Eksenel fan ve ısı kuyusu barındıran bir soğutma sisteminde hava akışının iyileştirilmesi

Soğutma, hayatın hemen hemen her yerinde karşılaşılan bir kavramdır. Bir bilgisayarda bulunan elektronik bir komponentin soğutulmasından bir odanın iç hacminin soğutulmasına kadar bu kavram ile iç içe olan birçok uygulama alanı mevcuttur. Bu uygulamaların her birindeki amaç aynıdır. Bu amaç, hedeflenen bölgeyi soğutmak, yani o bölgenin sıcaklığını düşürmektir. Fakat bir bölgenin soğutulma nedeni farklılıklar gösteren bir konudur. Örneğin bir buzdolabı, içinde bulunan gıdaların bozulmasının önüne geçilmesi için, bir fırında bulunan herhangi bir elektronik kart ise belirli bir sıcaklığın üzerine çıktığında düzgün çalışamadığı ve yanma durumu söz konusu olduğu için bir soğutma sistemine sahiptir. Çok sayıda uygulama alanına sahip olan soğutma işlemi, hedeflenen bölgeye farklı şekillerde, farklı komponentler kullanılarak uygulanabilir. Örneğin bir buzdolabının iç hacminin soğutulmasında bir kompresörün, bir evaporatörün, bir kondenserin ve bir genişleme valfinin kullanıldığı, buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi olarak adlandırılan bir soğutma sistemi kullanılır. Bir bilgisayar kasasında ise içinden su akışı sağlanan borular, kasa içerisindeki elektronik ekipmanlar için bir soğutma sistemi olarak nitelendirilebilir. Bahsedilen soğutma sistemleri dışında ısı borulu ısı kuyusu ve fan olmak üzere başlıca iki komponentin kullanıldığı başka bir soğutma sistemi daha mevcuttur. Bu soğutma sistemindeki amaç ısı borulu ısı kuyusunun temas halinde olduğu yüzeyin soğutulması, sıcaklığının düşürülmesidir. Fan ve ısı borulu ısı kuyusundan oluşan bir soğutma sistemi, farklı cihazlarda farklı şekillerde kullanılabilir. Bu sistem, bir cihaz üzerinde nadiren de olsa ortama açık bir şekilde kullanılabildiği gibi, daha güvenli bir kullanım olması açısından giriş ve çıkış açıklıklarına sahip içi boş bir yapı içerisinde de kullanılabilir. Giriş açıklıkları fan için hava emme, çıkış açıklıkları ise hava basma olarak nitelendirilir. Fan, emme açıklıklarından havayı emer ve basma açıklıklarından dış ortama üfler. Bahsedilen açıklıklar farklı boyut ve geometrilerde karşımıza çıkabilmektedir. Farklı alanlara ve şekillere sahip emme ve basma açıklıkları hava akışını direkt olarak etkilemektedirler. Bu durum göz önüne alınarak hava akışı ile ilgili debi ve homojen akış kavramları üzerinde durulmuştur. Her iki kavram da incelenip bir fan – ısı borulu ısı kuyusu soğutma sistemi için yorumlandığında, emme ve basma açıklıklarının, akışın homojen olup olmama durumu ve hava debisi üzerinde doğrudan bir etkiye sahip olduğu görülmüştür. Ayrıca yüksek hava debisinin ve homojen hava akışının soğutma performansını artırıcı yönde bir etkiye sahip olduğu sonucu çıkarılmıştır. Tez kapsamında emme ve basma açıklıklarına sahip, soğutma sistemi olarak içerisinde bir fan ve bir ısı borulu ısı kuyusu barındıran bir yapı ele alınmıştır. Emme – basma açıklıklarındaki geometrik değişimlerin, hava akışının formuna (homojen olup olmama durumu) ve debisine olan etkileri sayısal ve deneysel olarak incelenmiştir. Akış iyileştirilerek soğutma performansını artırıcı yönde bir adım atılması hedeflenmiştir. Bu konu ve amaç göz önüne alınarak yapılan literatür araştırması sonucunda elde edilen akademik makalelerden özetle bahsedilmiş, bu akademik makalelerin debi ve akış formu hakkındaki çalışmaları vurgulanmıştır. Tez kapsamında ilk olarak mevcut durum olarak nitelendirilen bir deney prototipinin rüzgar tünelinde debi ölçüm testi yapılmıştır. Bu prototip, 2 mm çapında deliklere sahip düz bir menfeze sahiptir. Bir fan ve bir ısı borulu ısı kuyusu soğutucu bölme adı verilen bir yapı içerisinde bulunur. Bu yapı tabana yakın bölgelerden yan kısımlardan hava çıkış açıklıklarına