Üç kolonlu titreşimli ısı borusunun farklı çalışma basınçlarında deneysel olarak incelenmesi

Isı boruları, taşınımla ısı geçişi ve sıvı-buhar hal değişimi ilkelerinden faydalanılarak ısı geçişini sağlayan cihazlardır. Basit yapılı olmaları, içersinde hareketli parça bulundurmamaları ve yüksek ısı geçiş kapasiteleri nedeniyle birçok ısı değiştiricisi sistemlerinde tercih edilmektedir. Bu çalışmada, 20. Yüzyılın sonlarında keşfedilen titreşimli ısı borularının(TIB) alternatif bir modeli incelenmiştir. Titreşimli akışta ısı geçişinden faydalanan bu cihazlar, özellikle minyatür yapıda olabilmeleri, ısıl iletkenliklerinin yüksek olması ve bakım maliyetlerinin düşük olması nedeni ile elektronik cihazlar için tercih edilmektedirler. Titreşimli ısı borularının tasarımı birçok parametreye bağlıdır. Bu cihazların ısıl verimi, soğutucu akışkana, soğutucu akışkanın boru içindeki akışı dolayısıyla boru çapına, ısı borusundaki kıvrım sayısına (total number of meanderin), ısı borusunun yatay veya dikey konumuna, soğutucu akışkanın doldurulma oranına (filling ratio), çalışma koşullarındaki ısıl yüke vb. gibi birçok parametreye bağlıdır. Olayın mekanik ve termodinamik açıdan karmaşıklığı nedeniyle titreşimli ısı borularında ortalama ısı geçişi hesabı için deneysel çalışmalara ihtiyaç duyulmuştur. Bu çalışmada öncelikle farklı çalışma basınçlarında titreşimli ısı borusununda kaynama bölgesinden yoğuşma bölgesine ısı geçişini incelemek için deney tesisatı hazırlanmıştır. Daha sonra ısıtıcı gücü ve çalışma basıncı değiştirilerek, titreşimli ısı borusunun performansı deneysel ve teorik olarak incelenmiş, Deney verileri oluşturulan matematik modelle kıyaslanmıştır. Çalışmada kullanılan deney düzeneği, İTÜ Isı ve Kütle Geçişi Araştırma Laboratuvarında bulunan üç kolonlu titreşimli ısı borusu düzeneğinin geliştirilmesi ile elde edilmiştir. Bu çalışmada döngülü ısı borusu olarak bilinen (loop heat pipe) ısı borusu modeline üçüncü bir kolon eklenmiş ve bu sayede salınımlı akış sağlanmıştır. Çalışmadaki deney düzeneği temel olarak kaynama, yoğuşma ve basınçlandırma kolonu olarak adlandırılan ve birbirlerine pirinç borular ile bağlı, ısıya dayanıklı cam borulardan oluşmaktadır. Deney düzeneğine ısı girişi, kaynama kolonunda bulunan bakır ısıtıcı ünite üzerinden gerçekleşmektedir. Isıtıcı ünitenin içeresinde bulunan rezistans, doğru akım kaynağı ile beslenmektedir. Yoğuşma ise yoğuşma kolon içerisinde dolaşan soğutma suyu sayesinde gerçekleşmektedir. Soğutma suyu sabit sıcaklık banyosu tarafından beslenmektedir. Düzeneği diğer döngülü ısı borularından ayıran üçüncü sıvı kolonuna bağlı basınçlı tank ile sistemin çalışma basıncı ayarlanabilmektedir. Tank basıncı ise bir vakum pompası ile ayarlanmaktadır. Deney düzeneğinde ayrıca kesit ve yüzeylerdeki sıcaklık değerlerinin takibi için 21 adet termoeleman bulunmaktadır. Ayrıca buhar kısmındaki basıncın anlık takibi için de bir adet basınç transmitteri bulunmaktadır. Hava tankındaki basınç kontrolü için de dijital barometre bulunmaktadır. Konvansiyonel ısı borularında faz değişiminin daimi olması gerekir. Bu nedenle de çalışma aralıkları sabittir ve bu aralığın dışına çıkıldığında tamamen sıvı veya gaz fazına geçen akışkan ısı borusunun çalışmasını engellemektedir. Tank basıncının ayarlanabilir olması, bu çalışmadaki ısı borusunun çalışma aralığını genişletmiştir ve yapılan diğer tüm çalışmalardan farklı kılmıştır. Bu çalışmadaki amaç, farklı çalışma basınçları altında titreşimli ısı borularının performansını deneysel ve teorik olarak incelemek ve titreşimli ısı boruları için çalıştıkları ortam basıncına da bağlı olarak Nusselt korelasyonu oluşturmaktır. Bu çalışma kapsamında 18 adet deney yapılmıştır. Deneyler üçü atmosfer basıncının altında, üçü de üstünde olmak üzere altı farklı çalışma basıncında gerçekleştirilmiştir. Altı farklı basınçta yapılan