farklı hızlarda ve ısı akılarında kanatlı yüzeylerde ısı

5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye
FARKLI HIZLARDA VE ISI AKILARINDA KANATLI YÜZEYLERDE
ISI TRANSFERİNİN DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ
AN EXPERIMENTAL STUDY OF HEAT TRANSFER IN FINNED
SURFACES FOR DIFFERENT VALUES OF
AIR VELOCITY AND HEAT FLUX
Seçil ŞİRİN a, *, Kemal ALTINIŞIKb, Ali ATEŞc
* a, *
S. Ü., Müh.-Mim. Fak., Makina Müh. Böl., Konya, Türkiye, E-posta:sirin@selcuk.edu.tr
b
S. Ü., Müh.-Mim. Fak., Makina Müh. Böl., Konya, Türkiye, E-posta:kaltinisik@selcuk.edu.tr
c
S. Ü., Teknik Eğitim Fak., Makina Eğitimi Böl., Konya, Türkiye, E-posta:aates@selcuk.edu.tr
Özet
Deneysel olarak gerçekleştirilen bu çalışmada, bilgisayar
soğutucuları esas alınarak silindirik bir boru içerisine
yerleştirilen kanatçık dizilerinde; zorlanmış taşınım ile ısı
transferi incelendi. Bilgisayar soğutucularında olduğu gibi
bakır bir boru çevresine, etrafında radyal yönde kanatçıklı
yüzeyler bulunan alüminyum boru sıkı geçme ile geçirildi.
Bu şekilde oluşturulan konstrüksiyon deney borusunun
içerisine eş-eksenli olacak biçimde yerleştirildi. Bakır ve
alüminyum borularla kanatların, eni 30 mm ve kanat et
kalınlıkları 5 mm olarak seçildi. Bakır borunun iç yüzeyine
2
gücü 15-70 W/m arasında değişebilen bir elektrikli ısıtıcı
yerleştirilerek, sabit yüzey ısı akısı ile ısı transferi şartları
oluşturuldu. Kanatçıklara giriş ve çıkış konumundaki hava
sıcaklıkları ve kanat dibindeki sıcaklık termo elemanlarla
ölçüldü. Isıl güç 15-70 W/m2 arasında 5’er W/m2
aralıklarla, hava hızları ise 0,5-5 m/s arasında 0,5 m/s
aralıklarla değiştirilerek, deneyler yapıldı. Her bir ısı akısı
ve hız değeri için, elde edilen deneysel sonuçlar
kaydedildi. Bu değerlerden faydalanarak, kanatçıklardan
transfer edilen ısı miktarı, kanat verimi ve kanat etkenliği
hesaplandı. Yapılan değerlendirmede, hava hızının 2 m/s
ve ısıtıcının 15-70 W/m2 arasındaki tüm değerleri için,
kanatçıklardan taşınımla transfer edilen ısının; optimum
2
değerde olduğu görüldü. Ayrıca 15 W/m ’den küçük ısıl
güç değerleri ve 5 m/s’den büyük hava hızları için uygun
değerler elde edilemedi.
Anahtar kelimeler:
Zorlanmış taşınım
Kanatcıklı
yüzeyler,
Etkenlik,
Abstract
In this experimentally conducted study, heat transfer
through forced transmission in the fin series placed in a
cylindrical pipe was investigated on the basis of computer
coolants. As in the computer coolants, an aluminum pipe
having finned superficies in radial direction was placed
round a cupper pipe through tight fitting. The pipe was
placed in equiaxed way into the construction experiment
pipe created in this way. Cupper and aluminum pipes and
fin width were selected to be 30 mm while fin at thickness
were selected to be 5 mm. By placing an electrical heater,
2
the power of which could range from 15 to 70 W/m , into
inner superficies of the cupper pipe, constant surface heat
current and heat transfer conditions were created. Air
temperatures in the position of entrance and exit to fins
and those in fin bottoms were measured by thermo
© IATS’09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye
elements. Experiments were conducted by changing
2
2
thermal power in 5 W/m intervals from 15 W/m to 70
W/m2 and weather speed in 0,5m/s intervals between 0,5
and 5 m/s. Experiment results of each data couple
observed were recorded. In the light of the experiment
results, the amount of heat transferred from the fins, fin
efficiency, and fin effectiveness were calculated. In the
evaluation, the heat transferred from fins for all values
between air current velocity being 2 m/s and heater being
15-70 W/m2 was observed to be in optimum level.
