ESKON 017 SİMÜLASYON VE SİMÜLASYON ABANLI ÜRÜN GELİŞİRME SEMPOZYUMU B bir MMO aınıdır MMO b aındai ifadelerden, fiirlerden, toplantıda çıan sonçlardan, teni bilgi e basım atalarından sorml değildir. DÜŞEY YÜZEYİNDE AYRIK ISI KAYNAKLARI BULUNAN KANALDA YÜZEY IŞINIMININ ISI RANSFERİNE EKİSİ BUĞRA SARPER GÜMÜŞHANE ÜNİVERSİESİ SONER BİRİNCİ MEHME SAĞLAM ORHAN AYDIN MEE AVCI KARADENİZ EKNİK ÜNİVERSİESİ MAKİNA MÜHENDİSLERİ ODASI BİLDİRİ
107 DÜŞEY YÜZEYİNDE AYRIK ISI KAYNAKLARI BULUNAN KANALDA YÜZEY IŞINIMININ ISI RANSFERİNE EKİSİ Effect of te Srface Radıatıon on Heat ransfer in a Cannel ıt Dıscrete Heat Sorces on its Vertıcal Wall Bğra SARPER Soner BİRİNCİ Memet SAĞLAM Oran AYDIN Mete AVCI ÖZE B çalışmada, bir üeinde arı ısı anaları blnan düşe bir anal içerisinde doğal taşınım e ışınımla ısı transferi denesel e saısal olara incelenmiştir. Kanalın bir üei arı ısı anaları ile ısıtılıren diğer üeler adabati olara abl edilmetedir. Çalışmada ısı analarının ışınım ama oranlarının ısı transferi e aışan sıcalığına etisi üerinde drlmştr. Denesel çalışmalarda sıcalı ölçümleri gerçeleştirilmiş, saısal esaplamalar ise ANSYS Flent aılımı ile ürütülmüştür. Sonçlar, Nsselt saısı ile aışanın sıcalı e ıının düeltilmiş Grasof saısı e üe ışınım ama atsaısı ile değişim grafileri şelinde snlmştr. Anatar Kelimeler: Doğal taşınım, Işınım, Arı ısı anaları, Eletroni elemanların soğtlması. ABSRAC In tis std, natral conection and radiation eat transfer in a ertical cannel it discrete eat sorces on its one all is inestigated eperimentall and nmericall. One of te cannel alls is eated b discrete eat sorces ile oter alls are adiabatic. e std is focsed on te effects of srface emissiities of te eat sorces on eat transfer and flid temperatres. emperatre measrements are performed in te eperimental std. Nmerical comptations are carried ot it ANSYS Flent softare. e reslts are represented as te Nsselt nmber, temperatre and elocit ariations it te modified Grasof nmber and srface emissiities. Ke Words: Natral conection, Radiation, Discrete eat sorces, Cooling of electronic eqipments. 1. GİRİŞ Eletroni alanındai gelişmeler, daa üçü faat üse performansa saip entegre derelerin tasarımını açınılma ale getirmetedir. Küçülen bot e artan performans geresinimine bağlı olara, te bir çipin ürettiği ısı mitarı artmata, sistemin sıcalığındai artış, beraberinde performans abı e bolma gibi drmlar ortaa çıarmatadır. Daa erimli çalışan sistemlerin üretilebilmesi için dere elemanlarının sıcalılarının belirli bir sınırın altında ttlması e dere elemanları arasındai sıcalı farlarının en aa indirilmesi geremetedir. B sebeple eletroni elemanların ısıl ontrolü önemli olp, üse mitarda ısı aan elemanların sıcalılarının mümün oldğnca düşü seiede ttlması, elemanın adığı ısının sistemden alaştırılıp ortama erilmesi son derece önemlidir. B notada çip bot, te bir çipin adığı ısı, onm, maleme öellileri e üe öellileri, çere ortam sıcalığı e soğtma öntemi önemli er ttmatadır.
