Sprey soğutmada ısı ve akış karakteristiklerinin belirlenmesi
Determination of heat and flow characteristics in spray cooling
Yazar: FARUK YEŞİLDAL
Danışman: PROF. DR. KENAN YAKUT
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Sprey soğutma, yüksek ısı transfer kapasitesi gerektiren en etkin uygulamalardan biridir. Sprey kontrollü bir soğutma sağlar. Sprey soğutma esnasındaki ısı transfer mekanizması tam olarak anlaşılabilmiş değildir. Sprey soğutma birçok bağımsız parametreye bağlıdır. Bu nedenle öngörü imkanları oldukça sınırlıdır. Bu deneysel çalışma sprey soğutmaya henüz yeterince aydınlatılmamış bazı değerli bilgileri eklemek için yürütülmüştür. Bu çalışmada hava destekli nozulda sprey akış karakteristikleri CCD (Yüklenme iliştirilmiş araç) kamera ve korelasyonlarla elde edilmiştir. Jet çapı ve sprey açısı görüntü işleme ile, bozulma mesafesi ve Sauter Ortalama Çap (SMD) ise korelasyonlarla elde edilmiştir. Akış analizi sonuçlarına göre hava-sıvı kütlesel debi oranı (ALR) arttıkça SMD azalır ve daha üniform sprey elde edilir. İkinci aşamada altıgen kanatçıklı ısı alıcının kaynama olmayan rejimde ve sabit yüzey sıcaklığında sprey soğutma karakteristikleri incelenmiştir. Nozul-yüzey mesafesi, kanat yüksekliği, kanat genişliği, kanatlar arası x ve y yönündeki mesafeler, hava-su debileri ve sprey zamanının ısı transferine etkileri Taguchi deneysel tasarım yöntemi ile incelenmiştir. Nusselt sayısı performans istatistiği olarak dikkate alınmış ve 8 pa rametre için L18(21*37) ortogonal dizisi deney planı olarak seçilmiştir. Optimum sonuçlar 400 mm nozul-yüzey mesafesi, 10 mm kanat yüksekliği, 36 mm kanat genişliği, 15 mm kanatlar arası x yönündeki mesafe, 10 mm kanatlar arası y yönündeki mesafe, 3,6 m3/h hava debisi, 0,03 m3/h su debisi ve 5 s sprey zamanında tespit edilmiştir. Optimize edilmiş ısı alıcılarla yapılan deneyler sonucunda Nu sayısı, jet kalınlığı ve sprey açısı için korelasyonlar elde edilmiştir.

Abstract:
Spray cooling is one of the most effective technologies required for high heat transfer capacity. Spray provides controlled cooling. During the spray cooling heat transfer mechanism has not completely understood. Spray cooling depends on many independent parameters. Therefore, predictive capabilities are quite limited. This experimental study was carried out to add some valuable information to the spray cooling which is not yet enough elucidated. In this study, air-assisted nozzle flow characteristics were obtained by CCD (Charge-coupled device) camera and correlations. The jet diameter and spray angle determined via image processing and breakup length and SMD (Sauter Mean Diameter) obtained with correlations. According to the results of flow analysis while ALR (Air-liquid mass ratio) is increasing SMD is decreasing and more uniform spray was observed. At the second stage, the spray cooling parameters of hexagonal finned heat sink for non-boling regime and constant surface temperature were examined. The effects of the nozzle-surface distance, the heights and widths of the fins, horizontal and vertical distances between fins, air-water flow rates and spraying time on the heat transfer have been investigated by Taguchi experimental design method. Nusselt number considered as performance characteristics and L18(31*27) orthogonal array has been selected as an experimental plan for the eight parameters mentioned above. The optimized results have been found to be nozzle-surface distance of 400 mm, fin height of 10 mm, fin width of 36 mm, distance to x direction between fins of 15 mm, distance to y direction between fins of 10 mm, air flow rate of 3,6 m3/h, water flow rate of 0,03 m3/h and spraying time of 5 second. As a results of the experiments which carried out with optimized heat sink element, the Nusselt number, jet thickness and spray angle correlations were obtained.