Yapılandırılmış yüzeylerde nano akışkanların çekirdek havuz kaynama ısı transferinin deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of nucleate pool boiling heat transfer of nanofluids on structured surfaces
Yazar: CEMALETTİN YILDIRIM
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ DOĞAN ÇİLOĞLU
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, bakır ve paslanmaz çelik malzemeden yapılan düz ve mikro boyutta yapılandırılmış yüzeylere sahip test numuneleri üzerinde çekirdek havuz kaynama ısı transfer karakteristikleri deneysel olarak incelenmiştir. İş yapan akışkan olarak saf n-pentan ve farklı hacimsel konsantrasyonlarda (%0,05 ve %0,1) CuO-pentan nano akışkanı kullanılmıştır. Yapılandırılmış yüzeyler tel erozyon yöntemi kullanılarak 0,5 mm derinliğinde, 0,35 mm genişliğinde ve 1 mm aralıklı kanallar şeklinde üretilmiştir. Tüm deneyler atmosfer basıncı altında ve doymuş kaynama şartlarında gerçekleştirilmiştir. Deneylerde her bir güç adımında ölçülen akım, voltaj ve sıcaklık değerleri bir veri toplayıcı vasıtasıyla kaydedilmiştir. Bu değerler kullanılarak kaynama eğrileri çizilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, nano akışkan durumunda ısıtma yüzeyinde oluşan mikro tabaka nedeniyle kritik ısı akısı değerlerinde belirgin bir azalmanın olduğu tespit edilmiştir. Düz yüzeyli çelik numune ile kaynama deneylerinde nano akışkan durumunda ısı transferinde artış gözlenmiştir. Düşük nano partikül konsantrasyonlarında gerçekleşen bu artış nano partiküllerin kaotik hareketi nedeniyledir. Diğer taraftan, nano partikül konsantrasyonundaki artış ısı transfer katsayısını düşürmüştür. Bu durum, ısıtma yüzeyi üzerinde biriken nano partiküllerin sebep olduğu termal direnç ve düşük temas açısı nedeniyle aktif çekirdek site yoğunluğundaki azalmadan kaynaklanmıştır. Düz çelik yüzeyle karşılaştırıldığında yapılandırılmış yüzeyli çelik numunede ısı transferi azalmıştır. Yapılandırılmış bakır yüzey için ısı transferi kısmen artmıştır. Çelik test numunesi ile karşılaştırıldığında, bakır test numunesi için ısı transfer katsayısında belirgin bir artış gözlenmiştir. Sonuç olarak, ısıtma yüzeyi üzerinde gelişen buhar kabarcığına karşı olan yüzey sürtünme direnci ve değişen ısıtma yüzey özellikleri ısı transferini önemli ölçüde değiştirmiştir.

Abstract:
In this study, the nucleate pool boiling heat transfer characteristics on the test specimens with the smooth and the microstructured surfaces made of copper and stainless steel material were experimentally investigated. Pure pentane and CuO-pentane nanofluid with different volumetric concentrations (0.05 and 0.1vol.%) were used as the working fluid. The structured surfaces were produced as the groove of 0.5 mm depth, 0.35 mm width and 1 mm gap by using wire erosion method. All experiments were performed under the atmospheric pressure and in saturated boiling conditions. In the experiments, the measured current, voltage and temperature values for each power step were recorded by a data acquisition system. The boiling curves were drawn by using these values. According to the results, it was found that there was a significant decrease in the critical heat flux values in the case of nanofluid due to the microlayer formed on the heating surface. In the boiling experiments with the steel sample having the smooth surface, it was observed an increase in heat transfer in the case of nanofluid. This increase in low nanoparticle concentrations is due to the chaotic movement of the nanoparticles. On the other hand, an increase in the nanoparticle concentration decreased the heat transfer coefficient. This is due to the thermal resistance and the decrease in active nucleate site density due to the low contact angle caused by the nanoparticles deposited on the heating surface. Compared to the smooth surface, the heat transfer in the structured surface steel sample reduced. The heat transfer for the structured copper surface is relatively increased. In comparison with steel sample, an obvious increase in the heat transfer coefficient was observed for the copper test sample. In conclusion, the surface friction resistance against the vapor bubble developing on the heating surface and the modifying heating surface properties changed the heat transfer significantly.