Numerical investigation of heat transfer by natural convection from perforated rectangular fin heatsi̇nks for various inclination angles
Farklı eğim açılarında delikli dikdörtgen kanatlı ısı alıcılardan doğal taşınım ile ısı transferinin sayısal yöntemler ile incelenmesi
- Tez No: 721126
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MERT GÜR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 73
Özet
Günümüzde gerek günlük hayatımızda gerekse endüstride kullanılan tüm cihazlar çalışmaları sırasında bir ısı üretmektedir. Kayıp ısı olarak da nitelendirebileceğimiz bu ısının cihazlardan bir şekilde uzaklaştırılması gerekmektedir. Aksi halde cihazlardan uzaklaştırılamayan bu ısı, cihazların aşırı ısınmasına ve kullanılmaz hale gelmesine neden olacaktır. Cihazların çalışmaları sırasında ürettiği bu atık ısının cihazlardan uzaklaştırılmasını sağlayan birçok soğutma sistemi mevcuttur. Bu soğutma sistemleri aktif soğutma sistemleri ve pasif soğutma sistemleri olarak iki ana kategoriye ayrılabilir. Her iki soğutma sistemi de uygulamanın ihtiyaçlarına bağlı olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. İkisinin de kendi artıları ve eksileri vardır, bu da belirli bir uygulama için en uygun soğutma sisteminin seçimini önemli kılmaktadır. Aktif soğutma sistemlerinin ısı transfer mekanizması zorlanmış konveksiyon ile ısı geçişine dayanmaktadır. Aktif soğutma sistemlerinde fan benzeri cihazlar ile soğutucu akışkanın hızlandırılması ve böylece ısı transfer katsayısının yükseltilmesi amaçlanır. Bu sistemlerdeki soğutucu akışkanı hareketlendirmek için fan benzeri cihazlara olan ihtiyaç, kaçınılmaz olarak fazladan enerji tüketimine neden olmaktadır. Aktif soğutma sistemlerinin pasif soğutma sistemlerine göre en büyük üstünlüğü bu sistemler ile daha yüksek soğutma kapasitelerine ulaşmanın mümkün oluşudur. Aktif soğutma sistemlerinin temel dezavantajları ise görece yüksek üretim ve idame maliyeti, içerdikleri hareketli parçalar nedeniyle yüksek arıza riski ve yüksek gürültü seviyesidir. Aktif soğutma sistemlerinin aksine pasif soğutma sistemlerinin ısı transfer mekanizması doğal (serbest) konveksiyon ile ısı geçişine dayanmaktadır. Bu sistemlerde soğutucu akışkanın hareketi akışkan içindeki sıcaklık farklılıklarından kaynaklanan yoğunluk değişimlerinin oluşturduğu kaldırma kuvvetleri ile sağlanır. Bu da çalışmaları için enerji tüketimine neden olan herhangi bir cihaza ihtiyaç duymadan çalışabilmelerine olanak sağlar. Basit yapıları nedeni ile üretim maliyetleri düşük, arıza riskleri düşük ve çalışmaları sırasında oldukça sessizdirler. Her ne kadar bu sistemlerin soğutma kapasiteleri aktif soğutma sistemlerine göre sınırlı olsa da ilgili uygulamalara uygun tasarımlar ile soğutma kapasiteleri ciddi miktarda artırılabilmektedir. Pasif soğutma sistemlerinde ısı transfer alanını artırmak için genişletilmiş yüzeylerin kullanılması en yaygın yöntemdir. Dikdörtgen plaka kanatlı ısı alıcılar ve pin kanatlı ısı alıcılar pasif soğutma sistemlerinin başında gelmektedir. Bu çalışma kapsamında dikdörtgen plaka kanatlı ısı alıcılar üzerinde durulacaktır. Dikdörtgen kanatlı ısı alıcılar elektronik ya da mekanik herhangi bir cihazın ürettiği atık ısıyı cihazdan uzaklaştırarak ortama aktaran ve böylece cihazın aşırı ısınmasını önleyen soğutma sistemleridir. Özellikle bilgisayarların CPU'ları ve LED aydınlatma sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bir kanatlı ısı alıcının temel amacı kendisini çevreleyen hava benzeri soğutma ortamı ile olan temas yüzeyini olabildiğince artırmaktır. Böylece ısı kaynağından ortama olan ısı transferini ciddi oranda artırır. Bugüne kadar kullanım amacına yönelik olarak tasarlanan birçok ısı alıcı özel olarak üretilmiş ve kullanılmıştır. Dikdörtgen plaka kanatlı ısı alıcıların ısıl performansı literatürde kapsamlı olarak incelenmiştir. Yapılan çalışmalarda kanat yüksekliği, kantlar arası mesafe ve kanat kalınlığı gibi birçok değişkenini ısı alıcının termal performansı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Pasif soğutma sistemlerinde kanatlı ısı alıcılardan ısı geçişi doğal taşınım ile olmaktadır. Doğal taşınım ile ısı geçişinde akışkanın hareket yönü yerçekimi yönü ile aynı doğrultuda olmaktadır. Bu nedenle dikdörtgen kanatlı ısı alıcıların termal performansı kanatların yere göre olan açısından büyük ölçüde etkilenmektedir. Özellikle gündelik hayatımızda kullanımı gittikçe yaygınlaşan taşınabilir cihazların varlığı her türlü eğim açısında aynı ısıl performansı gösteren ısı alıcıların tasarımı önemli hale getirmektedir. Dikdörtgen kanatlı ısı alıcılara delik açılmasının ısı alıcıların termal performansını ciddi ölçüde artırdığı yapılan çalışmalar ile gösterilmiştir. Bu çalışmanın temel