Kaskad Çarpan Jet İle Mini Isı Alıcıların Isı Ve Akış Karakteristiklerinin Belirlenmesi

Tez Türü: Doktora

Tezin Yürütüldüğü Kurum: Atatürk Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, Türkiye

Tez Danışmanı: Prof. Dr. Kenan Yakut

Tezin Onay Tarihi: 2024

Tezin Dili: Türkçe

Desteklendiği Program: Diğer

Özet:

Amaç: Elektronik devre elemanları, mikro işlemci ve elektromekanik sistemlerin soğutulması, çalışma performanslarını arttırmak ve ömürlerini uzatmak için elzemdir. Çarpan hava jetleri yüksek ısı ve kütle transferi sağlamalarından dolayı; ısıtma, soğutma ve kurutma uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Çalışmada mikro işlemcilerin optimum sıcaklık değerleri arasında (80-40 ^oC) sorunsuz bir şekilde çalışabilmesini sağlamak kaskad çarpan jet ve diferansiyel ısı alıcı deney düzeneği kurulmuştur. Deney koşulları işlemcinin güvenli sınırda rahatça çalışmasını sağlayacak aralıkta olacak şekilde belirlenmiştir. Kaskad çarpan jetle soğutmada optimum ısı alıcı etkilerinin belirlenebilmesi için deneyler yapılmış, ardından belirlenen ısı alıcılar diferansiyel ısı alıcı üretimi için referans olmuştur. Üretilen diferansiyel ısı alıcılar ve referans ısı alıcılarla farklı basınç, farklı nozul sayısı, sabit ısı akısı ve bu durumlar için akış özellikleri (spektrum analizör kullanılarak) araştırılmıştır. Sistem ANYS Fluent ile modellenerek deneysel verilerle karşılaştırılmıştır.

Yöntem: Yukarıdaki amaçlar doğrultusunda kaskad çarpan jet sisteminde geometrik parametrelerin ısı transferine etkilerinin araştırılması için deneyler yapılmıştır. Deneyler 1A akım, 12V sabit gerilim, h/d=2 (1,22 cm) nozul-ısı alıcı arası mesafe, 1-1,5-2 bar basınç, 20 G nozul çapı, 1-6 adet arasında nozul sayısında ve 80-40 ^oC sıcaklık değerleri arasında gerçekleştirilmiştir. Öncelikle 27 adet ısı alıcı test edilmiştir. Ardından diferansiyel ısı alıcıların üretimi yapılarak aynı şartlar altında deneyler yapılarak karşılaştırılmaları yapılmıştır.

Bulgular: 27 adet ısı alıcı içerisinden optimum soğutmayı sağlayan kare-3 ve kare-26 ısı alıcılar olduğu belirlenmiştir. Bu nedenle bu ısı alıcıların orta kanatlarının yüksekliği 1,5 ve 2 kat arttırılarak kare-3 dif-1, kare-3 dif-2, kare-26 dif-3 ve kare-26 dif-4 diferansiyel ısı alıcılar üretilmiştir. Diferansiyel ısı alıcılarla yapılan deneylerde 6 nozul, 5 nozul, 4 nozul ve 3 nozul 1 bara kadar etkin soğutmanın gerçekleştiği belirlenmiştir. Nozul sayısının artışı ve diferansiyel kanatçık kullanımının merkezde oluşan yüksek sıcaklık sorununu etkili bir şekilde çözdüğü görülmüştür. Yapılan deneylerde tekli çarpan jete göre kaskad çarpan jet kullanımının, standart kanatçık yerine diferansiyel kanatçık kullanmanın soğutma üzerinde olumlu etkilerinin olduğunu göstermiştir.

Sonuç: Bu araştırmada, diferansiyel kanatçıklı ısı alıcıların, standart kanatçıklı ısı alıcılara göre daha etkin bir soğutma sağladığı belirlenmiştir. Aynı şartlar altında diferansiyel kanatçıklı ısı alıcıların soğutma performansının standart kanatçıklı ısı alıcılara göre ortalama %9,2 daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Bu araştırma, 5 nozul kullanılan kaskad çarpan jet sisteminin en etkili soğutmayı sağladığını göstermektedir. 2 bar basınç altında: En iyi soğutma performansı kare-26 dif-3 ısı alıcı ile 23,5 saniyede, 1,5 bar basınç altında kare-26 dif-3 ısı alıcı ile 28,5 saniyede, 1 bar basınç altında kare-26 dif-4 ısı alıcı ile 37 saniyede gerçekleşmiştir. CFD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) analizleri ile deneysel veriler karşılaştırıldığında: Deneysel sonuçlar 2 bar için %12,43, 1,5 bar için %16,79, 1 bar için %19,05 daha iyi soğutma performansı göstermiştir. Nozul sayısı ve basınç değeri azaldıkça soğutma performansı düşmekte ve soğutma süresi artmaktadır. Nozul sayısı ve basınç değerinin artması soğutma performansını ve soğutma süresini olumlu yönde etkilemektedir. Bu sonuçlar, sistem tasarımında ısı alıcı, nozul sayısı ve basınç değerinin optimizasyonunun, soğutma performansını artırmak için kritik öneme sahip olduğunu göstermektedir. Bu tür detaylı analizler, daha verimli soğutma sistemlerinin geliştirilmesine katkıda bulunabilir.