Mikrokanallı cihazlarda damlacık oluşturmak için iki-fazlı akış çalışma parametrelerinin optimizasyonu
Optimization of two-phase flow operating parameters for making droplets in microchannel devices
Yazar: BAHAR ÖZDEN
Danışman: DOÇ. DR. SELİS ÖNEL
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Mikroakışkan cihazlar, sistemin ve akışkan miktarının mikro ölçeğe kısıtlı olması sayesinde ucuz ve kolay kontrol edilebilir sistemlerdir. Bu cihazları kimya, biyoloji, tıp, mühendislik gibi disiplinler arası alanlarda kullanmak mümkündür. Mikroakışkan cihazlarda eş boyutlu damlacık üretimi son yıllarda yaygın olan çalışma konuları arasında yer almaktadır. Eş-boyutlu damlacıklar birbirleri ile karışmayan iki akışkan ile oluşturulabilir. İki fazlı akış oluşturmak için genel olarak yağ (sürekli faz) ve su veya sulu bir çözelti (dağınık faz) kullanılmaktadır. Kullanılan sürekli ve dağınık fazların akış hızını değiştirerek damlacıkların çapını kontrol etmek mümkündür.
Bu tez çalışmasının amacı farklı geometri ve boyutlara sahip mikroakışkan cihazlarda oluşturulan damlacık boyutlarının, sürekli ve dağınık faz oranları sabit tutularak, akış hızı ile olan ilişkisinin incelenmesidir. Çalışmalarda x-kavşak içeren basit Tip-1 mikroakışkan cihaz ile kavşağı takip eden hatta entegre edilmiş yardımcı yağ kanalı ve serpentin çıkış hattı içeren daha gelişmiş Tip-2 mikroakışkan cihaz kullanılmıştır. Cihazlarda ortak olarak 20:1 oranında yağ ve su akış hızları kullanılarak yağ içinde sulu damlacıklar üretilmiştir. 
Damlacık çapının, nozül genişliğinin yarısından fazlasını kapladığında, damlacık çapı arttıkça damlacıklar arası mesafenin azaldığı belirlenmiştir. Buna karşın damlacık çapının yaklaşık olarak nozül genişliğinin yarısından az olduğu durumda ise damlacık çapı arttıkça damlacıklar arası mesafenin arttığı tespit edilmiştir. Aynı x-kavşağa sahip olduğu halde Tip-1 cihaza göre daha gelişmiş cihaz olan Tip-2 cihazda üretilen damlacık çapının, Tip-1 cihazda üretilen damlacık çapına göre daha küçük olduğu belirlenmiştir. Aynı akış hızı kullanılarak iki cihazda farklı sonuç alınmasının sebebinin, Tip-2 cihazda karşılaşılan serpentin kısımdaki yola bağlı sürtünme ve dönüşlerden kaynaklanan kuvvet kayıpları ve ek basınç düşüşü ile ilgili olduğu gösterilmiştir.

Gelecek çalışmalar için iki fazlı sistem, ITO ısıtıcı ile ısıtılıp sulu damlacıkların yağ akışı içinde çözünmesi incelenmek istenmiştir. Mikroakışkan cihazın sadece serpentin bölgesi 40 oC'ye ısıtılarak damlacıkların çap değişimi incelenmiştir. Sıcaklık arttıkça yağ içinde çözünürlüğü artan sulu damlacıkların serpentin bölgesinde ilerlerken ortalama başlangıç çapının %10'u kadar küçüldüğü görülmüştür.

Abstract:
Microfluidic devices are inexpensive and controllable systems as the system and the amount of fluid are contrained to the micro-scale. It is possible to use these devices in interdisciplinary fields, such as chemistry, biology, medicine, and engineering. Monodispersed droplet production in microfluidic devices has been among the most popular study topics in the recent years. Monodispersed droplets can be formed with two immiscible fluids. In general, oil (continuous phase) and water or an aqueous solution (dispersed phase) are used to form two-phase flow. It is possible to control the diameters of the droplets by changing the flow rates of the continuous and dispersed phases.
The aim of this thesis study is to examine the relationship between the flow rate and the size of the droplets formed in microfluidic devices that have different geometries and dimensions by keeping the ratio of the continuous and dispersed phases constant. In the study, a simple microfluidic device with an x-junction, Type-1, and a more advanced microfluidic device, Type-2, with an auxiliary oil channel and a serpentine section integrated in the line following the x-junction were employed. Aqueous droplets in oil were produced in the devices by using oil and water flow rates with a ratio of 20:1.
It was determined that when the droplet diameter covers more than half of the nozzle width, the distance between the droplets decreases as the droplet diameter increases. On the other hand, in cases where the droplet diameter is less than half of the nozzle width, it was determined that the distance between the droplets increases as the droplet diameter increases. It was determined that the droplet diameter produced in the Type-2 device, which is a more advanced device compared to the Type-1 device, is smaller than the droplet diameter produced in the Type-1 device despite the fact that both devices have the same x-junction. It was shown that the reason for obtaining different results using the same flow rates was related to the force losses and additional pressure drop encountered in the Type-2 device due to road based friction and the turns in the serpentine section.
For future studies, it was desired to examine the dissolution of aqueous droplets in oil flow by heating the two-phase system with an ITO heater. The change in the diameter of the droplets was investigated by heating only the serpentine region in the microfluidic device to 40 oC. It was observed that the initial average diameter of aqueous droplets, whose solubility in oil increases as the temperature increases, decreased by 10% as they moved through the serpentine region.