amacı ise dikdörtgen kanatlı ısı alıcılara açılan deliklerin ısı alıcının farklı eğim açılarındaki ısıl performansına olan etkisini incelmektir. Bu çalışmada temel olarak dikdörtgen kanatlı ısı alıcılarda delik oranı ve delik sayının farklı eğim açılarında ısı alıcının termal performansına etkisi incelenmiştir. Delik oranı kanattaki boşluk hacminin boşluksuz kanat hacmine oranı olarak tanımlanmıştır. Çalışma kapsamında delik oranının termal performans üzerindeki etkisini incelemek için % 20, %30, %40, %50 ve %60 olmak üzere 5 farklı delik oranına sahip ısı alıcı incelenmiştir. Delik sayısının etkilerini araştırmak için ise %30 delik oranına sahip soğutucu seçilmiş ve 2,4, 6, 8, 16 ve 32 delik sayısına sahip 6 farklı kanat geometrisi tetkik edilmiştir. Kanatların farklı ısı girdilerindeki davranışlarını gözlemlemek için ise 12W, 24W ve 35W olmak üzere 3 farklı ısı girdisi ele alınmıştır. Isı alıcı performansının farklı eğim açılarına olan bağımlılığını incelemek adına ısı alıcı 00'den (kanatlar yere dik) 900'ye kadar 150'lik adımlar ile döndürülmüştür. Yapılan sayısal çalışmanın sonuçları tüm eğim açıları için ısı alıcı ortalama yüzey sıcaklığının delik açılması ile düştüğünü ve bu düşüşün delik oranı arttıkça arttığını göstermiştir. Ayrıca ortalama yüzey sıcaklığının eğim açısının artması ile arttığı tespit edilmiştir. Bu artış belirli bir eğim açına ulaşana kadar pek belirgin değil iken belirli bir açıdan sonra oldukça belirgin bir hal almaktadır. Deliksiz dikdörtgen kanatlı ısı alıcıların ortalama yüzey sıcaklığı eğim açısına bağlı olarak %30'un üzerinde artarken bu artış %50-%60 delik oranına sahip ısı alıcılarda %5 seviyelerine gerilemektedir. Bu da delik oranının artırılmasının ısı değiştiricilerin termal performansının eğim açısına olan bağlılığının azalttığını açıkça göstermektedir. Ayrıca yapılan bu çalışmada ısı değiştiricinin eğim açısına olan bağlılığının yüksek ısı girdileri için daha belirgin olduğu görülmüştür. Elde edilen sonuçlar, dikdörtgen kanatlı soğutucularda delik açılması ile termal performans iyileştirmesinin sadece delik oranlarına değil, aynı zamanda delik sayılarına da önemli ölçüde bağlı olduğu göstermektedir. Belirli bir sayıdan fazla delik açılmasının ısı alıcının soğutma performansını olumsuz yönde etkilediği tespit edilmiştir. Delik sayısı arttıkça delik büyüklüğü azalmaktadır. Bunun sonucu olarak akışkanın kanatlar arasındaki dolaşımı zorlaşmakta bu da ısı transfer hızını azaltmaktadır. Sonuçlar, dikdörtgen kanatlı ısı alıcılarda ısıl performans açısından uygun bir delik açma işlemi için en az 10-15 mm boyutlarında bir deliğin kullanılması gerektiğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
It is a fact that all devices produce waste heat during their operation. This produced waste heat must be removed from devices in order to ensure the proper operation of devices. Otherwise, devices would be over heated or even burnt. There are many possible ways of dissipating waste heat from devices in today's industry. These systems are generally called as cooling systems. The cooling systems can be divided into two main categories as active cooling systems and passive cooling systems. Both of them are widely used in industry according to application needs. Both have their own pros and cons, which makes it very important to choose the most suitable cooling system for application. Heat transfer mechanism of active cooling systems is based on forced convection. In these systems circulation of cooling fluid is generated via external fan or blower type devices in order to boost the heat transfer rate, which cause them to be energy dependent systems. They are widely used in electronic devices. Their main advantage over the passive cooling system is that they can achieve higher cooling capacities. The main disadvantage of the active cooling system is their need of energy in order to operate accompanied devices (as fan or blower). This energy requirement increases the cost of cooling system, risk of failure and their noise level. In passive cooling systems, heat transfer is provided by natural convection. In these systems, movement of cooling fluid is generated by the density changes within the cooling fluid that caused by temperature gradients. They are easy to manufacture and also cost effective systems. Since they don't include any moving part, their risk of failure and noise levels are less than the active cooling systems. They don't require any extra energy source in order to operate as in case of active systems. However, their cooling capacity is lower than the active cooling systems but with the help of proper design it can be enhanced drastically. Application of increasing the heat transfer