Geri Dön

An Experimental study on cooling by an impinging air jet

Çarpan hava jeti yardımıyla düz bir yüzeyin soğutulmasının deneysel olarak incelenmesi

  1. Tez No: 46503
  2. Yazar: MURAT KIZILIRMAK
  3. Danışmanlar: DOÇ.DR. ALİ KODAL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Uçak Mühendisliği, Aircraft Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 1995
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 26

Özet

Mühendislikte yüksek sıcaklıklara ulaşan sistemlerin soğutulması probleminin verimli ve amaca uygun şekilde çözülebilmesi temel araştırma konularindan biridir. Bu problemin çözümlenebilmesi için sistemin yapısına uygun olan çok çeşitli soğutma yöntemleri mevcuttur. Örneğin otomobil motorlarında yüksek sıcaklıklara ulaşan motorların vantilatör yardımı ile sıcaklığının makul değerlerde tutulması, klimalar yardımı ile konutların soğutulması ve benzerleri. Bu çözümlerden biride jet yardımı ile soğutma işlemidir. Bu yöntemin temeli, bir veya daha fazla sayidaki lülelerden çıkan jetler yardımı ile soğutulması istenen yüzeye çarptırılarak sicakliğının düşürülmesi temeline dayanmaktadır. Çarpan jet yardımı ile soğutma işlemi bir çok mühendislik alanında uygulanmaktadır, örneğin jet motorlu modern uçaklarda yüksek sicakliklara sahip yanma gazlarının türbin pallerinin aşırı ısınmasını önlemek için soğutulması, cam levhaların temperlenmesi, tekstil ve kağıt ürünlerinin kurutulması, elektonik devrelerin soğutulması sayılabilir. Çarpan jetin yapısı, serbest jet, durma veya çarpma ve duvar jet bölgeleri olmak üzere üç ana kısımdan oluşur [1]. Serbest jet, temelde iki tip lüleden açığa çıkar. Ortam ile jetin karışımı büyük derecede olan tüp tipi lüleler ve karışımın sınırlı olduğu çarpma yüzeyine paralel olan basit bir yarık şeklindeki lülelerdir [2]. Lüleden uzaklıktıkça jet ile çevre arasındaki momentum transferi nedeniyle, jetin serbest sınırı genişler. Maksimum hız profili lüle çıkısından itibaren artan mesafe ile azalır. Çarpma yüzeyinin konumu bu jet alanını etkiler. ikinci kısım olan durma veya çarpma bölgesinde, akim alanı çarpmadan etkilenir akımın hızı normal doğrultuda lüle ile hızlı bir şekilde azalırken yatay doğrultuda ivme kazanır. Nusselt sayısı, Lüle ile yüzey arasîndaki ve yüzey üzerindeki mesafeye kuvvetle bağlıdır. Düşük Reynolds sayilarındakı veya yüksek lüle ile yüzey arasındaki mesafe değerlerinde, IXmaksimum Nusselt sayısı daima durma noktasynda meydana gelir ve lüle ile yüzey arasındaki mesafe, lüle çapından büyük değerler için Nusselt sayısı, Reynolds sayısı ile beraber artar fakat yüzey üzerinde jetin çarptığı noktadan itibaren azalır [3]. Son kısım olan duvar jeti bölgesinde, çevrenin sıfır momentuma sahip olması nedeniyle yatay ivmelenme sürekli olamaz ve durma bölgesinde ivmelenen akış yavaşlayan duvar jetine dönüşür. Böylece jetin yüzeye çarptığı noktadan itbaren mesafenin artması ile yüzeye paralel hız bileşeni sıfırdan itibaren bir maksimuma ulaştıktan sonra tekrar sıfır değerine düşer [1]. Konveksiyonla ısı transferi lüle ile hem durma bölgesinde hem de duvar jeti bölgesinde meydana gelir. Yüksek Reynolds sayılarında çarpma noktasından uzakta jetin yüzeye tekrar yapışabilme eğilimi nedeniyle isi transferi levhanın ucuna doğru lokal bir artış gösterebilir [4]. Genelde durma noktası civarında akış türbülanslı yapıdadır. Bu durum lokal ısı transferi katsayısının artmasina neden olur. Lüle ile yüzey arasındaki mesafenin küçük değerleri için yüzeye paralel akışın ivmelendiği belirli bir bölge vardır. Soğutulması istenen yüzey geniş olduğu zaman birden fazla lüle amaca uygun olarak kullanılır. Tek