Eksenel fan ve ısı kuyusu barındıran bir soğutma sisteminde hava akışının iyileştirilmesi
Improvement of the air flow in a cooling system including axial fan and heat sink
Yazar: EREN ABACI
Danışman: PROF. DR. SEYHAN ONBAŞIOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Soğutma, hayatın hemen hemen her yerinde karşılaşılan bir kavramdır. Bir bilgisayarda bulunan elektronik bir komponentin soğutulmasından bir odanın iç hacminin soğutulmasına kadar bu kavram ile iç içe olan birçok uygulama alanı mevcuttur. Bu uygulamaların her birindeki amaç aynıdır. Bu amaç, hedeflenen bölgeyi soğutmak, yani o bölgenin sıcaklığını düşürmektir. Fakat bir bölgenin soğutulma nedeni farklılıklar gösteren bir konudur. Örneğin bir buzdolabı, içinde bulunan gıdaların bozulmasının önüne geçilmesi için, bir fırında bulunan herhangi bir elektronik kart ise belirli bir sıcaklığın üzerine çıktığında düzgün çalışamadığı ve yanma durumu söz konusu olduğu için bir soğutma sistemine sahiptir.

Çok sayıda uygulama alanına sahip olan soğutma işlemi, hedeflenen bölgeye farklı şekillerde, farklı komponentler kullanılarak uygulanabilir. Örneğin bir buzdolabının iç hacminin soğutulmasında bir kompresörün, bir evaporatörün, bir kondenserin ve bir genişleme valfinin kullanıldığı, buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi olarak adlandırılan bir soğutma sistemi kullanılır. Bir bilgisayar kasasında ise içinden su akışı sağlanan borular, kasa içerisindeki elektronik ekipmanlar için bir soğutma sistemi olarak nitelendirilebilir.

Bahsedilen soğutma sistemleri dışında ısı borulu ısı kuyusu ve fan olmak üzere başlıca iki komponentin kullanıldığı başka bir soğutma sistemi daha mevcuttur. Bu soğutma sistemindeki amaç ısı borulu ısı kuyusunun temas halinde olduğu yüzeyin soğutulması, sıcaklığının düşürülmesidir.

Fan ve ısı borulu ısı kuyusundan oluşan bir soğutma sistemi, farklı cihazlarda farklı şekillerde kullanılabilir. Bu sistem, bir cihaz üzerinde nadiren de olsa ortama açık bir şekilde kullanılabildiği gibi, daha güvenli bir kullanım olması açısından giriş ve çıkış açıklıklarına sahip içi boş bir yapı içerisinde de kullanılabilir. Giriş açıklıkları fan için hava emme, çıkış açıklıkları ise hava basma olarak nitelendirilir. Fan, emme açıklıklarından havayı emer ve basma açıklıklarından dış ortama üfler.

Bahsedilen açıklıklar farklı boyut ve geometrilerde karşımıza çıkabilmektedir. Farklı alanlara ve şekillere sahip emme ve basma açıklıkları hava akışını direkt olarak etkilemektedirler. Bu durum göz önüne alınarak hava akışı ile ilgili debi ve homojen akış kavramları üzerinde durulmuştur. Her iki kavram da incelenip bir fan – ısı borulu ısı kuyusu soğutma sistemi için yorumlandığında, emme ve basma açıklıklarının, akışın homojen olup olmama durumu ve hava debisi üzerinde doğrudan bir etkiye sahip olduğu görülmüştür. Ayrıca yüksek hava debisinin ve homojen hava akışının soğutma performansını artırıcı yönde bir etkiye sahip olduğu sonucu çıkarılmıştır.