area by using the extended surfaces is widely used approach in passive cooling systems in order to increase heat transfer capacity. Pin heatsinks and plate fin heatsinks are most common two examples of passive cooling systems. In the scope of this study, plate fin heatsinks will be examined closely. Plate fin heatsinks are comprehensively studied subject in literature. The effect of fin height, fin spacing, fin thickness and many other parameters on thermal performance of heatsink have been examined in various studies. Since the direction of flow in natural convection is dependent on the direction of gravity, the thermal performance of plate fin heat sinks is greatly affected by the angle of inclination. It is known that by the proper perforation of plate fin heatsink, thermal performance of heatsink can be increased significantly. This study will focus on the effect of perforation on the inclination angles dependence of the thermal performance of the plate fin heatsink, which is relatively understudied subject in literature. In this thesis two main parameters are considered as perforation ratio and perforation number. Perforation ratio was defined as ratio of the void volume in a fin to the unperforated fin volume. To examine the effect of perforation ratio on thermal performance, 5 different heatsinks with different perforation ratios are examined (perforation ratios: 20%, 30%, 40%, 50% and 60%). In order to investigate the effects of number of perforation, the heatsink that has 30% perforation ratio is selected and fin with 2,4, 6, 8, 16 and 32 perforations numbers considered. Different heat input values are also used as 12W, 24W and 35W. Inclination angles were defined as 150 intervals between 00 (fins are vertical to ground) and 900 (fins are horizontal to ground). Numerical results show that average surface temperature decreases with the help of perforation for all inclination angles. Increasing the perforation ratio decreases the average surface temperatures. Average surface temperature increases as inclination angle increases. Mean surface temperatures are not affected significantly by the inclination angles up to 300 inclination angle, whereas effects become more visible for the inclination angles higher than 300. For unperforated heatsink at high inclination angles, over 30% increase in average surface temperature was calculated. It is observed that this value was decreased around 5% by increasing the perforation ratios to 50%-60. Analysis results also indicate that the dependence of thermal performance on inclination changes becomes more crucial at higher heat inputs. In this study, it is shown that not only perforation ratios are important but also perforation numbers are very important in thermal performance enhancements by perforation for rectangular fin heatsinks. After a certain number of perforation, heatsinks thermal performance affected negatively. This is due to the decrease in perforation size in order to increase number of perforations, which makes perforation size so small in order to allow free fluid motions between the fins. Results shows that in order to make a proper perforation in terms of thermal performance at least 10-15 mm perforation size needs to be used.
Benzer Tezler
- Gemi kargo tanklarında doğal taşınımla olan ısı geçişinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi
Numerical and experimental investigation of natural convection heat transfer in ship cargo tanks
KORAY ŞAHİN
Doktora
Türkçe
2022
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELMA ERGİN
- Duvarlarında ayrık kaynak çiftleri olan kapalı kapta doğal taşınımın sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of natural convection in an enclosed cavity with discrete source pairs on its walls
RAMAZAN AYDIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİLİZ BAYTAŞ
- Düşey kanallarda farklı kanat düzenlemelerinde doğal taşınımla ısı geçişinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of natural convection heat transfer in vertical channels with different fin arrangements
KAAN KISA
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ TURGUT YILMAZ
- Ev tipi buzdolabı soğutucu bölmesinde sıcaklık dağılımının deneysel ve sayısal incelenmesi
Experimental and numerical investigation of temperature distribution in the fridge compartment of domestic static refrigerator
SALİH AVCIOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KADİR KIRKKÖPRÜ
- Üzerinde ısı kaynakları bulunduran bir kavite içerisindeki ısı geçişinin incelenmesi
Investigation of heat transfer inside a cavity having heat sources
HAKAN KARATAŞ
Doktora
Türkçe
2017
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ TANER DERBENTLİ