sahiptir. Numerik çalışmaları güvenilir kılması için gerçekleştirilen deneysel çalışma sonucunda elde edilen debi değeri 13.89 L/s olarak kaydedilmiştir. Bu değer kullanılarak akış hızı elde edilmiş, sonrasında da Reynold sayısı hesaplanmıştır. Sonuçta akışın türbülanslı bir yapıya sahip olduğu sonucuna varılmıştır. ANSYS 17.2 ticari yazılımı kullanılarak gerçekleştirilen sayısal çalışmaların ilk aşamasını mevcut durumun sayısal analizi oluşturur. Bu analizin gerçekleştirilmesi sürecinde bir çözüm ağı bağımsızlığı çalışması yapılmış, çözüm ağı kalitesi kavramı detaylıca ele alınarak çözüm ağından kaynaklanan hataların sayısal analiz sonuçlarına olan etkisi minimize edilmiştir. Ayrıca, gerçekleştirilen tüm sayısal analizlerde SST k-omega türbülanslı akış modeli kullanılmıştır. Mevcut durumun sayısal analizi sonucunda elde edilen debi değeri 13.20 L/s olarak kaydedilmiştir. Deneysel çalışma sonucunda elde edilen debi değeri ile sayısal analiz sonucunda elde edilen debi değeri kıyaslanmış, yaklaşık %4.97 bağıl hata ile sayısal validasyon sağlanmıştır. Mevcut durumun sayısal analizi sonucunda elde edilen eş hız eğrileri göz önüne alındığında homojen bir akışın mevcut olmadığı sonucuna ulaşılmıştır. Özellikle ısı borulu ısı kuyusunun kanatları arasından geçen hava akışının homojen bir yapıda olmadığı görülmüştür. Tez kapsamında yapılan literatür araştırmaları ve mevcut durumun sayısal analiz sonuçları göz önüne alınmış, mevcut durum üzerinde 3 farklı değişiklik yapılmasına karar verilmiştir. Bu 3 parametre; menfez deliklerinin çapları, basma (üfleme) açıklıklarının sayısı ve yerleşimi ve menfez geometrisi olarak ifade edilmiştir. Menfez delik çapları 2 mm, 3 mm ve 3.5 mm olmak üzere 3 farklı düzeyde ele alınmıştır. Basma açıklıklarının sayısı ve yerleşimi ise ek basma alanı olarak tanımlanmıştır. Bu parametre; ek basma yarıklarının mevcut olmadığı durum ve basma alanını %18 ve %30 artıran ek basma yarıklarının mevcut olduğu durumlar olmak üzere 3 farklı düzeyde incelenmiştir. Son olarak menfez geometrisi ise düz ve bombeli olmak üzere 2 farklı düzeyde ele alınmıştır. Bahsedilen parametrelerin sahip olduğu düzeylerin kombinasyonları ile ortaya çıkan tüm olası durumlar tespit edilmiş, bu durumların sayısal analizleri gerçekleştirilmiştir. Tüm durumlar için elde edilen debi değerleri not edilmiştir. MINITAB 17 ticari yazılımının DOE (Design of Experiment) aracı kullanılarak parametrelerin hedef çıktı (debi) üzerindeki etkisi ayrı ayrı irdelenmiştir. Hangi parametrenin debi değerinde ne kadar artışa sebep olduğu 3 ayrı grafikle ifade edilmiştir. En yüksek debi değerinin elde edildiği durum bombeli ve 3.5 mm delik çapına sahip menfezin kullanıldığı, %30 ek basma alanının mevcut olduğu durumdur. Sayısal analiz sonucunda bu durum için elde edilen debi değeri 18.14 L/s olarak kaydedilmiştir. Bu durumun eş hız eğrileri incelendiğinde mevcut duruma nazaran akışın hem daha hızlı, hem daha homojen bir yapıda olduğu görülmektedir. Elde edilen sayısal analiz sonuçları göz önüne alınarak bombeli ve 3.5 mm delik çapına sahip menfezin kullanıldığı, %30 ek basma alanının mevcut olduğu durum son tasarım olarak seçilmiştir. Mevcut durumun ve son tasarımın eş hız eğrileri karşılıklı olarak kıyaslanmış, hız değerindeki artış gözlemlenmiştir. Öte yandan akışa daha homojen bir yapı kazandırıldığı da görülmüştür. Sonuç olarak emme ve basma açıklıklarına sahip, soğutma sistemi olarak içerisinde bir fan ve bir ısı borulu ısı kuyusu barındıran bir soğutucu bölmenin emme – basma geometrilerindeki değişimin hava akışına önemli etkileri olduğu görülmüştür. Tez kapsamında bahsedilen geometrik değişiklikler yapılarak hava akışının formunda iyileştirme yapılmış ve hava debisi artırılmıştır. Yapılan çalışma, soğutma performansını artırıcı yönde bir etkiye sahiptir.