2
Moreover, for the thermal values lower than 15 W/m and
air current velocity higher than 5 m/s, accurate levels
couldn’t be obtained.
Keywords: surfaces with fins, fin factors.
1. Giriş
Elektronik teknolojisindeki gelişmeler elektronik cihazların
kullanım sahalarının giderek yaygınlaşmasına neden oldu.
Bilindiği gibi elektronik sistemler çalışmaları esnasında ısı
yayarlar. Yayılan bu ısı nedeniyle, sistemin sıcaklığı artar.
Elektronik sistemlerin çalışma performansları sıcaklıkla çok
yakından ilişkilidir. Bu nedenle, soğutulmaları büyük önem
taşır. Soğutma işlemi için çeşitli yöntemler kullanılmaktadır.
Soğutucu akışkan olarak genellikle hava tercih edilir.
Genelde, doğal veya fan destekli olarak hava ile soğutma,
elektronik parçaların soğutulması için tercih edilen bir
yöntemdir. Elektronik bir devreyi doğal ortamda soğutmak
yetersiz kalıyorsa, soğutma yüzeyini arttırmak amacıyla
elektronik parça üzerine soğutucu kanatlar; ya da pimli
yüzeyler eklenebilir. Bazı durumlarda bu yöntem yeterli
soğutma sağlamayabilir. Bu durumda elektronik devrenin
bir fan aracılığı ile zorlanmış taşınımla soğutulması yönüne
gidilir. Bu çalışmada, bir fan aracılığı ile sisteme hava
gönderilerek, zorlanmış taşınımla kanat yüzeyinden ısı
transferi gerçekleştirildi.
2. Literatür Taraması
Juncu, G., (2007), arda arda iki silindir etrafında zorlanmış
konveksiyonla olan ısı transferini sayısal olarak inceledi ve
Silindir etrafındaki akışın kararlı ve laminer akış olduğu
kabul edildi. Bhowmik, H., Tso, C.P., Tou, K.W., (2005),
yaptıkları deneysel çalışmada, Duvarlardan birine, 4 adet
elektronik çip yerleştirilerek, düşey dikdörtgen kesitli bir
kanalda ısı transferini incelediler. Sultan G.I., (2000),
yaptıkları deneysel çalışmada, yatay bir kanalda çıkıntı
şeklinde yerleştirilen ısı kaynaklarının zorlanmış taşınımla
Şirin, S., Altınışık, K. ve Ateş, A.
olan ısı transferini inceledi. Sezai, I., Mohamad, A.A.,
(2000), çalışmalarında yatay durumda olan kapalı bir
kutunun tabanına gömülen dikdörtgen kesitli ayrık ısı
kaynağından, doğal taşınımla olan ısı transferini kararlı
rejimde sayısal olarak incelediler. Linhui, C., Hauizhang,
T., Yanzhong, L., Dongbin, Z., (2006), yaptıkları deneysel
çalışmada üzerine ayrık ısıtıcılar yerleştirilerek, çelik bir
plakada doğal taşınımla olan ısı transferini incelediler.