bir lüle ile birden fazla lüle arasında temel farklılıklar bulunmaktadır [1]. Bunlardan birincisi jetin yüzey üzerine çarpmasından önce jetler arasındaki etkileşimdir. Jetlerin birbirlerine yakın olmaları ve jet lüleleri ile çarpma levhası ile yüzey arasındaki mesafe arasındaki mesafe oldukça geniş ise böyle bir etkileşimin olma olasılığını arttırmaktadır. İkinci etkileşim ise duvar jetleri arasındaki birleşimdir. Jetler arasındaki mesafe oldukça az ve jet lüle ile hızı büyük olduğu zaman bu birleşimler artan öneme sahip olurlar. Isı transferi çalışmalarında son zamanlarda sıvı kristal ve kızılötesi imaj kameralarinin (Infrared Imaging Camera) yüzey üzerindeki sıcaklik dağılımlarının bulunmasında [5,6,7] kullanılmasına rağmen ısı transferi çalışmalarında genelde dört tip transdüser kullanılmaktadır, bunlar;. Isılçiftler (Thermocouples),. Sıcaklık Direnç Dedektörü (RTD),. Thermistor,. Entegre Devre Sensörü (I.C-Integrated Circuit Sensor) dür. Bunlar arasında isıçiftler sikça kullanılmaktadır. Tercih sebebleri basit yapıda olmaları, dayaniKliklan, ekonomik oluşları, çeşitlerinin bol olması ve geniş sıcaklık aralıklarinda kullanılabilmeleri şeklinde sıralanabilir. Isıl çiftlerde farklı metallerden yapılan iki tel bulunmaktadır ki bu teller, her iki ucundan birleştirildiği zaman sürekli bir elektrik akimi elde edilir. İlk olarak bu olay 1821 yılında Thomas Seebeck tarafindan gözlemlenmiştir [8]. Eğer bu devre ortadan kesilirse, net açık devre voltajı (Seebeck voltajı) birleşme noktası sıcakiliğının ve iki metalin yapısının bir fonksiyonu olur. Bu voltaj birbirinden farklı tüm metaller birleştiğinde görülmektedir.Seebeck voltajı doğrudan ölçülememektedir, çünkü ilk olarak »silçiftler bir voltmetreye bağlandığı zaman voltmetre uçları yeni bir elektrik devre oluşturmaktadır. Yeni oluşan bu gerilimi hesaplayabilmek için bu bağlantı noktası bir buz banyosuna daldırılır. Dolayısı ile bu noktanin sıcaklığı 0°C değerinde olur ve referans bağlantı noktası olarak isimlendirilir. Bu bağlantı noktası termal elektromotor kuvveti oluşturmaz. Eğer amplikatör ile ısılçift tellerinin bağlantı noktaları aynı sıcakliK değerlerinde değillerse, ölçümlerde bir hata meydana gelecektir. Hassas bir ölçüm için bu bağlantı noktalarındaki sicaklikların da bilinmesi ve hesaplara katılması gerekmektedir. Dolayısı ile bu bağlantı noktaları bir izotermal blok içine yerleştirilir ve buradaki sıcaklık ölçülür. Bu bloğun sıcaklığı önemli değildir çünkü bu blokta akım ters yönde oluşur. Voltmetrenin ölçtüğü voltaj değeri V=a(T-Tizo), (1) şeklinde olmaktadir. Çarpan jet yardımı ile ısıtılmış bir yüzeyin soğutulması deneylerine başlamadan önce jet hızının belirlenmesi gerekmektedir. Pitot ve statik tüpleri ile ayrı ayrı toplam basınç ve statik basınçlar bir basınç transduseri yardımı ile jet hızı eksenel ve radyal doğrultularda ölçülmüştür. Ayrıca maksimum hız değerinin değişimi ölçülmüştür. Ortalama hız 20 m/sn, 15 m/sn ve 10 m/sn olarak alınmış, boru çapı 8.5 mm ve kinematik viskozite, v, 1.455x10-3 m^/sn olmak üzere deneylerin yapıldığı Reynolds sayıları 11684, 8763 ve 5642 değerlerindedir. Sıcaklık ölçümü deneylerinde hava jetinin çarptırıldığı yüzey olarak kolay istenilmesi, paslanmaya karşı dayanıklı oluşu nedeniyle bakır malzeme kullanılmıştır. Bakir levhanın içine 4 tane silindirik ısıtıcı, uniform bir ısı alanı elde etmek için birbirine paralel yerleştirilmiştir. Isıtıcılar dimerler sayesinde gerilimleri ayarlanıp bir voltmetre ile verilen voltaj kontrol edilerek bakır levha üzerindeki sıcaklık dağılımı uniform duruma getirilmiştir. Bu dağılımın hızlı bir şekilde