Mikrokanallarda yüzey pürüzlülüğünün akış kaynama karakteristiklerine etkisinin incelenmesi
Investigation of surface roughness effect on flow boiling characteristics in microchannels
Yazar: İBRAHİM ATEŞ
Danışman: PROF. DR. BAYRAM ŞAHİN
Erzurum Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu doktora tez çalışmasında, çoklu mikrokanallarda başta yüzey pürüzlülüğü olmak üzere hidrolik çap, ısı akısı ve kütlesel akının akış kaynama ısı transferi ve basınç düşümü üzerindeki etkileri deneysel olarak incelenmiştir ve akış görüntüleme ile akış desenleri ortaya çıkarılmıştır.  Kanal genişlikleri, 300 µm, 500 µm ve 700 µm iken kanal yüksekliği 450 µm'dir. Deneylerde dört farklı yüzey pürüzlülük değeri kullanılmıştır. Yüzey pürüzlülüğü, ortalama yüzey pürüzlülük değeri (Ra) değeri ile karakterize edilmiş olup çalışılan yüzey pürüzlülük değerleri, 1-3.0 µm arasındadır. Deneylerde, iş akışkanı olarak saf su kullanılmıştır. Mikrokanallı ısı alıcının tabanından uygulanan ısı akısı 40-160 kW/m2 aralığında iken kütlesel akı aralığı 100-400 kg/m2s'dir. Deney sonuçlarına göre, düşük ısıl güçlerde pürüzlülük artışının ısı transfer katsayısını olumlu yönde etkilediği görülmüştür. Düşük ısıl güçlerde kanal içerisinde kabarcıklı kaynama rejimi görüldüğünden, pürüzlülük artışının kabarcıklanma odaklarını arttırarak kaynamalı akış ısı transferini %42'ye varan değerlerde arttırdığı görülmektedir. Yüksek ısı akılarında kanal içerisinde uzun kabarcıklı akış ve halkasal akış görülmesi pürüzlülük etkisini bastırmakta böylelikle pürüzlülüğün ısı transferi üzerindeki etkisi önemsiz hale gelmektedir. Yüksek kütlesel akı değerleri için düşük ısıl güçlerde basınç düşümünün yüzey pürüzlülüğü ile arttığı görülmüştür. Düşük kütlesel akı ve yüksek ısıl güçlerde yüzey pürüzlülüğünün basınç düşümü üzerindeki etkisi önemsiz hale gelmiştir. Yapılan deneyler sonucu elde edilen veri tabanı baz alınarak mikrokanallarda akış kaynama ısı transferi için yüzey pürüzlülüğünü ve yüzey arttırım faktörünü de içeren yeni bir bağıntı önerilmiştir. Önerilen bağıntının MAE değeri %10,9 iken tahmin ettiği verilerin %87,5, %97,7 ve %100'ü sırasıyla ± %20, ± %30 ve ± %40 hata bantları içerisinde yer almaktadır.

Abstract:
In this PhD thesis, the effects of surface roughness in particular, hydraulic diameter, heat flux and mass flux on flow boiling heat transfer and pressure drop in multiple microchannels, were experimentally investigated and flow patterns with flow visualisation were revealed. The channel widths are 300 µm, 500 µm and 700 µm, while the channel height is 450 µm. Four different surface roughness values were used in the experiments. The surface roughness is characterized by the average surface roughness (Ra) while the studied surface roughness values are between 1-3.0 µm. In experiments, deionized water was used as working fluid. While the heat flux applied from the bottom of the microchannel heat sink is in the range 40-160 kW/m2, the mass flux range is 100-400 kg/m2s. According to the experimental results, it was seen that the increase in roughness at low heat flux positively affects the heat transfer coefficient. It is observed that the increase in roughness increases flow boiling heat transfer up to 42% by increasing the nucleation sites as the nucleate boiling regime is observed in the channel at low heat flux. The presence of elongated bubbly flow and annular flow in the channel at high heat flux suppresses the roughness effect, thus the effect of the roughness on the heat transfer becomes insignificant. For high mass flux values, it was observed that the pressure drop at low heat flux increased with surface roughness. Based on the database obtained as a result of the experiments conducted in that study, a new correlation is proposed, including surface roughness and surface enhancement factor for flow boiling heat transfer coefficient in microchannels. 87.5%, 97.7% and 100% of the data estimated by the proposed correlation with the MAE value of 10.9% are within the error bands of ± 20%, ± 30% and ± 40% respectively.