108 Literatürde düşe e eğimli anallar içerisinde taşınımla ısı transferini ele alan çalışmalar mecttr. Çalışmaların birçoğ farlı taşınım rejimlerinin ısı transferine etisini inceleren, üeler arası ışınımın ısı transferine etilerini inceleen çalışmalar sınırlı saıdadır. Farlı araştırmacılar tarafından doğal taşınımla ısı transferi üerine anal parametreleri e çalışma oşllarının etileri denesel e saısal olara incelenmiştir [1-9]. Farlı anal eğim açıları e ısıtıcı onfigürasonlarının arma taşınıma etileri araştırmacılar tarafından çalışılmıştır [10-14]. X d. [15] üeinde arı ısı anaları blnan ii paralel lea arasında türbülanslı orlanmış taşınımı saısal olara ele almışlardır. Düşe analda iletim-taşınım birleşi ısı transferi problemi farlı araştırmacılar tarafından incelenmiştir [16-19]. Premacandran e Balaji [0] ısıtıcı e darların maleme e üe öellileri ile Grasof e Renolds saılarının anal içerisindei taşınım-ışınım birleşi ısı transferine etilerini saısal olara anali etmişlerdir. Londe e Rao [1] arı şeilde ısıtılan düşe analda taşınımışınım birleşi ısı transferi problemini saısal olara ele almışlardır. B çalışmada, üelerinden birinde arı ısı anaları blnan düşe analda, ısı analarının ışınım ama oranlarının, taşınımla ısı transferine etileri incelenecetir. Çalışmada ısı analarının üç farlı ışınım ama oranı üerinde drlaca (ε=0.05, 0.45, 0.9) olp; sonçlar ii farlı düeltilmiş Grasof saısı değerinde (Gr D =3.810 6, 1.5310 7 ) snlacatır.. DENEYSEL ÇALIŞMA Şeil 1 de test bölgesi e dene düeneği görülmetedir. Dene düeneği bilgisaar, eri toplama sistemi, DC güç anağı, esintisi güç anağı e test bölgesinden olşmatadır. Deneler bir üeine dört adet arı ısı anağı erleştirilen düşe anal içerisinde gerçeleştirilmiştir. Geri alan üeler ise ısıtılmamata olp, dış üeleri alıtılmıştır. Kanal üeleri 10 mm alınlığındai poliarbonat leadan ( pc =0.17 W/mK) talaşlı imalat öntemile imal edilmiştir. Isı analarının üeleri ise 1.5 mm alınlığında (t c ), 5.4 mm nlğnda (L ) e 15.4 mm derinliğindei (D) baır malemeden ( c =387.6 W/mK) üretilmiştir. Baır lealar ara üelerinden 0.35 mm alınlığındai (t ) esne ısıtıcılar ile ısıtılmatadır. Isı analarının ara üeleri e test bölgesinin ara üeleri 30 mm alınlığındai XPS alıtım malemesi ( ins =0.035 W/mK) ile alıtılmıştır. est bölgesinin toplam nlğ (L top ) 314.33 mm olp, ısıtılmaan giriş (L gir ) e çıış (L çı ) nlları sırasıla 5.4 mm e 130.18 mm dir. Bnnla birlite, anal genişliği () 5.4 mm olp, anal derinliği ise 15.4 mm dir. Verilen ölçüler diate alındığında analın idroli çapı (D ) 43.54 mm olara esaplanmatadır. Denesel çalışmada llanılan baır üeler ii derecede parlatılmış olp ışınım ama atsaısı (ε) 0.05 tir. Arıca anal üeleri mat sia boa ile boanmış olp üein ışınım ama atsaısı 0.9 dr. Her bir ısı anağı için esne ısıtıcılar ile baır üeler arasında üç adet 0.4 mm çapında baıronstantan termoeleman çifti llanılmıştır. Düşe doğrltda, poliarbonat leaların mere çigisi üerinde ise on sei adet termoeleman çifti llanılmıştır. Arıca, test bölgesinin giriş e çıışında ise ii adet termoeleman çifti llanılmıştır. Deneler, sıcalığı 4 C e nemi 50% mertebesinde ttlan şartlandırılmış bir oda içerisinde gerçeleştirilmiştir. Çeresel etileri ortadan aldırma amacıla test bölgesi bir mafaa içerisine alınmıştır.