uniform hale gelebilmesi için ısıtıcılar birbirlerine seri olarak bağlanmalıdır. Isılçıftlerde meydana gelen voltajın değeri doğrudan ölçümler için çok ufak değerlerdedir. Bu nedenle deneylerde 16 kanallı bir çoğaltıcı (amplificator) kullanılmıştır. Çoğaltıcı-ısılçift bağlantı noktaları stroafomdan yapılan bir kutucuk ile muhafaza edilerek bu bağlantı noktalarındaki sıcaklık ayrıca kontrol edilmiştir. Deneylerde kullanılan çoğaltıcı, ısı (çiftlerdeki voltaj değerini 50 kat arttırılabilmektedir. xıDeneylerde analog-dijital dönüşüm için PCL-818H kontrol kartı kullanılmıştır. Voltaj değerleri +0.625 volt arasında ölçeklendirilmiştir. Dofayısı ile 1 birlik değişim 0.305 mmVolt değerine karşılık gelmektedir. Elektronik çoğaltıcıdan (amplifier) gelen voltaj değerlerini algılayabilmek için kullanılan kartın örnek programlarından bir takım modifikasyonlarla yararlanılmıştır. Program, 16 kanaldan okumayı yazılım tetiklemesi (software trigger) ile yapmaktadir. Sıcaklık değişimlerini ölçmek için K tipi (Ni-Cr) isılçiftler kullanılmıştır. Ölçülen voltaj değerlerine karşılık sıcaklık değerleri IPTS-1968 tablosundan yararlanarak 0°C-200°C değerleri arasında 5°C'er derece arasında, bu değerlere karşılık gelen voltaj değerleri arasında bağıntı regresyon analizi sonucunda T= 0.0233V3 - 0.239V2 +24.996V + 0.151, (2) şeklinde bulunmuştur. Levhanın yüzey sıcaklık dağılımı uniform bir hale geldikten sonra kompresörden gelen sıkıştırılmış hava basınç regülatöründe toplam basıncı ayarlanarak lüleye gönderilir. Lüle 8.5 mm çapında ve 486 mm uzunluğundadır. Jet yardımı ile soğutma veya ısıtma araştırmalarında Nusselt sayısının belirlenmesi öncelikli problemlerden birisidir. Nusselt sayısı karakteristik x uzunluğunun 5=k/h sınır tabaka kalınlığına oranı olup, x h x Nu == - - (3) k/h k şeklinde formüle edilir. Nusselt sayısı yüzeyde taşınım yolu ile ısı geçişinin iletim yolu ile ısı geçişine oranı olmaktadır. Eğer farklı sistemlerde Nusselt sayıları eşit ise sistemlerin yüzeylerinde isi taşımmı aynı olmaktadır. Çarpan jet yardımı ile soğutma araştırmalarında Nusselt sayısı genelde, Reynolds sayısına, Prandtl sayısına, lüle sayısına, lüle ile yüzey arasındaki mesafeye, lüle ile yüzey arasındaki açıya, yüzeyin pürüzlülüğüne bağlı olmaktadır. Akışkanin isi geçişi özelliğini gösteren Prandtl sayısı kinematik viskozitenin ısısal yayılma katsayısına oranı olup XIIItfp Vcp Pr==_ (4) k/pCp k şeklinde gösterilebilir. Eğer farklı sistemlerde Prandtl sayıları aynı değerde ise bu sistemlerdeki sıcaklık dağılımları da ayni olmaktadır. Sıcaklık ölçümlerinden yüzey sıcaklıkları, Tw, jet sıcaklığı, Tj ve verilen enerji q belli olduğundan ısı transfer katsayısı h h=q/(Tw-Tj) (5) her bir istasyon için bulunur. Isı transfer katsayısı Nusselt sayısı formülünde yerine konularak o noktada jet etkisi ile oluşturulan konveksiyon ısı transferinin şiddeti lüle ile hesaplanmış olur. Deney sonuçlarına göre maksimum Nusselt sayısı durma noktasında meydana gelmektedir. Reynolds sayılarının küçük değerlerde olmasından Nusselt sayılarında ikincil maksimum noktalan gözlenmemiştir. Reynolds sayısının arttırılması ile yerel Nusselt sayılarında artış olur. Ancak Reynolds ve lüle ile yüzey arasındaki mesafeden bağımsız olan bir bölge bulunmaktadır. Bu nokta yaklaşık olarak çapın 6.5 katı değerinde başlamakta ve bu noktadan sonra tüm Reynolds sayiları için yaklaşık olarak aynı değeri almaktadır. Reynolds sayıları ve lüle-yüzey arasındaki boyutsuz mesafeye göre yerel Nusselt ve durma noktasındaki Nusselt sayiları arasındaki oran aynı değerdeki Re sayıları için uyum içinde olduğu gözlemlenmiştir. XIII