Avelar, A.C., Ganzarolli, M.M., (2004), yaptıkları deneysel
çalışmada, içinde açık paralel kanallar bulunan ve bu
kanalların bir duvarında çıkıntı şeklinde ısıtıcılar bulunan
dikey bir ortam kullanarak,kanat yüzeyinde sıcaklık
dağılımını deneysel ve sayısal olarak incelediler. Jin, L.F.,
Peles, Y., Koşar, A., Mishra C., (2005), çalışmalarında bir
yığın iğne kanatçığın üzerindeki ısı transferini ve basınç
düşümü olayını araştırdılar. Zhao, C. Y., Lu, T. J., (2002),
çalışmalarında mikro kanal ısı alıcı boyunca zorlanmış
konveksiyonla ısı transferini analitik ve sayısal olarak
incelediler.
3. Deneysel çalışma
Bu çalışmada,
bir masaüstü bilgisayar işlemcisinin
soğutulması için, kanatçıklı yüzeylerden oluşan soğutma
elemanı kullanıldı. Üzerinde radyal doğrultuda kanatçıklar
bulunan alüminyum bir boru, aynı uzunlukta ve bir tarafı
kapatılmış bakır boru üzerine sıkıca geçirildi. Bakır boru
içerisine, gücü bir varyak aracılığı ile ayarlanabilen ısıtıcı
rezistans yerleştirildi. Oluşturulan bu konstrüksiyon uzun
bir boru içerisine uygun bir şekilde konuldu. Bir fan
aracılığı ile boru içerisine hava gönderilerek, zorlanmış
taşınım şartları oluşturuldu. Fanın devir sayısı ayarlanarak
borudaki hava hızı 0.5 m/s ’den 5 m/s ’ye kadar 0.5 m/s
2
aralıklarla arttırıldı. Isı kaynağı 15-70 W/m aralıklarında,
2
her bir 5 W/m için, ısıl sensörler aracılığıyla kanatcıklara
havanın giriş ve hava çıkış sıcaklıkları ve kanat dibi
sıcaklığı ölçüldü. Hazırlanan Paskal programı yardımı ile
ortalama sıcaklıklar hesaplandı. Atmosfer basıncında kuru
havaya ait yoğunluk, ısı iletim katsayısı, dinamik viskozite
ve Prandtl sayısı doğrudan tablodan alındı.
Çalışmada kullanılan deney düzeneği şematik olarak Şekil
1’de gösterilmiştir. Deney düzeneği iki kısımdan
oluşmaktadır. Birinci kısım hız kontrol ünitesidir. İkinci
kısım ise ölçüm değerlerinin alındığı ve termo elemanların
yerleştirildiği dairesel kesitli alüminyum bir borudan
oluşmaktadır. Borunun uzunluğu 130 cm, çapı 90 mm’dir.
Kanatçıklı yüzeylerin bulunduğu eleman bu boru içerisine
yerleştirildi. Kanatçıklı yüzeylerin ısıtıldığı rezistansın ısı
gücü ayarlanabilen bir varyak tarafından sağlanmakdı.
Üzerinde kanatçıklı yüzeylerin bulunduğu taşıyıcı elemanın
deney borusu içerisine yerleştirilmiş hali Şekil 2’de
görülmektedir.
Şekil 1. Deney düzeneğinin şematik gösterimi
Şekil 2. Alüminyum boru içerisine yerleştirilmiş olan
kanatçıklı yüzeyler ve ısıtıcı.
Isı transferinin sadece radyal yönde olması amacıyla
üzerinde kanatcıklı yüzeylerin bulunduğu konstrüksiyonun
göbek kısmındaki ısıtıcının giriş ve çıkış bölümleri, içine
cam yünü yerleştirilmiş fiber malzeme ile yalıtıldı (Şekil 3).
Isı transferi, iç kısımdaki bakır borudan, onu çevreleyen
alüminyum
kanatçıklara
doğru
gerçekleşmektedir.
Transformatör, varyak aracılığıyla 0-90 W değerlerinde
çalıştırılabilmektedir. Bu devre ile ısı akısı istenen şekilde
ayarlanabilmektedir.