109 (a) (b) Şeil 1. (a) est bölgesinin temsili gösterimi, (b) dene düeneği 3. SAYISAL ÇALIŞMA Saısal çalışmada ornm denlemlerinin çöümü ANSYS Flent aılımı ile gerçeleştirilmiştir. Aımın üç botl, süreli rejimde e laminer oldğ abl edilmiştir. Aışanın oğnl dışındai termofiisel öellilerinin sabit oldğ abl edilere, oğnlğn sıcalıla değişimi Bossinesq alaşımı llanılara modellenmiştir. Bnnla birlite iletim e ışınımla ısı transferi esaba atılmıştır. Şeil de incelenen problemin geometrisi snlmştr. Şeil. İncelenen problemin şemati gösterimi
1030 Üç botl, süreli rejimde, sııştırılama, laminer aım için sürelili, momentm e enerji denlemleri aşağıdai gibidir: Aışan içerisinde: = 0 (1) = 1 p ρ () ) ( 1 o g p = β ρ (3) = 1 p ρ (4) = α (5) Brada, e sırasıla, e doğrltlarındai ıları belirtiren, ρ aışanın oğnlğn, υ ise aışanın inemati isoitesini temsil etmetedir. 0 ortam sıcalığını, α e β ise sırasıla ısıl aınım atsaısı e acimsel genleşme atsaısını belirtmetedir. Katı içerisinde: 0 = q (6) Denlemde q acimsel ısı üretimini, ise ısı iletim atsaısını temsil etmetedir. Isıtıcıların içerisindei acimsel ısı üretiminin bir fonsion olara düeltilmiş Grasof saısı aşağıdai gibi tanımlanabilir. 4 υ β t q D g Gr D = (7) Brada g erçeimi imesi, t ise ısıtıcı alınlığıdır. Kanalın idroli çapı ise: ) ( 4 D W WD D = (8) Denlemi ile esaplanır. Isı anağı üeinde erel ısı taşınım e erel ışınım atsaısı aşağıdai denlemlerle esaplanır: ( 0 ) q s taş taş =, ( 0 ) q s ışn ışn = (9,10) s üe sıcalığını belirtmetedir. Isı anağı üeinde erel e ortalama Nsselt saıları ise sırasıla: f taş taş D N =, f ışn ışn D N = (11,1)
1031 N = D taş ort, taş, f İfadelerinden belirlenebilir. ışnd N ort, ışn = (13,14) f Kanal giriş e çıışında sırasıla pressre inlet e pressre otlet sınır oşlları llanılmıştır. Haa ışınımla ısı transferi için atılımcı olmaıp anal girişinde aanın sıcalığı 4 C dir. Işınımla ısı transferi için sia anal üelerinin ışınım ama atsaıları 0.9 ien ısı anağı üeleri sırasıla 0.05, 0.45 e 0.9 olara alınmıştır. Katı-aışan ara üelerinde sıcalı e ısı transferi süreli olp copled sınır oşl glanmıştır. Arıca ısı alıtım malemesinin dış üelerinde ise taşınım sınır oşl (=5 W/m K, 0 =4 C) llanılmıştır. Naier Stoes e enerji denlemleri arıda belirtilen sınır oşlları ile birlite ANSYS Flent programı llanılara çöülmüştür. Hesaplamalarda momentm e enerji denlemlerinin arılaştırılması için iinci dereceden aış önlü far öntemi llanılmıştır. Basınç-ı çiftinin çöümünde SIMPLE algoritması llanılmıştır. Basınç interpolason için PRESO öntemi terci edilmiştir. Yüeler arası ışınımla ısı transferi srface to srface (SS) modeli llanılara esaplanmıştır []. Naier Stoes, enerji e ışınım denlemlerinin çöümünde aınsama riteri 10-5 alınmıştır. Saısal modellemede, bütün oordinatlarda niform ağ apısı llanılmıştır. Dört farlı ücre saısında (165616, 1736856, 3504 e 70664 ücre) ağ bağımsılı çalışmaları gerçeleştirilmiştir. Sonçların 1736856 e 3504 ücre saısı arasında fala değişmemesinden dolaı esaplamalara 1736856 ücre ile deam edilmiştir. Şeil 3 te görüldüğü gibi ağ bağımsı çöümler ile denesel sonçlar arasındai far oldça a olp sonçlar birbirile mldr. Şeil 3. Denesel e saısal sonçların arşılaştırılması 4. BULGULAR Şeil 4 te er bir ısı anağının çıış cnda, farlı Gr e D ε değerleri için aışan sıcalığının esenindei değişimi görülmetedir. Haa düşe anala ortam sıcalığında girmete e ısı anağının üelerinde ısınara aldırma etinin etisile üselmetedir. Haa anal içerisinde üseliren ısınmata, bnn soncnda anal çıışına doğr ısı analarından aaa olan ısı transferi aalmatadır. Yüeler arası ışınımla ısı transferile ısıtılmaan sağ üe ısınmata, bnn soncnda sağ üee aın bölümlerde ısıl sınır tabaa olşm görülmetedir. Gr değerinin D