Tez kapsamında emme ve basma açıklıklarına sahip, soğutma sistemi olarak içerisinde bir fan ve bir ısı borulu ısı kuyusu barındıran bir yapı ele alınmıştır. Emme – basma açıklıklarındaki geometrik değişimlerin, hava akışının formuna (homojen olup olmama durumu) ve debisine olan etkileri sayısal ve deneysel olarak incelenmiştir. Akış iyileştirilerek soğutma performansını artırıcı yönde bir adım atılması hedeflenmiştir. Bu konu ve amaç göz önüne alınarak yapılan literatür araştırması sonucunda elde edilen akademik makalelerden özetle bahsedilmiş, bu akademik makalelerin debi ve akış formu hakkındaki çalışmaları vurgulanmıştır.

Tez kapsamında ilk olarak mevcut durum olarak nitelendirilen bir deney prototipinin rüzgar tünelinde debi ölçüm testi yapılmıştır. Bu prototip, 2 mm çapında deliklere sahip düz bir menfeze sahiptir. Bir fan ve bir ısı borulu ısı kuyusu soğutucu bölme adı verilen bir yapı içerisinde bulunur. Bu yapı tabana yakın bölgelerden yan kısımlardan hava çıkış açıklıklarına sahiptir. Numerik çalışmaları güvenilir kılması için gerçekleştirilen deneysel çalışma sonucunda elde edilen debi değeri 13.89 L/s olarak kaydedilmiştir. Bu değer kullanılarak akış hızı elde edilmiş, sonrasında da Reynold sayısı hesaplanmıştır. Sonuçta akışın türbülanslı bir yapıya sahip olduğu sonucuna varılmıştır.

ANSYS 17.2 ticari yazılımı kullanılarak gerçekleştirilen sayısal çalışmaların ilk aşamasını mevcut durumun sayısal analizi oluşturur. Bu analizin gerçekleştirilmesi sürecinde bir çözüm ağı bağımsızlığı çalışması yapılmış, çözüm ağı kalitesi kavramı detaylıca ele alınarak çözüm ağından kaynaklanan hataların sayısal analiz sonuçlarına olan etkisi minimize edilmiştir. Ayrıca, gerçekleştirilen tüm sayısal analizlerde SST k-omega türbülanslı akış modeli kullanılmıştır. Mevcut durumun sayısal analizi sonucunda elde edilen debi değeri 13.20 L/s olarak kaydedilmiştir.

Deneysel çalışma sonucunda elde edilen debi değeri ile sayısal analiz sonucunda elde edilen debi değeri kıyaslanmış, yaklaşık %4.97 bağıl hata ile sayısal validasyon sağlanmıştır. 

Mevcut durumun sayısal analizi sonucunda elde edilen eş hız eğrileri göz önüne alındığında homojen bir akışın mevcut olmadığı sonucuna ulaşılmıştır. Özellikle ısı borulu ısı kuyusunun kanatları arasından geçen hava akışının homojen bir yapıda olmadığı görülmüştür.

Tez kapsamında yapılan literatür araştırmaları ve mevcut durumun sayısal analiz sonuçları göz önüne alınmış, mevcut durum üzerinde 3 farklı değişiklik yapılmasına karar verilmiştir. Bu 3 parametre; menfez deliklerinin çapları, basma (üfleme) açıklıklarının sayısı ve yerleşimi ve menfez geometrisi olarak ifade edilmiştir. Menfez delik çapları 2 mm, 3 mm ve 3.5 mm olmak üzere 3 farklı düzeyde ele alınmıştır. Basma açıklıklarının sayısı ve yerleşimi ise ek basma alanı olarak tanımlanmıştır. Bu parametre; ek basma yarıklarının mevcut olmadığı durum ve basma alanını %18 ve %30 artıran ek basma yarıklarının mevcut olduğu durumlar olmak üzere 3 farklı düzeyde incelenmiştir. Son olarak menfez geometrisi ise düz ve bombeli olmak üzere 2 farklı düzeyde ele alınmıştır. 