Şekil 3. Kanatcıklı yüzeyler
Devri ayarlanabilen bir fan tarafından dış boru aracılığı ile
kanatçıklara doğru hava gönderildi. Alüminyum dış
borunun çıkış bölümünde bulunan bir anemometre ile hava
hızı ölçüldü. Kanatlara girişte ve kanatlardan çıkışta hava
sıcaklıkları ile kanat dibi sıcaklığı sıcaklık sensörleri
aracılığı ile ölçülerek kaydedildi. Sensörlerden gelen
anolog sinyal işlem bölümüne ve daha sonra
anolog/sayısal çevirici kartlara iletilmektedir. Çevirici kartlar
bilgiyi sayısal hale getirerek bilgisayara aktarmaktadır.
Bilgisayar veriler doğrultusunda yapılan bilgisayar
programına uygun olarak hesaplama ve mantıksal işlemleri
yaparak sonuçları istenilen şekilde vermektedir.
3. Genişletilmiş yüzeylerde ısı transferi
Isı transferi istenen yerlerde ∆T sıcaklık farkı ve toplam ısı
transfer katsayısının artırılması bazen sınırlı kalır. Birim
hacim başına ısı transferini artırmak için hacimsel boyutları
büyütmeden ısı transferi yüzeyini artırmak sık uygulanan
başka bir yöntemdir. Bu amaçla yüzeyler üzerine çeşitli
formlarda kanatcıklar yerleştirilerek ısı transferi yüzeyi
artırılır. Kullanılan kanatcıkların bir boyutu diğer iki
boyutuna göre küçüktür. Kanatcıkların kesit alanları farklı
olabilir. Bazı durumlarda kanatcık ile yüzey malzemesi
farklı iki malzemeden oluşabilir. Farklı iki malzeme
kullanıldığı takdirde, ek bir ısıl direnç oluşturmaması için
Şirin, S., Altınışık, K. ve Ateş, A.
malzeme yüzeyle çok iyi bir şekilde kontakt durumuna
getirilmelidir.
Kanat yüzeyinden transfer edilen ısı miktarını bulabilmek
için kanatcık tipinin iyi belirlenmesi gerekir. Bu çalışmada
Şekil 4’te gösterilen form kullanılmıştır. Bakır ısının radyal
yönde daha çabuk yayılması için tercih edilmiştir.
Kanatların nispeten paralel konumda olmasını sağlamak
için kanat geometrisi eğri formda seçilmiştir. Kanatlar
zorlanmış taşınımla soğutulmaktadır ve kanat uçlarında da
taşınım ile ısı transferi gerçekleşmektedir.
Şekil 5. Kanat geometrisi
Buna göre denklem (1)’in sadeleşmiş hali eşitlik (4)’te
gösterilmiştir.
d 2T hP
(Ts − T∞ ) = 0
−
dx 2 kAc
(4)
Eşitlik (5), (6) ve (7)’de çözümü basitleştirmek için yapılan
değişken dönüşümleri görülmektedir.
θ 0 = T0 − T f
θ = Ts − T f
Şekil 4. Kanatcık ve ısıtıcı kesiti
m2 =
3.1. Sabit kesit alanlı kanatlarda taşınım ve iletimle ısı
geçişi
T (0) = Tb sıcaklığındaki
olup, T∞ sıcaklığındaki bir
Her bir kanat
taban yüzeyine
oturtulmuş
bulunmaktadır.
akışkan içinde
Genişletilmiş bir yüzeyde bir boyutlu enerji denkleminin
genel gösterimi eşitlik (1) de gösterilmektedir.
d 2T  1 dAc  dT  1 h dAs 

(Ts − T∞ ) = 0
+
−
dx 2  Ac dx  dx  As k dx 
(1)
İncelenen kanat için Ac sabit ve
As
As = Px olup,
tabandan x’e kadar olan yüzey alanı ve P kanadın çevre
uzunluğudur. Buna göre,
dAc / dx = 0
ve
dAs / dx = P
olmaktadır. P ve Ac Şekil 5’e göre, eşitlik (2) ve (3)’te
gösterilmektedir.
