U kesitli ayrık düşey kanatlarda doğal taşınımın deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of natural convection on seperated u shaped fin modules
Yazar: ŞEFİK CAN TOKGÖZ
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ÖZDEMİR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Doğal konveksiyon =  ; Doğal taşınım = Natural convection ; Isı geçişi katsayısı = Heat transfer coefficient

Özet:
Endüstrideki ısıtma ve soğutma uygulamalarının kullanıldığı birçok mühendislik sistemi doğal taşınım ile ısı geçişinden yararlanmaktadır. Doğal taşınım ile ısıtılan ve soğutulan sistemlerde, yeterli ısı geçişinin sağlanabilmesi için genellikle genişletilmiş yüzeyler kullanılmaktadır. Teknolojinin özellikle elektrikli cihazların gelişmesi ile birlikte, daha fazla ısıyı daha küçük alandan atma ihtiyacı, kullanılan kanatlı yapıların daha etkin tasarlanmasını gerektirmektedir.
Doğal taşınımla ısı geçişinin olduğu yüzeylerde, yoğunluk farkı sebebiyle hareket eden akışkan, yüzey ile arasında ısıl sınır tabaka oluşturmaktadır. Yükseklik boyunca ısıl sınır tabakanın gelişmesi, ısı taşınım katsayısının azalmasına ve kanatlardan geçen ısı miktarının düşmesine sebep olmaktadır. Endüstriyel uygulamalarda ısıl sınır tabakanın dağıtılarak ısı taşınım katsayısının arttırılması yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Kanatlar üzerine açılan kapakçıklar veya panjurlar bu prensibin kullanıldığı uygulamalardan bazılarıdır.
Bu tez çalışmasında, düşey konumdaki U kesitli kanatlar kullanılarak doğal taşınım deneyleri yapılmaktadır. Yapılan çalışmada, düşey olarak konumlandırılmış 2 adet U kesitli kanat modülü aralarında mesafe bırakılarak ısıtılmaktadır. Kanat modülleri arasında mesafe bırakılması, doğal taşınım ile meydana gelen ısıl sınır tabakanın iki kanat arasında bozulmasına ve üst kanatta tekrar gelişmeye başlamasına neden olmaktadır ve ortalama ısı taşınım katsayısını arttırmaktadır. Özellikle yüksekliği fazla olan kanatlarda yapılan böyle bir iyileştirme ile kanatlarda geçen toplam ısı azalmadan, malzeme ve ağırlıktan kazanç sağlanabilmektedir.
Deneylerde paralel güç kaynağı kullanılarak elektrikli ısıtıcılar ile alt ve üst kanat modüllerine aynı miktarda ısı verilmektedir. Kanat modüllerinin alüminyum malzemeden üretilmiş olması, modüller içerisinde sıcaklıkların birbirine yakın değerler almasına yol açmaktadır. Bu yüzden modül içerisindeki sıcaklık değerleri de sabit kabul edilmektedir. Ancak modüllerin ayrık olması, modüller arasındaki sıcaklıkların da farklı olmasına yol açmaktadır. Üst modül, alt modüle göre çok daha yüksek sıcaklıklara sahip olmaktadır. 
Bu çalışmadaki sıcaklık dağılımları incelendiğinde, elektrikli cihazlar gibi sabit ısı akısı olan yüzeylerin, alüminyum ve benzeri ısı iletim katsayısı yüksek olan kanatlı yapılarla soğutulduğu uygulamalara uygun bir deney modeli olmaktadır. 
Bu tez kapsamında, arka yüzeylerinden eşit miktarlarda ısı verilen ayrık kanat modülleri kullanılarak doğal taşınım deneyleri gerçekleştirilmiştir. Deneylerde üst ve alt kanat modüllerinin aralıkları 0 ile 25 mm arasında değiştirilmiştir. Ayrıca modül arkasından verilen ısı akıları değiştirilerek, kanat modüllerinden sıcaklıklar ve toplam ısı geçişi miktarları ölçülmüştür.
Yapılan deneylerde Rayleigh sayıları U kesitli kanalar için ısı akılarına göre hesaplanmaktadır ve 5 ile 50 arasında değerler almaktadır. Bu Rayleigh aralığında akış laminer olarak kabul edilmektedir. Farklı kanat modülleri arasındaki mesafe için ısı taşınım katsayıları ve Nusselt boyutsuz sayıları karşılaştırılmaktadır ve böylece kanat modülleri arasındaki mesafenin etkileri görülmektedir. Ayrıca kanat modülleri arasındaki mesafe bir parametre olarak boyutsuzlaştırılarak, yeni bir Nusselt korelasyonu geliştirilmektedir. Böylece geliştirilmiş olan Nusselt korelasyonu ile farklı kanat modülleri arasındaki mesafeler için de Nusselt sayısı ve ısı taşınım katsayısı öngörülebilmektedir.

Abstract:
Heating and cooling via natural convection are utilized in many types of industrial applications because of some advantages. The applications under natural convection are relatively trouble-free, noise-free and cost efficient compared to applications under forced convection. Extended surfaces are being used extensively on many types of applications under natural convection to provide additional free convection surface and supply adequate heat transfer. As a result of developments in technology and decreasing sizes of electrical devices, fin surfaces are required to design efficiently. Many works regarding to fin efficiency are being carried on by researchers and engineers.