deneylerin üçü atmosfer basıncının altında (vakum), diğer üçü de üstündedir. Her bir basınç için üç farklı ısıtıcı gücünde deneyler yapılmıştır. Bu deneylerde tesisat içindeki kütle sabittir. Ancak basınç altında yapılan deneylerde, ısıtıcı gücünün yetersiz kalmasından dolayı tesisattaki su kütlesinin azaltılması gerekmiştir. Tüm sıcaklık ve basınç değerlerinden alınan veriler Keithley 2700 multimetre ile okunmuş ve bilgisayara kaydedilmiştir. Kolonlardaki anlık yükseklikler için ise video kamerayla kayıt yapılmış, her bir saniye 33 kareye bölünmüş ve bu kayıtlar Tracker adlı görüntü takip programı yardımıyla işlenmiştir. Her bir deney için toplam kütle hesabı, kolonların salınım denklemleri, buhar basıncı salınım denklemleri, ısıtıcı ünite, soğutucu ünite, buhar ve sıvı bölgelerindeki prop sıcaklıkları gösterilmiş ve ortalama ısı geçiş katsayısı hesaplanmıştır. Örnek deney olarak seçilen Deney 1 için hesaplamalar ayrıntılı bir biçimde gösterilmiş, diğer deneylerin sonuçları ise çalışma içerisinde çizelge ve tablolarda sunulmuştur. Çalışmada kullanılan ısı borusunda kaynama ve yoğuşma arasındaki faz farkı nedeniyle bu olayların gerçekleştiği kolonlarda kendiliğinden salınım başlamaktadır. Bu salınımlar ısı borusunda taşınımla ısı geçişini sağlamaktadır. Bu titreşim hareketinin genliği yaklaşık 10 cm mertebelerindedir. Salınım denklemleri kamera kayıtlarından alınan konumlara Hızlı Fourier Dönüşümü(HFD) uygulanması ile elde edilmiştir. HFD analizi neticesinde tüm kolonlarda tek bir frekansta salınım hareketi yapıldığı gözlenmiştir. 18 deney boyunca salınım frekansı 4,78 ve 4,28 (rad/s) arasında değerler almıştır. En büyük frekans maksimum güçte (230 W) görülürken, en düşük frekans en yüksek basınç altında (130 kPa) görülmüştür. Basınç salınım denklemleri ise basınç transmitterinden okunan değerlere HFD uygulanması ile elde edilmiştir. Basınç salınımlarında 2 farklı frekans gözlenmiştir. Birinci frekans, salınım frekansına çok yakın değerlerde çıkarken, ikinci frekans birinci frekansın iki katı değerinde çıkmıştır. Tüm deneyler için, kolonların salınım frekansları, buhar basıncı, ısıtıcı ünite, soğutucu ünite, buhar ve sıvı bölgelerindeki prop sıcaklıkları ile ortalama ısı geçiş katsayısının değişimi incelenmiştir. Tek başına bu paremetrelerin değişimi ortalama ısı geçiş katsayısı hakkında yeterli sonuç vermediği gözlenerek boyut analizi yapılmıştır. 11 adet boyutsuz sayı elde edilmiştir. Bu boyutsuz sayılar kendi aralarında cebirsel işlem yapılarak kaynamada etkili olan Jakob, Weber, Bond, Prandtl ve Eşdeğer Grashof sayıları ile Salınım hareketinde etkili olan Kinetik Reynoldss sayısı elde edilmiştir. Bu 6 boyutsuz sayının Nusselt Sayısı ile olan değişimi incelenmiştir. .Nusselt sayısının bu sayıların bir fonksiyonu olduğu görülmüştür. Özellikle Weber, Eşdeğer Grashof ve Bond sayıları Nusselt sayısı ile oldukça uyumlu bir şekilde değişmişlerdir. 6 boyutsuz sayıyı içeren Nusselt Korelasyonu çok değişkenli regresyon analizi yapılarak elde edilmiştir. Korelasyon ile elde edilen değerler deneysel veriler ile kıyaslanmıştır. Korelasyonun başarılı bir şekilde deneysel verilerle uyumluluk gösterdiği gözlenmiştir. Son olarak tez danışmanının daha önce danışmanlığını yaptığı tez çalışmasındaki matematik model geliştirilmiş, deney şartları için uygulanıp modelin uyumluluğu incelenmiştir. Matematik modelde deneysel verilerde olduğu gibi kolon salınımları, ortak tek bir frekansın olduğu sinüzoidal hareket yaparak gerçekleşmektedir. Matematik modelde basınç salınımları da yine deneysel verilerde gözlendiği gibi iki frekans altında gerçekleşmektedir. Birinci frekans salınım frekansı ile aynı çıkarken ikinci frekans ise birinci frekansın yaklaşık iki katı olarak hesaplanmıştır. Matematik model salınım eksenini hesaplamak da yetersiz kalmıştır. Bu noktada geliştirilmeye ihtiyaç duymaktadır.