Bahsedilen parametrelerin sahip olduğu düzeylerin kombinasyonları ile ortaya çıkan tüm olası durumlar tespit edilmiş, bu durumların sayısal analizleri gerçekleştirilmiştir. Tüm durumlar için elde edilen debi değerleri not edilmiştir. MINITAB 17 ticari yazılımının DOE (Design of Experiment) aracı kullanılarak parametrelerin hedef çıktı (debi) üzerindeki etkisi ayrı ayrı irdelenmiştir. Hangi parametrenin debi değerinde ne kadar artışa sebep olduğu 3 ayrı grafikle ifade edilmiştir.

En yüksek debi değerinin elde edildiği durum bombeli ve 3.5 mm delik çapına sahip menfezin kullanıldığı, %30 ek basma alanının mevcut olduğu durumdur. Sayısal analiz sonucunda bu durum için elde edilen debi değeri 18.14 L/s olarak kaydedilmiştir. Bu durumun eş hız eğrileri incelendiğinde mevcut duruma nazaran akışın hem daha hızlı, hem daha homojen bir yapıda olduğu görülmektedir.

Elde edilen sayısal analiz sonuçları göz önüne alınarak bombeli ve 3.5 mm delik çapına sahip menfezin kullanıldığı, %30 ek basma alanının mevcut olduğu durum son tasarım olarak seçilmiştir. Mevcut durumun ve son tasarımın eş hız eğrileri karşılıklı olarak kıyaslanmış, hız değerindeki artış gözlemlenmiştir. Öte yandan akışa daha homojen bir yapı kazandırıldığı da görülmüştür.

Sonuç olarak emme ve basma açıklıklarına sahip, soğutma sistemi olarak içerisinde bir fan ve bir ısı borulu ısı kuyusu barındıran bir soğutucu bölmenin emme – basma geometrilerindeki değişimin hava akışına önemli etkileri olduğu görülmüştür. Tez kapsamında bahsedilen geometrik değişiklikler yapılarak hava akışının formunda iyileştirme yapılmış ve hava debisi artırılmıştır. Yapılan çalışma, soğutma performansını artırıcı yönde bir etkiye sahiptir.

Abstract:
Cooling is a concept that is encountered almost everywhere in life. From the cooling of an electronic component in a computer to the cooling of the interior volume of a room, there are many applications that are intertwined with this concept. The purpose of each of these applications is the same. This aim is to cool the targeted region, that is to reduce the temperature of the region. But the reason for cooling a region is a matter of difference. For example, while a refrigerator is cooled to keep food fresh, any electronic card in a furnace has a cooling system because it does not work properly when the temperature rises above a certain temperature and the burning is about to occur.

The cooling process, which has a large number of application areas, can be applied to the target region in different ways using different components. For example, a refrigeration system is used which is called a vapor compression refrigeration cycle in which a compressor, an evaporator, a condenser and an expansion valve are used to cool the internal volume of a refrigerator. For instance, in a computer chassis, pipes with water flow inside can be described as a cooling system for electronic equipment in the case.

Apart from the mentioned cooling systems, there is another cooling system which uses mainly two components, heat sink with heat pipe and fan. The purpose of this cooling system is to reduce the temperature of the surface where the heat sink is in contact.

A cooling system consisting of fan and heat sink with heat pipe can be used in different ways in different devices. This system can be used on a device in an open space, rarely, or in a hollow structure with inlet and outlet openings for safer use. The inlet openings are referred to as air suction for the fan and the outlet openings as air discharge. The fan sucks air through the suction openings and outflows from the discharge openings.

Mentioned air openings may have different sizes and geometries. The suction and discharge openings with different areas and shapes directly affect the air flow. With this situation in mind, the concept of flow rate and homogeneous flow related to air flow is emphasized. When concepts have been studied and interpreted for a fan - heat sink with heat pipe cooling system, it has been found that the suction and discharge openings have a direct influence on the air flow rate and homogeneity of the flow. It has also been concluded that the high air flow and homogeneous air flow have a positive effect on cooling performance.

