Derleme Mklesi / Review Article Iğdır Üni. Fen Bilimleri Enst. Der. / Iğdır Univ. J. Inst. Sci. & Tech. 7(1): 2 237-249, 2017 Iğdır Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi Iğdır University Journl of the Institute of Science nd Technology Mikroknllrd Nnokışknlrın Kynmlı Akış Krkteristikleri Eyüphn MANAY 1 ÖZET: Mikrocihzlrd giderek rtn ısı kısı değerleri nedeniyle geleneksel ısı trnsfer rttırım yöntemleri mikrosistemlerin soğutulmsınd yetersiz klmktdır. Kynm ile ısı trnsferi yüksek ısı trnsfer ktsyılrının elde edilmesi ynınd yüzey sıcklığının neredeyse sbit olmsı nedeniyle yüksek ısı tımını gerektiren mikrosistem uygulmlrı için önemli bir potnsiyele shiptir. Diğer yndn geleneksel kışknlr yerine nnokışknlrın kullnımı yüksek ısıl performns için önemli bir lterntif olrk düşünülmektedir. Nnokışknlrın tek fzlı ısı trnsferiyle ilgili birçok çlışm olmsın rğmen mikroknllrd kynmlı kış durumund nnokışkn kullnımıyl ilgili sınırlı syıd çlışm mevcuttur. Litertürde nnokışknlrın kynmlı kışt kullnımının bzı çlışmlr göre uygun olup olmdığı yönünde belirsizlikler vrdır. Bu nedenle nnokışknlrın kynmlı kış şrtlrınd kullnılbilirliği ile ilgili dh kpsmlı çlışmlr ihtiyç vrdır. Bu çlışmd, frklı nnokışknlr ile ypıln deneysel çlışmlr derlenmiş ve nnokışknlrın mikroknllrd kynmlı kışt kullnımının vntj ve dezvntjlrı belirlenmeye çlışılmıştır. Anhtr kelimeler: Kynmlı kış, kritik ısı kısı, mikroknl, nnokışkn Flow Boiling Chrcteristics of Nnofluids in Microchnnels Cilt/Volume: 7, Syı/Issue: 1, Syf/pp: 237-249, 2017 ISSN: 2146-0574, e-issn: 2536-4618 DOI: 10.21597/jist.2017127436 ABSTRACT: Due to the ever incresing het flux vlues, trditionl het trnsfer enhncement methods fil to stisfy on cooling of micro systems. Flow boiling het trnsfer hs gret potentil for the pplictions requiring high het removl rtes becuse high het trnsfer coefficients re chieved in ddition to surfce temperture to be nerly constnt. On the other hnd, use of nnofluids insted of trditionl fluids is thought to be n importnt lterntive for high therml performnce. Although there re numerous study on the single phse het trnsfer of nnofluids, few number of study concerning with the flow boiling het trnsfer of nnofluids in microchnnels exists. In the literture, there re some conflicts on whether the use of nnofluids in flow boiling is pproprite or not. Thus, more detiled studies on the usbility of nnofluids in boiling flow conditions re required. In this study, experimentl studies conducted by with nnofluids were reviewed, nd the dvntges nd disdvntges of the using nnofluids in boiling flows in microchnnels were determined. Keywords: Criticl het flux, flow boiling, microchnnel, nnofluid 1 Erzurum Teknik Üniversitesi, Mühendislik Mimrlık Fkültesi, Mkine Mühendisliği, Erzurum, Türkiye Sorumlu yzr/corresponding Author: Eyüphn MANAY, emny@erzurum.edu.tr Geliş trihi / Received: 15.04.2016 Kbul trihi / Accepted: 20.06.2016