P = 2t + 2 z
Ac = z ⋅ t
(2)
(3)
hP
kAc
(5)
(6)
(7)
Eşitlik (5), (6) ve (7), eşitlik (4) ‘te yerine konulursa eşitlik
(8) ifadesi bulunur.
d 2θ
− m 2θ = 0
2
dx
(8)
Burada To kanat dibi sıcaklığı, Tf akışkan sıcaklığı ve k
kanat malzemesinin ısı iletim katsayısıdır. Diferansiyel
denklemin genel çözümü için
θ = e ax
(9)
olduğu kabul edilsin. Eşitlik (9)’da θ ’nın x’e göre iki defa
türevi alınır ve eşitlik (8)’de yerine yazılırsa eşitlik (10) elde
edilir.
(a
2
)
− m 2 e ax = 0
(10)
Buradan da, a = ± m yazılabilir. Buna göre (8)
diferansiyel denkleminin genel çözümü eşitlik (11)’de
gösterilmektedir.
θ = C1e mx + C 2 e − mx
(11)
Burada C1 ve C2 katsayıları sınır şartlarından
yararlanılarak hesaplanır. Burada, kanat ucundan taşınım
ile ısı geçişi vardır. Bu durumda sınır şartları eşitlik (12) ve
(13)’te gösterilmektedir.
Şirin, S., Altınışık, K. ve Ateş, A.
1. sınır şartı;
için
x=0
Böylece, Şekil 6’da gösterildiği gibi taşınım uçlu dikdörtgen
ve
T = T0
θ 0 = T0 − T f
(12)
bir kanadın verimi
L3c / 2 (h / kAp )
1/ 2
parametresinin bir
fonksiyonu olarak gösterilebilir.
2. sınır şartı;
x = L için,
h
 dT 

 = − (Ts − T f
k
 dx  x= L
)
(13)
h
sinh m(L − x )
km
h
cosh(mL ) +
sinh (mL )
km
(14)
Buradan;
cosh m(L − x ) +
θ = θo
elde edilir. Kanat ucundan akışkana geçen toplam ısı
eşitlik (15)’te gösterilmiştir.
h
cosh (mL )
km
q = h k P Aθ0
h
cosh (mL ) +
sinh (mL )
km
sinh (mL ) −
(15)
Kanat kullanımı, bir yüzeyden ısı geçişini artırmak için
etkin yüzey alanını artırmayı amaçlar. Bununla birlikte,
kanatın kendisi orijinal yüzeyden ısı geçişine bir iletim
direnci gösterir. Bu nedenle, kanat kullanımının ısı geçişini
mutlaka artıracağı önceden söylenemez. Bu husus kanat
etkenliği tanımlanarak değerlendirilebilir. Kanat etkenliği,
ε f , kanatlı halde geçen ısının kanatsız halde geçebilecek
ısıya oranı olarak tanımlanır ve eşitlik (16) ile gösterilmiştir.
εf =
(16)
hAc ,bθ b
3.3. Kanat verimi
Taşınım için en yüksek sıcaklık farkı, kanat dibi (x=0)
sıcaklığı ile akışkan arasındaki sıcaklık farkıdır,
θ b = Tb − T∞ .
Bu nedenle bir kanatın yayabileceği
enerjinin en yüksek değeri bütün kanat yüzeyi taban
sıcaklığında olduğu zaman gerçekleşecektir. Ancak bu
ideal bir durumdur ve kanat içinde bir sıcaklık değişimi her
zaman vardır. Bu düşünceden yola çıkarak kanat verimi
eşitlik (17) ve (18)’de gösterilmiştir.
tanh (mLc )
ηf =
mLc
 2h
mLc = 
 kA
 p
6
Dikdörtgen profilli düz
(Incropera, F. P, 2000)
kanatların
verimleri
3.4. Taşınım katsayısının belirlenmesi
Kanat yüzeyi boyunca ortalama ısı transfer katsayısını
bulmak için kanat, tabandan kanat yüzeyi boyunca sabit
sıcaklıkta ısıtıldığı kabul edilebilir. Buna göre, laminer
akışta lokal Nusselt sayısı eşitlik (19)’da gösterilmektedir.