U shapes channels have a lot of benefits, compared to other shapes in terms of heat transfer via natural convection. The heat convection coefficients of U shaped channels are lower than those of flat plates due to side restrictions, whereas, they have wider convection surfaces. Compared to enclosed ducts and parallel plates, U shaped channels have higher heat convection coefficients because of the horizontal inflow to the duct. 
During natural convection, temperature difference in fluid leads to occurrence of upward or downward flow and thermal boundary layer is developed on the surfaces. Thermal boundary layer is growing along the height, and as result, the heat transfer coefficient and total amount of heat dissipation decreases. 
One of the methods for increasing average heat convection is distortion of the boundary layer. There are many applications such as louvers which use this method.in the industry. 
This study was conducted in two stages. The aim of the first stage is to verify experimental apparatus and measurement system. Second stage's aim is to investigate the effects of module gap on heat transfer via natural convection. In the test apparatus, the fixture was made of wood in order to keep experiment parts at a constant position. The parts, including fin modules, heaters and insulations, were assembled on this fixture. Aluminum fin modules used in the experiments were produced by extrusion method. Their width is 84.4mm and there are nine U shaped channels. Channels' perimeter and mean fin space are measured and found as 80.8mm and 7.02mm. The fin modules were positioned vertically. Thus, the heat transfer experiments are conducted on vertical channels. 
During the experiments, parallel power supply provided the desired voltage difference between two junctions of resistance and heat was generated accordingly. The heaters were made by positioning the resistance wires between two mica plates. The vertical fin modules were attached facing the front surface of the heaters. Thick insulation plates were put to the back side of the heaters in order to decrease loss of heat. Therefore, most of the generated heat was transferred through to fin modules to ambient air.
Measurement system used in this study collected temperature, heat flux, voltage and current values. Firstly, voltage and current values were acquired at the end junctions of resistance at the end of each tests. Generated heat can be calculated by using these values. Secondly, the heat flux values were measure at the back side of heaters, consequently, loss of heat and heat transferred to air through fin modules are found. Temperatures were measured on the fin modules by inserting the thermocouples on fin and channel bases. Some thermocouples were placed on fin surfaces in three difference section. In additional, two small thermocouple wires were embedded inside small copper blocks and they were used for measuring ambient temperature. They were left hanging underneath the fin modules. 
At the first stage of the study, only one fin module with U shaped channels, which has a height of 200mm, were used in the experiments. 14 tests were conducted for different heat fluxes at this stage. Firstly, total heat dissipation from fin module were calculated for each test. Total heat transfer is the sum of natural convection and radiation. Temperature distributions along the height of module and fin length are presented in the thesis. They show that temperature values on fin module are close to each other and no temperature gradient can be observed significantly due to high thermal conductivity of aluminum. For these reasons, the fin module base temperature values are assumed to be constant and calculated by averaging. 
The fin surface temperature is slightly lower than base temperature, it has been taken into account for radiation calculation. The heat transfer via natural convection were calculated by subtracting the radiation heat transfer from total heat transfer. Then, Rayleigh and Nusselt dimensionless numbers are calculated and Rayleigh numbers in the experiments are between 6.5 and 50. It means that the flow is laminar. Finally, the results were compared to the correlations in the literature which have been used in U-shaped and laminar natural convection. Consequently, it is revealed that the experimental results are in a good agreement with the correlations; measurement system and calculation methods are verified.
At the second stage of the study, two identical aluminum fin modules were situated one above the other. They were separate and there was no connection between them. Fin positions could also be arranged so that the gap between the modules could be changed. In the experiments, the module system was tested for 5 different gap values, 0.0 mm, 7.5mm, 13.9mm, 19mm and 25mm. The aim of this stage is to investigate the effects of module gap on heat convection and to make a Nusselt correlation including the gap as variable.
In the two-module experiments, the modules were heated equally. Temperature distributions on fin modules were prepared and analyzed. For each fin module, the temperature distribution was uniform as it was for the one-module experiments. However, lower and upper modules had very different temperatures. The temperatures of upper module are higher than the lower module. Because the temperature of the air entry the fin zone of the upper module is higher than ambient temperature, for calculation the Rayleigh numbers the heat flux was used instead. Rayleigh and Nusselt numbers are calculated for whole fin module system based on experimental results. Then Nusselt correlations are drawn and compared for different module gaps. It can be shown that the Nusselt number values are increasing with the gap size. 
In conclusion, a new Nusselt number correlation has been derived including Rayleigh number and the gap number which is rendered dimensionless. Nusselt number correlation below can be used for this geometry and Rayleigh numbers between 6 and 20 which are calculated by using heat flux.
Nu_s=0.2359∙Ra^[0.3168∙(1-s/H)^(-0.9833)]
In this study the effect of module gap on heat transfer rate were examined for one fin geometry only. The results have shown that increasing the gap between fin modules helps to increase convection heat transfer rate. Many studies in literature have investigated the effect of vary fin geometric parameters on heat transfer rate. However, there is no study in the literature which examines the optimum fin geometric parameters for separate fin modules and different gap distance. As the results of this study, it can be recommended to consider the module gap as a parameter for optimization studies.