Eyüphn MANAY GİRİŞ Elektronik cihzlrın boyut ve ğırlıklrının gittikçe zlmsı ve dh kompkt hle gelmesi bu cihzlrın birim lnındn oln ısı trnsferi yyılım miktrının önemli ölçüde rtmsın yol çmıştır. Hvcılık, svunm, uzy, tıp gibi yüksek teknoloji lnlrınd kullnıln elektronik ekipmnlrın rtn ısı kısı değerleri nispeten dh z yüzey sıcklık rtışının görüldüğü iki fzlı soğutm uygulmlrını czip hle getirmektedir (Ritchey et l., 2014). Diğer yndn, insn kciğerlerindeki solunum sisteminde, böbreklerdeki boşltım sisteminde ve doğdki diğer birçok cnlı sistemlerde gözlemlendiği üzere, mikro ölçüdeki psjlrd tşınım süreci dh verimli gerçekleşmektedir (Kndlikr et l., 2013). Mikroknllrın yüksek ısı trnsfer ln/hcim ornın ship olmsı ve kış ve ısı trnsfer krkteristiklerinde mkro ölçekteki knllr kıysl frklı kuvvetlerin ön pln çıkmsı yeni bir tşınım prosesinin oluşmsın neden olmuştur (Kndlikr et l. 2014). Mikroknllr yüksek ısı trnsfer ln/ hcim değerine ship olduklrındn dolyı küçük yüzeylerden yüksek miktrd ısı trnsferi gerçekleştirmektedirler. Bu ise ısı trnsferi sistemlerinde dh z miktrd kışkn ile dh fzl ısı trnsferi elde edilmesine olnk sğlmktdır. Öte yndn, kynm sırsınd sıvı-gz fz değişiminde buhrlşm gizli ısının kullnılmsı, yüzey sıcklığının neredeyse sbit klmsı ve böylelikle yüksek ısı trnsfer ktsyılrının elde edilmesine yol çmktdır (Kndlikr, 2016). Kynmlı kışın mkro knllr yerine mikroknllrd kullnılmsı ise sistemin ısı trnsferi performnsını rtırmktdır. Son yıllrd ivme kznn teknolojik gelişmeler yüksek etkinliğe ship ısı trnsferi sistemlerine oln ihtiycın dh d rtmsın yol çmıştır. Isı trnsferinin iyileştirmesi için ktif ve psif metodlr içeren birçok rştırm ypılmıştır (Bhirei ve Hngi, 2015). İlk olrk (Choi, 1995) trfındn önerilen kışknın ısıl özelliklerini rttırmk için temel kışkn nnoprtikül eklenmesi fikri birçok rştırmcının nnokışknlrl ısı trnsferi rttırımı konusun yoğunlşmsını sğlmıştır. Bu mklede mikroknllrd nnokışknlrın kynmlı kışt termofiziksel özellikleri, kış ve ısı trnsfer krkteristikleri ile ilgili son zmnlrd ypılmış oln çlışmlr özetlenmiş ve litertür değerlendirmesi ypılmıştır. Mikroknllrd Nnokışknlrın Kynmlı Akış Krkteristikleri Bu bölümde, nnokışknlrın mikroknllrd kynmlı kış it kış rejimleri, ısı trnsfer ktsyısı, bsınç düşüşü, kritik ısı kısı krkteristikleriyle ilgili bir litertür değerlendirmesi ypılmıştır. Kynmlı kışt nnokışkn kullnımının ısı trnsferi, bsınç düşüşü ve kritik ısı kısın etkisi rştırn çlışmlr sırsıyl Çizelge 1 ve Çizelge 2 de verilmiştir. Bu tblolrd verilen deneysel çlışmlr genellikle mini knllrd y d mkro ölçekte ypılmış çlışmlrı içermektedir. Litertürde nnokışknlr ile ypılmış mikroknllrd kynmlı kış ısı trnsfer krkteristiklerini inceleyen yyınlnmış çok z syıd çlışm vrdır. Son zmnlrd ypılmış çlışmlr Çizelge 3 te özetlenmiştir. 238 Iğdır Üni. Fen Bilimleri Enst. Der. / Iğdır Univ. J. Inst. Sci. & Tech.
