Phase change heat transfer enhancement using engineered surfaces
Yüzey mühendisliği ile faz değişimi ısı transferi geliştirme
- Tez No: 680402
- Danışmanlar: PROF. DR. ALİ KOŞAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Mechatronics Engineering, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Yoğuşma, doğal olarak meydana gelen ve doğada yaygın olarak karşılaşılan bir faz değişimi olayıdır. Yoğuşma, enerji üretimi, su toplama, tuzdan arındırma, elektronik soğutma gibi çeşitli uygulamalarda hayati bir rol oynar. Son on yılda, yoğuşma üzerine yapılan çalışmalar çoğunlukla Elektron Mikroskobu teknikleri için ideal olan çalışma koşullarıyla sınırlı kalmıştır. Bu nedenle, farklı buhar kalitesine sahip buhar akışı varlığında yoğuşmuş damlacıkların davranışı ve bunların akış yoğuşma ısı transferini arttırmaya uygulanması oldukça az ilgi görmüştür. Bu tezde süperhidrofobik ve bifilik olmak üzere iki farklı yüzey türü incelenmiştir. İlk olarak, süperhidrofobik yüzeylerde, ısı transferi analizinin yanı sıra, bir minikanalda akış yoğuşması sırasında bir görselleştirme çalışması gerçekleştirilmiştir. Çekirdeklenme büyümesi ve ayrılmasından oluşan bir yoğuşma döngüsünün farklı zaman aralıklarında ve aşamalarında damlacık çapı dağılımının bir histogramını içeren damlacık dinamikleri araştırılmıştır. Damlacık ayrılma çapları, döngü süresi ve damlacık sayısı yoğunluğu bulunmuştur. Damlacık çıkış çapı buhar kütle akışı ile azalmış, bu da damlacık boyutu dağılımında daha küçük yarıçaplara kaymaya yol açmıştır. Böyelikle yoğuşma ısı transferi artırılmıştır. Referans düz hidrofobik yüzeye kıyasla test edilen süperhidrofobik yüzey için daha düşük buhar kalitelerinde ısı transfer katsayısında %33'e varan iyileştirmeler elde edilmiştir. İkinci olarak, karışık ıslanabilirlikten yararlanmak için, akış yoğuşması sırasında ısı transfer performansı üzerindeki etkilerini değerlendirmek için bifilik yüzeyler üretilmiştir. Süperhidrofobik yüzey üzerinde hidrofobik desenler oluşturmak için elektron ışını fiziksel buhar biriktirme (PVD) tekniği kullanılmıştır. Burada, ısı transfer performansının maksimum olduğu bir süperhidrofobik yüzey üzerindeki hidrofobik noktaların D çapı optimum adacıklarını rapor edilmiştir. Optimum ada çapı dikkate alındığında, düz hidrofobik yüzeye kıyasla, yoğuşma ısı transfer katsayısının 10 , 20, 30, 40 ve 50 kg/m2s buhar kütle akışı için sırasıyla %51, 48, 42, 40 ve 36 oranında arttığı rapor edilmiştir. Görselleştirme deneyleri yoluyla, gözlemlenen optimum noktaların, damlacık sabitleme ve köprülemenin meydana gelmediği gelişmiş damlacık çekirdeklenmesine ve hızlı süpürme bölgesine karşılık geldiğini gösterilmiştir. Deneysel verilere uygun olarak, akış yoğuşma ısı transferi için buhar kütle akışının bir fonksiyonu olarak bifilik yüzeylerin optimum ada çapının tahmin edilmesi için bir korelasyon geliştirilmiştir.
Özet (Çeviri)
Condensation is a phase change naturally occurring phenomenon and widely encountered in nature. Condensation plays a vital role in various applications, such as power generation, water collection, desalination, electronics cooling. During the last decade, the studies on condensation have been mostly limited to the working conditions, which are ideal for Electron Microscopy techniques. Therefore, the behavior of condensed droplets in the presence of vapor flow with different vapor qualities and their implementation to flow condensation heat transfer enhancement have received rather little attention. In this thesis, two different types of surfaces, namely superhydrophobic and biphilic surfaces, have been investigated. First, on superhydrophobic surfaces, besides heat transfer analysis, we performed a visualization study during flow condensation in a minichannel and investigated droplet dynamics including a histogram of droplet diameter distribution at different time intervals and stages of a condensation cycle consisting of nucleation growth and departure, droplet departure diameters, cycle time, and droplet number density. The droplet departure diameter decreases with steam mass flux, leading to a shift to smaller radii in droplet size distribution, which enhances condensation heat transfer. Enhancements up to 33% in heat transfer coefficient were obtained at lower steam qualities for the tested superhydrophobic surface compared to the reference plain hydrophobic surface. Secondly, to take advantage of the mixed wettability, we fabricated biphilic surfaces to assess their effect on heat transfer performance during flow condensation. Electron beam physical vapor deposition (PVD) technique was utilized to form hydrophobic patterns on the superhydrophobic substrate. Here, we report an optimum island diameter D of the hydrophobic spots on a superhydrophobic substrate, where heat transfer performance becomes maximum. We show that considering the optimum islands diameter, compared to the plain hydrophobic surface, condensation heat transfer coefficient is enhanced by 51, 48, 42, 40, and 36% for the steam mass flux of 10, 20, 30, 40, and 50 kg/m2s, respectively. Through visualization experiments, we demonstrate that the observed optimum points correspond to enhanced droplet nucleation and rapid sweeping region, where droplet pinning and bridging do not occur. By fitting the experimental data, a correlation for the prediction of the optimum island diameter of biphilic surfaces is provided as a function of steam mass flux for flow condensation heat transfer.
Benzer Tezler
- Phase change heat transfer enhancement with surface modification at atmospheric and sub-atmospheric pressures
Atmosferik ve altmosferaltı basıçlarda yüzey modifikasyonları ile faz değişim ısı transferinin iyileştirmesi
AYŞENUR ATEŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Makine MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ KOŞAR
- Boiling heat transfer enhancement on structured surfaces by using active and passive methods
Yapılı yüzeylerde aktif ve pasif yöntemlerle kaynama ısı transferi artırılması
BEHNAM PARIZAD BENAM
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ KOŞAR
DR. ABDOLALİ K. SADAGHİANİ
- Eş eksenli üç borulu ısı eşanjörlerinde faz değiştiren madde kullanarak ısıl enerji depolanmasının incelenmesi
An investigation on thermal energy storage in triple concentric-tube heat exchangers by using phase change materials
BİROL BAŞAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2007
Makine MühendisliğiKaradeniz Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET ÜNAL
- Improvement of the energy efficiency of a trombe wall using nano enhanced phase change material
Nano geliştirilmiş faz değişim malzemesi kullanılarak trombe duvarının enerji verimliliğinin iyileştirilmesi
NAZLICAN MEÇO
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. COŞKUN FIRAT
- Yapı kabuğunda faz değiştiren malzeme (FDM) uygulamalarının simülasyon yöntemiyle iki farklı iklim bölgesi için değerlendirilmesi
Evaluation of phase change material (PCM) applications in building envelopes for two different climate zones using a simulation approach
KÜBRA ÇANAK GERÇEK
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
MimarlıkEskişehir Osmangazi ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. BAŞAK GÜÇYETER