In the scope of the thesis, a structure with suction and discharge openings, a fan and a heat sink with heat pipe is considered as the cooling system. The effects of the geometric changes in the suction and discharge openings, the shape of the air flow (homogeneity or non - homogeneity) and the flow rate have been studied numerically and experimentally. It is aimed to take a step in improving the cooling performance by improving the flow. As a result of the literature survey made with the aim of this subject and purpose, the academic articles outlined are summarized and the studies about the flow rate and form of the flow of these academic articles are emphasized.

In the scope of the thesis, firstly flow measurement test was carried out in the wind tunnel of an experimental prototype, which is considered as the current situation. This prototype has a straight vent with 2 mm diameter holes. A fan and a heat sink with heat pipe are located within a structure called a cooler chamber. This structure has air outlet openings from the side parts near the base. As a result of the experimental work carried out to make numerical studies reliable, the flow rate obtained was recorded as 13.89 L / s. The velocity of flow was obtained by using this value, and then the Reynold number was calculated. The end result is that the flow has a turbulent structure.

The first step of numerical studies using ANSYS 17.2 commercial software is a numerical analysis of the current situation. In the process of realizing this analysis, a mesh independency study was carried out and the concept of mesh quality was examined in detail and the effect of errors caused by mesh on numerical analysis results was minimized. In addition, SST k-omega turbulence flow model was used for all numerical analyzes performed. The flow rate obtained as a result of the numerical analysis of the current situation is recorded as 13.20 L / s.

Numerical validation was achieved with a relative error of about 4.97%, compared with the flow rate obtained from the experimental study and the flow rate obtained from the numerical analysis.

Considering the velocity contours obtained as a result of the numerical analysis of the current situation, it is concluded that a homogeneous flow does not exist. Particularly, it has been observed that the flow of air through the fins of the heat sink with heat pipe does not have a homogeneous structure.

Based on the literature researches made in the scope of the thesis and the results of the numerical analysis of the current situation, it has been decided to make 3 different changes on the current situation. These 3 parameters are; the diameter of the vent holes, the number of outlet openings and their settlement and the geometry of the vent. The vent hole diameters are considered at 3 different levels: 2 mm, 3 mm and 3.5 mm. The number of outlet openings and their settlement is defined as the additional outlet area. The first level of this parameter is the absence of additional outlet slots. The other two levels are those involving additional outlet slots that increase the outlet area by 18% and 30%. Therefore, this parameter is examined at 3 different levels. Finally, the vent geometry is dealt with at two different levels, flat and curved.

All possible cases arising from combinations of the levels of said parameters have been determined and numerical analyzes of these cases have been carried out. The flow rates obtained for all cases are noted. The effects of the parameters on the target output (flow rate) were examined separately by using DOE (Design of Experiment) tool of MINITAB 17 commercial software. The amount of increase caused by the parametric changes in the flow rate is expressed in 3 different graphs.

The maximum flow rate is obtained when the curved vent with a hole diameter of 3.5 mm is used and there is an additional 30% outlet area. As a result of the numerical analysis, the flow rate obtained for this case was recorded as 18.14 L / s. When the velocity contours of this situation are examined, it is seen that the flow is both faster and more homogeneous than the current situation.

Considering the numerical analysis results obtained, the case was chosen as the final case with a curved vent with a hole diameter of 3.5 mm and a 30% additional outlet area. The velocity contours of the current situation and the final case are compared with each other, and an increase in the velocity value in the final case according to the current situation is observed. At the same time, it has been seen that the air flow is in a more homogeneous structure.

As a result, it has been found that the change in the suction – discharge geometry of a cooler compartment containing a fan and a heat sink with heat pipe as the cooling system with suction and discharge openings is significant for air flow. The geometric changes mentioned in the thesis have been made to improve the homogeneity of the air flow and the air flow rate has been increased. The work done has an effect on improving the cooling performance.