Mikroknllrd Nnokışknlrın Kynmlı Akış Krkteristikleri Çizelge 1. Nnokışknlrın kynmlı kış ısı trnsfer ktsyısı ile ilgili ypıln deneysel çlışmlrın özeti (Fng et l., 2015) Yzr Fukner et l., 2003 Peng et l., 2009 Kim et l., 2010 Boudouh et l., 2010 Henderson et l., 2010 Xu nd Xu, 2012 Abedini et l., 2013 Chehde et l., 2013 Rn et l., 2013; Rn et l., 2014 Sun nd Yng, 2014 Srfrz nd Hormozi, 2014 Akış Prmetreleri: Çıkış bsıncı P (kp) /d (mm)/l (mm)/g (kg m -2 s) /q (kw m -2 ) 101/0.923-1.714/10/ /100-2750 78.25/8.12/1400/100-200/3.08-6.16 101/5.53/100/1500-2500/100-7500 Nnokışknlr; konsntrsyon, Al-N/su; 0.25-0.5 wt% Prtikül boyutu (nm) Yüzey Anlizi Isı Trnsferi Hem rtış hem de zlm mevcuttur CuO/R113; 0-0.5 wt% 40 TEM % 29.7 lik rtış /su, ZnO/su, elms/su; 0.001-0.1 /0.8/160/167-616/ Cu/su; 0.00056-0.0056 835/7.9/2000/125-390/5.8-16.2; 336/7.9/2000/125-390/0.7-3.1 101/0.143/7.5/171-401/0-1000 101/10/1000/137-303/51-102 101/0.8/160/87-653/3-6 101/21.8/500/405-710/100-550 Mevcut değil vey yyınlnmmış SiO 2 /R134; 0.05-0.5. CuO/R134/POE; 0.02-0.08 40-165.4 SEM Birbirine ykın (±% 20 içerisinde). 35 Artn konsntrsyonl berber rtış 200-300 SiO2 için 30 CuO için /su; 0.2 wt% 40 SEM TEM SiO 2 /R134 için % 55 zlm; CuO/R134/ POE için >% 100 rtış % 17 rtış Artn konsntrsyonl TiO 2 /su; 0.1-2.5 20 berber rtış Ag/su; 0.000237-35 % 132-% 162 rtış 0.000475 ZnO/su; 0.001-0.01 101/10/1400/120-330/ Cu/R141b, Al/R141b, /R141b, CuO/ R141b, 0.1-0.3 wt% 40 SEM /30/140/353-1059/0-190 CuO/su; 0.5-1.5 50 SEM Artn konsntrsyonl rtış 40 Cu/R141b için % 49 rtış Konsntrsyon ile kötüleşme Boudouh et l. (2010) bkır bir plk üzerine yerleştirilmiş hidrolik çpı 800 µm oln dikdörtgen kesitli 50 det prllel knl kullnrk Cu-su nnokışknının kış kynm ısı trnsferi ve bsınç düşüşü krkteristiklerini incelemiştir. Ortlm çpı 35 nm oln bkır nnoprtiküller % 0.00056, 0.0011 ve 0.0056 olck şekilde çok düşük hcimsel ornlrd temel kışkn su içerisine dğıtılmıştır. Nnoprtikül konsntrsyonuyl berber yüzey sıcklığı zlmıştır. Knl çıkış bölgesinde % 0.0011 hcimsel nnoprtikül ornı için doym sıcklığı sf suy göre zlrk 98 o C olmuştur. Temel kışkn içerisindeki bkır nnoprtiküller lokl olrk ısı trnsferini rttırrk kynm bşlngıcını hızlndırmıştır. Nnoprtikül konsntrsyonun bğlı olrk yerel ısı trnsfer ktsyısının değişimi Şekil 1 d verilmiştir. Nnoprtikül konsntrsyonuyl berber rtn ısı trnsfer ktsyısı, mikroknl yüzeyi ve kışkn giriş sıcklığının zlmsının ynınd kynm yüzeyinde nnoprtiküllerin etkisiyle rtn lokl ısı kısındn kynklnmktdır. Cu nnoprtikül konsntrsyonuyl rtn yerel ısı kısı ynı zmnd buhr klitesini de rttırmıştır. Şekil 1b frklı nnoprtikül konsntrsyonu için buhr kuruluk derecesine bğlı olrk knl boyunc oluşn toplm bsınç kyıplrını göstermektedir. Cilt / Volume: 7, Syı / Issue: 1, 2017 239