3.2. Kanat etkenliği
qf
Şekil
(17)
Nu = 0.332 Re1 / 2 Pr 1 / 3
(19)
Burada Nu ve Re sayıları yerlerine yazılırsa eşitlik (20)
elde edilir.
1/ 2
hx ⋅ x
u⋅ρ ⋅x

= Nu x = 0.332 ⋅ 
k
 µ 
⋅ Pr 1 / 3
(20)
Buradan;
1/ 2
u⋅ρ ⋅x

hx = 0.332
 µ 
k 
⋅   ⋅ Pr 1 / 3
 x
(21)
Levha yüzeyi boyunca ortalama taşınım katsayısı eşitlik
(22) ile ifade edilmiştir.
L
1
h =   ∫ hx dx
L0
(22) bağıntısında
(22)
hx yerine
(21) ifadesi yazılır ve gerekli
ara işlemler yapılırsa eşitlik (23) elde edilir.
1/ 2
 k  u⋅ρ⋅L

h = 0.664   ⋅ 
L  µ 
Pr 1 / 3
(23)
4. Bulgular ve tartışma
1/ 2




L3c / 2
(18)
Verilen her bir ısı akısı değeri için, bu değer sabit kalmak
kaydıyla hava hızının 0,5 m/s’den 5 m/s’ye kadar 0,5 m/s
aralıklarla artan on farklı değeriyle çalışıldı ve sonuçlar
buna göre yorumlandı. 5 m/s’yi geçen hızlar için uygun
değerler tespit edilemedi.
Şirin, S., Altınışık, K. ve Ateş, A.
Hesaplanan kanatcıksız ve kanatcıklı yüzeylerden olan ısı
transferi değerleri ile farklı ısı akılarında ve hızlara göre
karşılaştırma yapıldı.
Şekil 7 ve 8’de görüldüğü gibi, kanatlardan ve kanatsız
alandan transfer edilen ısı, verilen her bir ısı akısı için, 2
m/s’ye kadar artmaktadır. Ancak 2 m/s’den sonra azaldığı
ve 5 m/s hıza kadar azalarak devam ettiği görülmektedir.
Aynı durum, Şekil 9 ve 10‘da Reynolds sayısının 2700 ve
3500 aralığı için de geçerlidir.
70
15 W
60
20 W
25 W
q (W)
50
30 W
40
35 W
40 W
30
45 W
20
50 W
55 W
10
60 W
0
0
1
2
3
4
5
6
Şekil 7. Kanatlardan transfer edilen ısının hıza göre
değişimi
15 W
1,4
20 W
1,2
25 W
q (W )
1
30 W
0,8
35 W
40 W
0,6
45 W
0,4
20 W
1
25 W
30 W
0.8
35 W
0.6
40 W
45 W
0.4
50 W
55 W
0.2
60 W
0
65 W
0
2000
4000
6000
8000
10000
70 W
Re
Şekil 10. Kanatcıksız alandan transfer edilen ısının
Reynolds sayısına göre değişimi
Akışkan ile katı cisim arasındaki ısı transferinde etken
olan faktörler zaman, ısı transfer yüzeyi, ısı taşınım
katsayısı, akışkan hızı, ısı iletim katsayısı ve akışkan
sıcaklığıdır. Bu çalışmada kanat yüzeyi sabit kalmaktadır.
Isı transferi akışkan moleküllerinin ısı transfer yüzeyi ile
teması sonucu gerçekleşir. Bu moleküllerin yoğunluğu
akışkan hızına bağlı olarak artmaktadır. Ancak belli bir hız
değerinden sonra temas süresi kısalacağından, hava
molekülleri ve katı cisim arasındaki ısı transferi miktarı
azalır.