Özet (Çeviri)

This study consists of the experimental investigation of the höt surface cooling phenomenon by an impingement air jet at Reynolds numbers 5842, 8763, and 11684 and nozzle-plate spacings.H =2, 4, and 6. The compressed air coming from the compressor, goes to nozzle after it was set to the desired total pressure level by a regülatör. This air jet impinges to the copper plates which has heated by four cylindirical heaters. There were sixteen channels ot measure temperature. Öne of them was benefited as a reference channel and two thermocouples were used to monitör air jet and the connection of the amplifier-thermocouples temperatures. Thirteen thermocople wires were set up ciosely to the surface to measure surface temperature. The temperature changes are monitored by a data acquisition card and a computer. As a result, local Nusseft number and average Nusselt number are presented in therms of Reynolds number and nozzle surface spacings.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    246490

    Çarpan hava jetlerinin enerji-ekserji analizi ile optimizasyonu

    Optimization of impinging air jets by energy-exergy analysis

    SERDAR GECİM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2008

    Makine MühendisliğiUludağ Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Bölümü

    DOÇ. DR. AKIN B. ETEMOĞLU

  2. Tez No

    66844

    Elektronik devrelerin soğutulması ve jet püskürtmeli soğutma sistemlerinin analizi

    Cooling of electronic circuits and analysis of jet impingement cooling systems

    OĞUZ CAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MURAT TUNÇ

  3. Tez No

    33727

    Isıtılan düzlem bir plakaya dik ve eğik hava jeti çarpmasında ısı transfer karakteristiklerinin deneysel incelenmesi

    An experimental investigation of heat transfer characteritics of a normal and oblique air jet impining on heated flat plate

    KADİR BİLEN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1994

    Makine MühendisliğiKaradeniz Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. TAHİR YAVUZ

  4. Tez No

    354226

    Çarpmalı akışkan jetlerle kanal içine yerleştirilmiş elemanlardan olan konveksiyonla ısı transferinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi

    Experimental and numerical investigation of convective heat transfer from electronic components in a channel by impinging jets

    MUSTAFA KILIÇ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Makine MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞENOL BAŞKAYA

  5. Tez No

    438731

    An investigation into fluid flow and heat transfer of high frequency synthetic jets for electronics cooling

    Elektroniklerin soğutulmasında yüksek frekanslı jetlerin sıvı akışı ve ısı transferi araştırması

    OMIDREZA GHAFFARI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Makine MühendisliğiÖzyeğin Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET ARIK

Geri Dön