Mikrokanallı ısı transfer cihazlarının nanoakışkan kullanılarak sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of microchannels heat transfer devices by using nanofluids
Yazar: MEHMET YANARDAĞ
Danışman: PROF. DR. OĞUZ TURGUT
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Mikrokanallı ısı değiştiricisi küçük boyutları ve yüksek ısı transfer kapasitesi nedeniyle birçok farklı sektörde kullanılmaktadır. Bu çalışmada mikrokanallı ısı değiştiricileri için dalgalı serpantin yapısının ısıl performansı türbülanslı akış şartlarında sayısal olarak incelenmiştir. Çalışmada üç farklı (Standart k-ε, Realizable k-ε ve SST k-ω)  türbülans modeli kullanılmıştır. Akışkan olarak su ve Al2O3-su nanoakışkanı kullanılmıştır. Sayısal çalışma ANSYS Fluent paket programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Kullanılan mikro kanallı ısı değiştiricisinin kanal kesiti 1 mm x 1 mm'dir. Hız sınır şartı olarak akışkanın kanala üniform hız ile girdiği, kanal çıkışında ise akışkanın atmosfere çıktığı kabul edilmiştir. Isıl sınır şartı olarak kanalın alt yüzeyine sabit sıcaklık sınır şartı Ts=50°C, diğer yüzeylerine ise yalıtım sınır şartı uygulanmıştır. Akışkanın kanala giriş sıcaklığı 21°C olarak kabul edilmiştir. Çalışma Reynolds sayısının (Re) 200 ≤ Re ≤ 2500 aralığındaki değerlerinde ve Al2O3-su nanoakışkanın hacimsel yüzde oranının (HYO) %0 ≤ HYO ≤ %5 aralığında değişen değerlerinde olması durumlarında gerçekleştirilmiştir. Reynolds sayısının 10 farklı değerinde ve 7 farklı nanoakışkanın hacimsel konsantrasyonunda sayısal çalışma gerçekleştirilmiştir. Geleneksel su akışkanı ile Al2O3-su nanoakışkanın ısıl olarak ısı transfer katsayısı (h), Nusselt sayısı (Nu) ve fark basınç (ΔP) değerleri karşılaştırılmıştır. Sayısal çalışma sonuçları Standart k-ε türbülans modeli sonuçlarının literatür sonuçları ile uyumlu olduğunu göstermiştir. Çalışma sonuçları Reynolds sayısının ve nanoakışkanın hacimsel konsantrasyonun ısı transfer katsayısını, Nusselt sayısını ve sürtünme faktörünü etkilediğini göstermiştir. Dalgalı serpantininin yüzey alnının artırması ve akış içerisindeki ikinci akışların etkisini artırmasından dolayı düz serpantin mikrokanallı ısı değiştiricisine göre ısı transfer performansının iyileştiği saptanmıştır. Al2O3-su nanoakışkanın kullanılması ile ısı transferi katsayısının arttığı ve bunun yanı sıra, Reynolds sayısının artması ile ısı transferinin arttığı belirlenmiştir. Al2O3-su nanoakışkanının hacimsel yüzde değeri ve Reynolds sayısının artışı, toplam fark basıncını artırdığı tespit edilmiştir.

Abstract:
A microchannel heat exchanger is used in various industries due to its small size and high heat transfer capacity. In this study, the thermal performance of microchannel heat exchangers with a wavy serpentine structure was numerically investigated under turbulent flow conditions. Three different turbulence models (Standard k-ε, Realizable k-ε, and SST k-ω) were used. Water and Al2O3-water nanofluid were employed as the working fluids. The numerical analysis was conducted using the ANSYS Fluent software. The microchannel heat exchanger had a channel cross-section of 1 mm x 1 mm. It is assumed that the fluid enters the channel with a uniform velocity and the outlet condition was set as the fluid exiting to the atmosphere. For the thermal boundary condition, a fixed temperature condition of Ts=50°C was applied to the lower surface of the channel, while the other surfaces were assumed to be insulated. The inlet temperature of the fluid was 21°C. The study was performed for the Reynolds numbers (Re) ranging from 200 to 2500 and volumetric of fraction (vof) of Al2O3-water nanofluid ranging from 0% to 5%. Numerical simulations were conducted for 10 different Reynolds numbers and 7 different volumetric concentrations of nanofluid. The thermal performance parameters, including heat transfer coefficient (h), Nusselt number (Nu), and pressure drop (ΔP), were compared between the conventional water flow and the Al2O3-water nanofluid. The numerical results demonstrated that the results obtained using the Standard k-ε turbulence model were consistent with the literature. The study revealed that the Reynolds number and volumetric concentration of the nanofluid affected the heat transfer coefficient, Nusselt number, and friction factor. It was found that the wavy serpentine structure improved the heat transfer performance compared to the straight serpentine microchannel due to its increased surface area and the enhanced effect of secondary flows within the flow. Furthermore, it was determined that the use of Al2O3-water nanofluid increased the heat transfer coefficient and increasing Reynolds numbers enhanced the heat transfer. The study also identified that an increase in vof of Al2O3-water nanofluid and Reynolds number resulted in an increase in the total pressure drop.