103 artışıla ısı analarından aaa taşınım e üeler arası ışınımla ısı transferi artmatadır. Yüe sıcalılarının artışıla ısıl sınır tabaa alınlığı artmata, anal mereindei düşü sıcalığa saip bölge daralmatadır. Isı analarının üelerinin ışınım ama atsaılarının ( ε ) artışı ise üeler arası ışınımla ısı transferini arttırmata, b ise ısı analarının üe sıcalılarını aaltmatadır. Şeil 5 diatli şeilde incelendiğinde ε n artışıla birlite analara omş aışanın sıcalığı aalmata e sol üee aın bölgelerde ısıl sınır tabaanın inceldiği görülmetedir. Şeil 5 te er bir ısı anağı çıış cnda e anal giriş-çıışlarında, farlı Gr e D ε değerleri için aışanın düşe ı bileşeninin esenindei değişimi görülmetedir. Hı profili anal girişinde simetri apıdadır. Haa ısı anağı üelerinde ısınmata, oğnl değişimine bağlı olara aldırma etinin etisile anal içerisinde üselmetedir. Şeil 5 diatle incelendiğinde, il ii ısı anağının çıış cnda aanın düşe doğrltdai ıı alen neredese simetri apıdadır. Anca aışan sıcalığındai artışla son ii ısı anağının çıış cnda aldırma etinin etisi daa belirgin şeilde görülmetedir. Isı analarının aınında üse ı bölgeleri olşmata, simetri apı ortadan almatadır. Düeltilmiş Grasof saısının ( Gr ) artışıla birlite ı sınır tabaa D incelmete olp, aışanın ığın ıında artış medana gelmetedir. ε değerinin artışı ise üeler arası ışınımla ısı transferini arttırsa da aışan ıları e ı sınır tabaa apısında önemli bir değişiliğe sebep olmamatadır. Şeil 4. ısı analarının çıış cnda aışan sıcalığının eseni bonca değişimi
1033 Şeil 5. Isı analarının çıış c e anal giriş-çıışında aışanın düşe ı bileşeninin eseni bonca değişimi Şeil 6 da ısı anağı üelerinde taşınım e ışınım ısı aılarına bağlı olara elde edilen ortalama Nsselt saısı değerlerinin Gr e ε ile değişimi snlmatadır. Haa anala ortam sıcalığında D girdiğinden dolaı il ısı anağı ile aa arasındai sıcalı farı en üse değerdedir. Bnn soncnda 1 nmaralı ısı anağından aaa taşınımla ısı transferi en üse değerini almatadır. Haa ısınara anal içerisinde üselmete, ısı anaları ile aa arasındai sıcalı farı da gidere aalmatadır. Bnn soncnda anal çıışına doğr ısı analarından aaa olan taşınımla ısı transferi aalmatadır. Arıca Gr taşınımla ısı transferi açısından belirleici parametre olp; D arttıça ısı analarından aaa olan taşınımla ısı transferi de artmatadır. Işınım ama atsaısı, ε taşınımla ısı transferi üerinde aaltıcı bir eti aratmatadır. Bnnla birlite anaların üe ama atsaıları arttıça aaa olan ışınımla ısı transferi artmatadır. ε =0.45 e ε =0.9 değerlerinde analardan aaa ada değer mitarda ışınımla ısı transferi medana geliren ε =0.5 değerinde aaa ışınımla ısı transferi oldça adır. Gr D