Bu sonuç, ısı transferinin en fazla 2 m/s hızda
gerçekleştiğini göstermektedir. Genişletilmiş yüzeylerde
temel amaç, yüzey ve çevresindeki akışkan arasında ısı
geçişini arttırmaktır. 2 m/s hızda, hem kanatcıklardan
transfer edilen ısı, hem de kanatsız bölgelerden transfer
edilen ısı maksimumdur. Bu ise, optimum çalışma hızı
olarak nitelendirilebilir.
Toplam ısı transferinin, verilen ısı akısından farklı ve daha
küçük olduğu görülmektedir. Bu durum, beklenen bir
sonuçtur. Bunun nedeni, ısı kayıpları olarak açıklanabilir.
Isıtıcıya verilen ısı akısının bir bölümü içinde bulunduğu
alüminyum borudan dışarıya doğru geçmektedir.
50 W
0,2
55 W
0
60 W
0
1
2
3
4
5
6
hız (m/s)
70
veriminin
25 W
30 W
40
35 W
40 W
30
45 W
20
50 W
10
55 W
60 W
0
0
2000
4000
6000
Re
8000
10000
1/ 2
parametresinin bir fonksiyonudur. Şekil 11’de kanatcık
20 W
50
mLc = (2h / kAp ) L3c / 2
verimi,
70 W
15 W
60
Kanatcık
65 W
Şekil 8. Kanatsız bölgelerden transfer edilen ısının hıza
göre değişimi
q(kanatlı), W
15 W
1.2
65 W
70 W
hız (m/s)
1.4
q (kanatsız), W
Elde edilen deney verilerinden yola çıkılarak, Reynolds
sayısı, Nusselt sayısı, ısı taşınım katsayısı, kanatsız
bölgelerden transfer edilen ısı, bir kanatcıktan transfer
edilen ısı ve kanatcıklardan toplam transfer edilen ısı,
kanat etkenliği ve kanat verimi her bir deney için
hesaplandı.
65 W
70 W
Şekil 9. Kanatcıklardan transfer edilen ısının Reynolds
sayısına göre değişimi
mLc
ile değişimi gösterilmektedir. Şekil 6’da
gösterilen dikdörtgen profilli düz kanatların veriminin bu
parametreye göre değişimiyle uyumlu olduğu görüldü.
Ancak bu çalışmada
mLc
değeri, oldukça küçüktür.
Bunun nedeni, kanatcık boyutlarının çok küçük olmasıdır.
mLc
değeri 0,19-0,34 aralığındadır ve bu aralık için, verim
0,98’den başlamakta ve azalarak devam etmektedir. Bu
aralıkta, bütün ısı akıları için yaklaşık aynı değişim olduğu
görüldü. Bu da, Şekil 6 ile uyum içinde olduğunu
göstermektedir.
Şirin, S., Altınışık, K. ve Ateş, A.
T∞
t
u
z
µ
ρ
εf
ηf
Şekil 11. Kanatcık veriminin mLc ile değişimi
5. Sonuç ve öneriler
Deneysel olarak gerçekleştirilen bu çalışmada, bilgisayar
soğutucuları esas alınarak silindirik bir boru içerisine
yerleştirilen kanatçık dizilerinde; zorlanmış taşınım ile ısı
transferi incelendi ve elde edilen sonuçlar aşağıda
özetlendi.
•
•
•
•
Her bir ısı akısı için, hava hızının 0,5 m/s’den 5
m/s’ye kadar 0,5 m/s aralıklarla artan farklı
değerleriyle çalışıldı.
Kanatcıksız
ve kanatcıklı yüzeylerden olan ısı
transferi hesaplandı, farklı ısı akıları ve hızlara göre
mukayese edildi.
Kanatlardan ve kanatsız alandan transfer edilen ısı,
verilen her bir ısı akısı için, 2 m/s’ye kadar artarken 2
m/s’den sonra azaldığı ve 5 m/s hıza kadar azalarak
devam ettiği görülmektedir (Şekil 7-10).
