Dikdörtgen ve altıgen knatçıklı ısı alıcılarda ısı ve akış karakteristiklerinin deneysel ve teorik analizi
Experimental and theoretical analysis of heat and flow characteristics in rectangular and hexagonal heat sinks
Yazar: FARUK YEŞİLDAL
Danışman: DOÇ.DR. KENAN YAKUT
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2007
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Elektronik endüstrisinde, ısı degistiricilerinde ve nükleer reaktörlerin sogutulmasında ısınınsistemden transfer edilmesi kanatçıklarla yapılmaktadır. Özellikle elektronik cihazlarınsogutulması için yaygın olarak kullanılan yöntemlerin basında tasınımla ısı transferini artırankanatçıklı ısı alıcılar gelmektedir. Isı alıcılar yüzey alanını ve türbülansı artırarak isletmesıcaklıgını, dolayısıyla eklem sıcaklıgını düsürürler. Basit yapıları ve düsük maliyetlerinedeniyle düzlem, silindirik, altıgen vb. gibi konvansiyonel geometriye sahip kanatçıklı ısıalıcılar yaygın olarak kullanılmaktadır.Bu çalısmada, altıgen ve dikdörtgen kanatçıklı ısı alıcıları için daha önce Taguchi deneytasarımı ile L18(21*37) ortogonal dizisi kullanılarak bulunan ve ?Genel? olarak adlandırılanoptimum geometriye sahip altıgen ve dikdörtgen kanatçıklı elemanlarla deneylergerçeklestirildi. Isı transferi ve sürtünme karakteristikleri üzerine en etkili parametre olan kanatyüksekligi için altıgen ve dikdörtgen kanatçıklarla 10cm, 15cm ve 20 cm' de deneyler yapıldı.En etkin ikinci parametre olan akıs hızı için ise 5 ayrı hızda deneyler gerçeklestirildi. Deneylersonucunda ısı transferi ve sürtünme karakteristikleri Nu-Re ve f-Re grafikleri halinde sunuldu.Artan akıs hızı ve buna baglı olarak artan Reynolds sayılarında Nusselt sayısının arttıgı, aynızamanda da sürtünme katsayısının azaldıgı gözlendi. Artan kanatçık yüksekligi ile Nusseltsayısı azalmıstır. Dikdörtgen kanatçıklı elemanlarda Genel-1 de daha yüksek Nusselt sayıları,altıgen elemanlar için ise Genel-2 de daha yüksek Nusselt sayıları elde edildi. Genel elemanlariçin türbülans siddetleri incelendiginde deneyler ve literatürde kanat yüksekligi arttıkçatürbülans siddeti (Tu)'nin düstügü görüldü. Bu etki ısı transfer miktarı içerisinde türbülanstankaynaklanan oranın azaldıgı seklinde yorumlanmıstır. Elde edilen deneysel verilerle Nusseltsayısı ve sürtünme faktörü için özel kayıp fonksiyonu metodu kullanılarak korelasyonlarçıkarıldı. Daha sonra dikdörtgen ve altıgen kanatlar için I. kanun destekli artım verimi ve II.kanun destekli entropi artısı minimizasyonu analizleri yapıldı. Sonuçlar -Re ve Ns,a-Regrafikleri seklinde verildi. Artan Reynolds sayısıyla entropi olusum sayısı (Ns,a)'nın arttıgı veartım veriminin () düstügü görüldü.Anahtar kelimeler: ısı transferinin iyilesmesi, elektronik cihazların sogutulması, entropi artısıminimizasyon

Abstract:
In electronic industry, heat exchangers, and cooling of nuclear reactors, the fins are used forheat transfer from the system. Particularly, in order to cool the electronic devices, the mostcommon method is to use heat exchangers with fins that increase convective heat transfer. Heatexchangers reduce junction temperature by increasing turbulence and surface area, henceincreasing operation temperature. Due to simple structures and low costs, heat exchangers withfin having conventional geometry such as smooth, rectangular, cylindric, hexagonal etc. havebeen used commonly.In this study, experiments were carried out on the elements called as ?General? which wereexperimentally found as optimal geometry by Taguchi L18(21*37) orthogonal array for heatexchangers with hexagonal and rectangular fins. The height of fin found as the most effectiveparameter on heat transfer and friction characteristics. Thus, the experiments were made onhexagonal and rectangular fins with 10cm, 15cm 20 cm fin heights. For the flow rate which isthe most effective second parameter, the experiments in five different flow rates are carried out.In the result of the experiments, heat transfer and friction characteristics have been submitted asin Nu-Re and f-Re graphics. It was observed that, with increasing flow rate, the number ofNusselt also increase, and that, at the same time, friction coefficient reduce. With increasingfin?s height the number of Nusselt reduce. In the elements with rectangular fins, higher Nusseltnumbers were obtained in General-1 and for hexagonal elements the higher Nusselt numberswere obtained in General II. When the turbulence intensity for general elements were examined,both in the literature and experiments, it was observed that the intensity of turbulence reducedas the height of fin increased. This effect is interpreted as the reduction of the rate deriving fromturbulence in heat transfer amount. With experimental data obtained loss function method wasused for Nusselt number and friction factor, and correlations were found out. After that, forrectangular and hexagonal fins, enhancement efficiency with first law supported and entropygeneration minimization analysis with second law supported were carried. The conclusions aregiven as in the graphics of -Re and Ns,a-Re. It was found out that the number of entropygeneration (Ns,a) increase and the enhancement efficiency() decrease with increasing ReynoldsNumber.Keywords: heat transfer enhancement, electronics cooling, entropy generation minimization