1034 Şeil 6. Ortalama Nsselt saılarının (taşınım, ışınım) Gr e D ε ile değişimi SONUÇ Bir üeinde arı ısı anaları blnan diğer darları alıtılmış olan düşe anal içerisindei aış e ısı transferi için, düeltilmiş Grasof saısı e ısı analarının üe ama etileri saısal e denesel olara incelenmiştir. Çalışma apsamında elde edilen sonçlar ş şeilde sıralanabilir: Düeltilmiş Grasof saısının artışıla, ısı analarından aaa olan taşınımla ısı transferi artmatadır. Isı analarının üe ama atsaılarının artışı soncnda ışınımla ısı transferi artmata, b drm aış ortamı içerisinde ısıl e ı sınır tabaaları önemli ölçüde etilemetedir. Isı analarının üe ama atsaılarının artması soncnda taşınımla ısı transferi aalmatadır. Haanın anal içerisinde ısınmasıla birlite ısı analarından aaa olan ısı transferi aalmatadır. EŞEKKÜR B çalışma ÜBİAK tarafından 114M589 nol proje apsamında destelenmiştir. KAYNAKLAR [1] W. YAN AND. LIN, "Natral conection eat transfer in ertical open cannel flos it discrete eating", International Commnications in Heat and Mass ransfer, ol. 14, no., pp. 187-00, 1987. [] M. CHADWICK, B. WEBB AND H. HEAON, "Natral conection from discrete eat sorces in a erticall ented rectanglar enclosre", Eperimental Heat ransfer, ol. 4, no. 3, pp. 199-16, 1991. [3] D. ELPIDOROU, V. PRASAD AND V. MODI, "Conection in a ertical cannel it a finite all eat sorce", International Jornal of Heat and Mass ransfer, ol. 34, no., pp. 573-578, 1991. [4] C. CHOI AND A. OREGA, "Mied conection in an inclined cannel it a discrete eat sorce", International Jornal of Heat and Mass ransfer, ol. 36, no. 1, pp. 3119-3134, 1993.
1035 [5] M. FUJII, S. GIMA,. OMIMURA AND X. ZHANG, "Natral conection to air from an arra of ertical parallel plates it discrete and protrding eat sorces", International Jornal of Heat and Flid Flo, ol. 17, no. 5, pp. 483-490, 1996. [6] R. BESSAIH AND M. KADJA, "rblent natral conection cooling of electronic components monted on a ertical cannel", Applied ermal Engineering, ol. 0, no., pp. 141-154, 000. [7] O. MANCA, S. NARDINI AND V. NASO, "Effect on Natral Conection of te Distance Beteen an Inclined Discretel Heated Plate and a Parallel Srod Belo", Jornal of Heat ransfer, ol. 14, no. 3, p. 441, 00. [8] G. DESRAYAUD, A. FICHERA AND G. LAURIA, "Natral conection air-cooling of a sbstratemonted protrding eat sorce in a stac of parallel boards", International Jornal of Heat and Flid Flo, ol. 8, no. 3, pp. 469-48, 007. [9] M. GAVARA, "Natral conection in a ertical cannel it arras of fls-monted eaters on opposite condctie alls", Nmerical Heat ransfer, Part A: Applications, ol. 6, pp. 111-135, 01. [10] D. MISHRA, K. MURALIDHAR AND P. GHOSHDASIDAR, "Comptation of flo and eat transfer arond a ertical discrete protrding eater sing an operator-splitting algoritm", Nmerical Heat ransfer, Part A: Applications, ol. 8, no. 1, pp. 103-119, 1995. [11] H. ÜRKOĜLU AND N. YÜCEL, "Mied conection in ertical cannels it a discrete eat sorce", Heat and Mass ransfer, ol. 30, no. 3, pp. 159-166, 1995. [1] S. DU, E. BILGEN AND P. VASSEUR, "Mied conection eat transfer in open ended cannels it protrding eaters", Heat and Mass ransfer, ol. 34, no. 4, pp. 63-70, 1998. [13] P. GUIMARÃES AND G. MENON, "Combined free and forced conection in an inclined cannel it discrete eat sorces", International Commnications in Heat and Mass ransfer, ol. 35, no. 10, pp. 167-174, 008. [14] L. BOUINA AND R. BESSAÏH, "Nmerical simlation of mied conection air-cooling of electronic components monted in an inclined cannel", Applied ermal Engineering, ol. 31, no. 11-1, pp. 05-06, 011. [15] G. XU, K. OU AND C. SO, "Nmerical modelling of trblent eat transfer from discrete eat