Mikrokanallı ısı alıcılarında akan R134A'nın kaynamasının deneysel olarak araştırılması
Experimental investigation of the boiling of R134A flowing through microchannel heat sinks
Yazar: CANSU ÖZMAN
Danışman: DOÇ. DR. AHMET SELİM DALKILIÇ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Burada sunulmakta olan deneysel çalışmada, R134a soğutucu akışkanının mikrokanallı ısı alıcısından akarken kaynaması durumundaki ısı transferi incelenmektedir. Bakır bloktan üretilmiş olan ısı alıcısının üzerinde 0,470 mm derinliğe, 0,382 mm genişliğe, 0,416 mm kanat kalınlığına sahip 27 adet paralel dörtgen kesitli mikrokanal mevcuttur. Deneyler sırasında, akışkanın mikrokanallara giriş doyma sıcaklığı 18 °C, 23 °C ve 28 °C'de sabit tutulmuştur. Akışkanın kütle akısı ise 800 kg/m2s ile 1200 kg/m2s arasında değiştirilmiştir. Her bir deney şartında, mikrokanallardaki duvar ısı akısı 50 kW/m2 ile başlatılmıştır ve sistem kritik ısı akısına ulaşıncaya kadar (460 kW/m2) ısı akısı artırılmıştır. Tüm deney koşullarında mikrokanallar girişinde kuruluk derecesi 0,05 değerinde sabit tutulmuştur. 
Deneylerden elde edilen veriler ile kütle akısının, doyma sıcaklığının ve ısı akısının değişiminin ısı traşınım katsayına olan etkileri mevcut çalışmada sunulmaktadır. Ayrıca ısı akısı, kuruluk derecesi ve kütle akısının kendi arasındaki etkileşimi nedeniyle ortaya çıkan sonuçlar tartışılmaktadır. Elde edilen verilerden, düşük kuruluk derecelerinde ısı akısındaki artışın ısı taşınım katsayısının yükselişinde önemli rol oynadığı görülmektedir. Buna karşın kütle akısının etkisinin neredeyse ihmal edilebilir düzeyde olduğu belirlenmiştir. Isı akısının artışı ile ısı transfer mekanizmasında konvektif kaynama, çekirdekli kaynamadan daha baskın hale gelmeye başlamaktadır. Bu değişimden sonra, ısı taşınım katsayısı belirli bir eşik değerine kadar yükselen kuruluk derecesi ve kütle akısı ile birlikte artmaktadır. Her koşulda, ısı taşınım katsayısının, yükselen doyma sıcaklığı ile birlikte arttığı görülmektedir. Deneysel olarak elde edilen ısı taşınım katsayısı sonuçları, açık literatürde mevcut olan ısı taşınım katsayısı hesaplanması için önerilen eşitlikler ile karşılaştırılmıştır ve Mortada vd. tarafından önerilen eşitliğin en uygun sonuçları verdiği görülmüştür. Deney sonuçlarına dayanarak, yüksek kütle akısı ve ısı akısı şartlarında mikrokanallı ısı alıcısında R134a'nın akış kaynaması sırasında ısı taşınım katsayısının hesaplanabilmesi için yeni bir eşitlik türetilmiştir.

Abstract:
The present study reports on an experimental evaluation of flow boiling of R134a inside a microchannel heat sink. The copper test section consisted of 27 parallel rectangular channels with 0,470 mm depth, 0,382 mm width, 0,416 mm fin thickness and 40 mm length. The experiments were performed at saturation temperatures of 18 °C, 23 °C, and 28 °C, mass fluxes of 800 kg/m2s, 1000 kg/m2s and 1200 kg/m2s and constant vapor quality at the heat sink inlet at 0,05. The wall heat flux was increased from 50 kW/m2 until reaching critical heat flux and, maximum 460 kW/m2 was reached. 
With the collected data from the experiments, the effects of mass flow, heat flow, and saturation temperature and vapor quality on the convective heat transfer coefficient are emphasized and the reasons are discussed. At low vapor quality, heat flux plays a major role in increasing the convective heat transfer coefficient, while the effect of mass flux is negligible. With the rising heat flux, convective boiling begins to control the heat transfer mechanism and, the convective heat transfer coefficient increases with rising vapor quality and mass flux, until a dry-out point. In all conditions, high convective heat transfer coefficient is obtained for increased saturation temperature. In open literature, the correlation generated by Mortada et al. for convective heat transfer coefficient is the one that makes the most accurate prediction for the current study. 

Based on the experimental results, a correlation is generated to calculate the convective heat transfer coefficient for R134a flow boiling inside the microchannel at high mass and heat flux.