Bu çalışmanın verileri ile literatürdeki benzer
çalışmalar mukayese edildiğinde sonuçların uyumlu
olduğu görüldü (Şekil 11).
Sonuç olarak; bu deneysel çalışmayla elektronik cihazların
soğutulmasında kullanılan kanatcıklı yüzeylerde ısı
transferinin belli bir hız değerine kadar arttığı, daha sonra
ise azaldığı görüldü. Yapılan bu çalışma diğer bu tür
çalışmalar için temel alınarak uygulanabileceği görüşüne
sahip olundu.
6. Sembol ve kısaltmalar
Ac
Ap
h
h
hx
k
L
Nu
Re
P
Pr
q
Tb
Kanat dibi alanı, m
2
Kanat profil alanı, m
2
2
Isı taşınım katsayısı, W/m ºC
2
Ortalama taşınım katsayısı, W/m ºC
Yerel taşınım katsayısı, W/m2ºC
Isı iletkenlik katsayısı, W/mºC
Kanat genişliği, m
Nusselt sayısı
Reynolds sayısı
Kanadın çevre uzunluğu, m
Prandtl sayısı
Isı akısı, W
Kanat dibi sıcaklığı, ºC
Akışkan sıcaklığı, ºC
Kanat kalınlığı, m
Akışkanın ortalama hızı, m/s
Kanat genişliği,m
Dinamik viskozite, kg/ms
3
Yoğunluk, kg/m
Kanat etkenliği
Kanat verimi
Kaynaklar
[1] Juncu, G., A Numerical Study of Momentum and
Forced Convection Heat Transfer Around Two Tandem
Circular Cylinders at Low Reynolds Numbers. Part II:
Forced Convection Heat Transfer, International Journal
of Heat and Mass Transfer, 50, 3799–3808, 2007.
[2] Bhowmik, H., Tso, C.P., Tou, K.W., Tan, F.L.,
Convection Heat Transfer From Discrete Heat Sources
in A Liquid Cooled Rectangular Channel, Applied
Thermal Engineering, 25, 2532–2542, 2005.
[3] Sultan, G.I., Enhancing Forced Convection Heat
Transfer From Multiple Protruding Heat Sources
Simulating Electronic Components in a Horizontal
Channel by Passive Cooling, Microelectronics Journal,
31, 773–779, 2000.
[4] Sezai, I., Mohamad, A.A., Natural Convection From a
Discrete Heat Source on The Bottom of a Horizontal
Enclosure, International Journal of Heat and Mass
Transfer, 43, 2257-2266, 2000.
[5] Tou, S.K.W., Zhang, X.F., Three-Dimensional
Numerical Simulation of Natural Convection in an
Inclined Liquid-Filled Enclosure With an Array of
Discrete Heaters, International Journal of Heat and
Mass Transfer, 46, 127–138, 2003.
[6] Avelar, A.C., Ganzarolli, M.M., Natural Convection in an
Array of Vertical Channels with Two-Dimensional Heat
Sources: Uniform and Non-Uniform Plate Heating, Heat
Transfer Engineering, 25(7):46–56, 2004.
[7] Peles, Y., Koşar, A., Mishra C., Kuo, C. J., Schneider,
B., Forced Convective Heat Transfer Across a Pin Fin
Micro Heat Sink, International Journal of Heat and
Mass Transfer, 48, 3615-3627, 2005.
[8] Zhao, C. Y., Lu, T. J., Analysis of Microchannel Heat
Sinks For Electronics Cooling, International Journal of
Heat and Mass Transfer, 45, 4857-4869, 2002.
[9] Altınışık, K., Isı Transferi, Nobel Yayın, Ankara, 2003
[10] Incropera, F. P., DeWitt, D. P., Isı ve Kütle Geçişinin
Temelleri, Literatür Yayıncılık, 2000.
[11]Azar, K., Thermal Measurements In Electronics
Cooling, Crc Pres, New York, 1997.