Eyüphn MANAY Şekil 1. Cu-su nnokışknı için hcimsel konsntrsyon ornın bğlı olrk () yerel ısı trnsfer ktsyısı değişimi (b) toplm bsınç düşüşü (Boudouh et l., 2010) Lee nd Mudwr (2007) bir mikroknllı ısı lıcıd -su nnokışknını kullnrk kış kynm deneyleri gerçekleştirmişlerdir. Kullnıln lüminyum oksit prtikülleri 36 nm ortlm büyüklüğünde olup temel kışkn oln sudki hcimsel konsntrsyon değerleri % 1 ve % 2 dir. Deneyler, bkır blok üzerine işlenmiş, 215µm genişliğinde ve 821 µm derinliğinde 21 det prllel mikroknl kullnılrk gerçekleştirilmiştir. Kynm olyı bşldığınd mikroknl çıkışın ykın bölgede yerel buhrlşmdn dolyı nnoprtiküllerin büyük kümeler hlinde birikmeye bşldığını gözlemlemişlerdir. Bu kümelenme hızlı bir şekilde mikroknl girişine doğru ilerlemiş ve bütün knl yyılrk kışknın ısı lıcısı içerisine girişini engellemiştir. Dolyısıyl, nnoprtiküllerin n kışkn içerisinde topklnmlrını engellemek ve r yüzey özelliklerini iyileştirmek için yüzey ktif mddeler kullnılmlıdır. Vfi nd Wen (2010; 2011) 510 µm çplı tek bir mikroknl içerisinde -su nnokışknının sıkıştırılmış sıvı kış kynm özelliklerini 600-1650 kg m -2 s -1 rsınd değişen kütlesel kı rlığınd deneysel olrk incelemişlerdir. Deneylerde kullnıln lüminyum oksit nnoprtiküllerinin ortlm büyüklüğü 25 nm dir. Kynm kritik ısı kısı değerinin hem sf su hem de -su nnokışknı için rtn kütlesel debi ile rttığı gözlenmiştir. Sf su ile krşılştırıldığınd -su nnokışknının kynm kritik ısı kısı değerinde % 0.1 gibi çok düşük nnoprtikül konsntrsyonund % 51 lik gibi kyd değer bir rtış görülmüştür. Nnokışkn kynmsınd dh fzl kbrcık oluşumunun meydn geldiği fkt ömürlerinin dh kıs olduğu gözlenmiştir. Sf su ve nnokışkn için frklı ynm olyı krkteristikleri elde edilmiştir. -su nnokışknı kullnımınd iğne deliği şeklinde ynık bölgeler oluşmuştur. Yüzeyde nnoprtiküllerin birikmesinin kızgın noktlrın oluşmsın neden olbileceği vey mikroknl içinde büyüyen kbrcıklrın ltınd kln kuru bölgelerin genişlemesinin nnoprtiküller trfındn engellenmesi bu tip bir ynm şekline yol çbileceği belirtilmiştir. 240 Iğdır Üni. Fen Bilimleri Enst. Der. / Iğdır Univ. J. Inst. Sci. & Tech.
Mikroknllrd Nnokışknlrın Kynmlı Akış Krkteristikleri Çizelge 2. Nnokışknlrın kynmlı kış kritik ısı kısı değeriyle ilgili ypıln deneysel çlışmlrın özeti (Fng et l., 2015) Yzr Akış Prmetreleri: Çıkış bsıncı P (kp) /d (mm)/l (mm)/g (kg m -2 s) /q (kw m -2 ) Nnokışkn türü ve konsntrsyonu Prtikül boyutu (nm) Yüzey Anlizi Kritik Isı Akısı Kim et l., 2008 Kim et l., 2009 Ahn et l., 2010 Kim et l. 2010 Vfi nd Wen, 2010 Vfi nd Wen, 2011 Lee et l., 2012 Lee et l., 2013 Lee et l., 2013 101/8.7/240/ 1000/0-3000 /su;0.01-0.1 101/5.53//1500-2500/ /su, ZnO/su, elms/su; 0.001-0.1 /10 5 (dikdörtgen)/1200/0-4000/0-3000 101/10.98/500/100-300/10-2000 101/0.51/306/600-1650/246.14 101/0.51/306/600-1980/175 101/12.7/500/100-250/100-3500 40-50 % 30 rtış <100 SEM /su, ZnO/ su, elms/su nnokışknlrı için sırsıyl % 53, % 53 ve % 38 lik rtış /su;0.01 47 TEM % 25-% 51 rtış /su;0.001-0.1 /su;0.001-0.1 /su;0.001-0.1 /su;sic/su; 0.01 50 FE-SEM % 70.2 rtış 25 SEM % 51 rtış 25 SEM 50 SEM Çok düşük konsntrsyon /su için % 15 rtış ve SiC/su için % 41 rtış 101/12.7/500/100-250/100-3500 GO/su; 0.01 SEM % 100 rtış 110/10.92/250/100-500/ Fe 2 /su, /su; 0.01-0.1 25 SEM Fe O /su için önemli 2 3 bir rtış Mevcut değil vey yyınlnmmış Nnoprtikül yoğunluğunun rtmsıyl mikroknl yüzeyi üzerinde oluşn gözenekli ypı tbksının klınlığının rttığı ve dh yoğun hle geldiği gözlenmiştir (Şekil 2-I). Kynm yüzeylerinde ypıln detylı gözlemler, prtikül