sorces in a liqid-cooled cannel", International Jornal of Heat and Mass ransfer, ol. 41, no. 10, pp. 1157-1166, 1998. [16] C. GURURAJA RAO, C. BALAJI AND S. VENKAESHAN, "Effect of srface radiation on conjgate mied conection in a ertical cannel it a discrete eat sorce in eac all", International Jornal of Heat and Mass ransfer, ol. 45, no. 16, pp. 3331-3347, 00. [17] R. MAHEWS AND C. BALAJI, "Nmerical simlation of conjgate, trblent mied conection eat transfer in a ertical cannel it discrete eat sorces", International Commnications in Heat and Mass ransfer, ol. 33, no. 7, pp. 908-916, 006. [18] G. RAO AND G. NARASIMHAM, "Laminar conjgate mied conection in a ertical cannel it eat generating components", International Jornal of Heat and Mass ransfer, ol. 50, no. 17-18, pp. 3561-3574, 007. [19] R. MAHEWS, C. BALAJI AND. SUNDARARAJAN, "Comptation of conjgate eat transfer in te trblent mied conection regime in a ertical cannel it mltiple eat sorces", Heat and Mass ransfer, ol. 43, no. 10, pp. 1063-1074, 006. [0] B. PREMACHANDRAN, C. BALAJI, "Conjgate mied conection it srface radiation from a ertical cannel it protrding eat sorces", Nmerical Heat ransfer, Part A: Applications, ol. 60, pp. 171-196, 011. [1] S. LONDHE AND C. GURURAJA RAO, "Interaction of srface radiation it conjgate mied conection from a ertical cannel it mltiple discrete eat sorces", Heat and Mass ransfer, ol. 50, no. 9, pp. 175-190, 014. [] ANSYS INC., ANSYS Flent User s Gide Release 15., 013.
1036 ÖZGEÇMİŞ Bğra SARPER 1988 ılında Kona da doğd. İl e orta öğrenimini Kona da tamamladı. 010 ılında, Ercies Üniersitesi Müendisli Faültesi Maina Müendisliği Bölümü nde Lisans, 013 ılında Gümüşane Üniersitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Maine Müendisliği Anabilim Dalı'nda Yüse Lisans eğitimini tamamladı. Halen Karadeni eni Üniersitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Maine Müendisliği Anabilim Dalı'nda dotora eğitimini sürdürmetedir. 011 ılından beri Gümüşane Üniersitesi Maine Müendisliği Bölümü nde araştırma görelisi olara çalışmatadır. Eletroni ciaların soğtlması üerine çalışmalarını sürdürmetedir. Soner BİRİNCİ 199 ılı rabon doğmldr. İl e orta öğrenimini rabon da tamamladı. 015 ılında, Karadeni eni Üniersitesi Müendisli Faültesi Maine Müendisliği Bölümü nden men old. 016 ılında Karadeni eni Üniersitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Maine Müendisliği Anabilim Dalı nda başladığı üse lisans eğitimine alen deam etmetedir. Memet SAĞLAM 1991 ılı Çorm doğmldr. 014 ılında KÜ Müendisli Faültesi Maina Bölümünü bitirmiştir. 014 ılında anı üniersitenin ermodinami ana bilim dalında Araştırma Görelisi olara göree başlamıştır. Haa ile eletroni soğtma onsnda Yüse Lisans çalışmalarını sürdürmetedir. Oran AYDIN Karadeni eni Üniersitesi Maina Müendisliği ermodinami Anabilim Dalı öğretim üelerinden olan Adın, 007 ılında profesör nanını aldı. Adın'ın araştırma ilgisi, termodinami, ısı e ütle transferi, aışanlar meaniği, miro-eletro-meani sistemlerde aış fiiği, eletroni soğtma e enerji depolama gibi alanlarda oğnlaşmıştır. Mete AVCI Karadeni eni Üniersitesi Maina Müendisliği Bölümü Enerji Anabilim Dalı nda öğretim üesi olara göre apmatadır. Miroanallarda ısı e ütle transferi, ısıl enerji depolama, Netonms olmaan aışanlar dinamiği e göeneli ortamlarda atarım onlarında çalışmatadır.