. The heat flux transfered to boiling liquid is calculated by one dimension Fourier heat conduction equation. The boiling heat transfer coefficient which is the most important parameter, is calculated by the equation between heat flux and wall superheat. Nucleation behaviour and bubble formation during the boiling is observed by using high speed camera because it is hard to see by bare-eyes. The wall superheat cannot be reach very high levels because of safety and voltage limitation of dc power supply. So the behaviour and effect of the surfaces on the boiling heat transfer can be investigated in droplet impingement experiment setup at high temperature levels. In droplet impingement experimental setup, a liquid droplet is dropped and impinged on heated surface. The evaporation time of the liquid droplet is very significiant to determine the boiling heat transfer performance. To measure evaporation time, high speed camera can be best option to measure evaporation time of the droplet.
Five boiling surfaces were experimentally investigated and the informations about the boiling heat transfer performance of the surfaces were obtained in this study. First of all, it is very obvious that pore structures provided better performance for the boiling heat transfer enhancement when the surface of 1.5G-3.0A-30-30 compared with unpored 3.0A-30-30 surfaces.
The decrease of the reentrant cavity/tunnel width increased the heat transfer coefficient when the surfaces having same pore diameter were evaluated. The positive effect can not be explained only by increase of heat transfer area, but also the increment of the reentants provided new active nucleation sites. The increase of nucleation site density was observed in high speed camera medias. In addition, it was seen that bubbles moved to liquid level merging with each other and in the form of turbulent jet. This merging was happened just above the surface with the increase of heat flux. This situation caused the wall superheat increased and colour of surface darkened.
1.5G-2.0A-30-30 boiling surface showed the best heat transfer performance when it is compared with other structured surfaces. Lower reeantrant cavity with and pore structures provided high enhancement in boiling heat transfer. Decrease of reentrant cavity width increased the heat transfer area and active nucleation sides. Pores in surface helped replenishment of the liquid instead of departured vapour and made easier the release of bubbles.
The results of pool boiling experiments were compared with the results of reentrant cavity / tunnel structures in literature. The results of other studies are guide for the future studies to obtain better heat transfer performance of studied boiling surfaces such as structuring grooves inside the tunnels, decreasing the pore diameter, using porous media, using vertical tunnels addition to horizontal ones.
As it can be seen in boiling curve, transition and film boiling regime are seen at high temperature levels. In this regions, bubbles merge on the surface and create vapor film resulting in the sudden increase of wall superheat. The lower contact angle and the more superheated point to touch liquid cause to decrease evaporation time. In order to investigate heat transfer performance of the surfaces at high temperature levels in which it is hard to reach in pool boiling experimental setup, two selected surfaces were tested in droplet impingement experimental setup. The evaporation time of the droplets impinged on the surfaces compared with that of steam chamber surfaces of iron machine which is being examined as part of a scientific Project namely "Design of Steam Generators and Channels for The Steam Based Devices for Maximum Efficiency" funded by TUBITAK (The Scientific And Technological Research Council of Turkey). The reentrant cavity width effect was examined in these experiments. 1.5G-3.0A-30-30 and 1.5G-2.0A-30-30 were selected for the experiment. In the experiments, while Aluminium iron surface showed better performance at low surface temperatures, the studied surfaces performance were getting higher with the increase of temperature levels.