konsntrsyonunun rtışıyl kirlenme etkilerinin knl çıkışınd dh belirgin hle geldiği ve yüzey özelliklerinin değiştiğini orty çıkrmıştır (Şekil 2-II). Düşük prtikül hcimsel orn değerlerinde nnokışknın ısı trnsfer ktsyısı ve Nusselt syısınd önemli bir rtış gözlenirken silikon mikoknllr boyunc bsınç düşüşünde ki rtış nispeten dh z olmuştur. Nnokışknın Nusselt syısının, rtn Reynolds syısı, Prndtl syısı ve nnoprtikül konsntrsyonu ile berber rttığı görülmüştür. Şekil 2. (I) Frklı hcimsel ornlr için SEM görüntüleri () sf su (b) % 0.001 lüminyumoksit, (c) % 0.01 lüminyumoksit, (d) % 0.1 lüminyumoksit, (II) % 0.1 lüminyumoksit için test bölümünün () girişine, (b) çıkışın it SEM görüntüleri (Vfi nd Wen, 2010) Cilt / Volume: 7, Syı / Issue: 1, 2017 241
Eyüphn MANAY Duursm et l. (2015) hidrolik çpı 571 µm, 762 µm ve 1454 µm oln diresel kesitli yty mikroknllrd lüminyum oksit/etnol nnokışknı kullnrk tek fzlı kış ve kynmlı kış ısı trnsferi krkteristiklerini deneysel olrk incelemişlerdir. Deneylerde, Reynolds syısı 2.3 ile 18.1 rsınd değişirken, mikroknl duvrlrın 1.5 ile 9 kw m -2 rlığınd değişen sbit üniform ısı kısı değeri uygulnmıştır. Deneyler, lüminyum oksit prtikül konsntrsyon değerleri % 0.01 ile % 0.1 rsınd oln nnokışknlr ile gerçekleştirilmiştir. Deney verilerine göre tek fzlı kışt, mikroknl içerisindeki bsınç düşüşü nnoprtikül konsntrsyonu ile önemli bir değişim göstermemiştir. Kynmlı kışt ise mikroknl bsınç kyıplrı krrsız ve dlglı bir şekil lmıştır. Mikroknl giriş bsınç değerleri çıkış değerlerine kıysl dh büyük slınım genliğine shipken frekns değerleri giriş ve çıkışt birbirine ykın olrk ölçülmüştür. Kynmlı kışt etnole lüminyum oksit nnoprtiküllerinin ilve edilmesinin sf etnole göre ısı trnsferini rttırdığı görülmüştür. % 0.05 nnoprtikül konsntrsyon değerinde sf etnole göre nnokışknın ısı trnsfer ktsyısınd mksimum beş ktlık bir rtış görülmüştür. Dh yüksek konsntrsyon değerlerinde ısı trnsfer ktsyısınd zlm meydn gelmiştir. Şekil 3 frklı Reynolds syılrı için sf etnol ve değişik konsntrsyon ornlrın ship lüminyumoksit-etnol nnokışknının knl boyunc ısı trnsfer ktsyısının değişimini göstermektedir. Isı trnsferindeki mksimum rtışın knl çıkışın ykın bölgede meydn gelidiği görülmüştür. Deneyde, ynı zmnd mikroknl içerisinde nokışkn kynmsın it kış rejimleri ve kış sıvı-gz r yüzeyinin biçimi yüksek hız görüntüleme teknikleri kullnılrk incelenmiştir. Şekil 4 deney sırsınd mikroknld gözlenen kış kynm biçimlerini göstermektedir. Alüminyum oksit nnoprtikül ilvesinin sdece sf etnole göre sıvı/gz ryüzeyini dh krrlı hle getirdiği gözlenmiştir. Kynm sırsınd yüzeyde toplnn nnoprtiküllerin, lokl prtikül konsntrsyonun rttığı bu durum nnokışkn viskozitesinin rtmsın yol çrk sıvı/ gz ryüzeyinin dh krrlı olmsın yrdımcı olduğu öne sürülmüştür. Bu durumun yüksek Reynolds syılrınd ve ısı kısı değerlerinde dh belirgin hle geldiği gözlenmiştir. Ayrıc, nnokışkn kullnımınd yüzey tems çısının sf etnole göre rttığı gözlenmiş ve üçlü tems noktsı civrının ısı trnsferi için önemli olduğu ifde edilmiştir (Şekil 4b). Xu nd Xu (2012) boyutu 100 250 7500 µm oln tek bir mikroknl içerisinde sf su ve ğırlıkç % 0.2 ornınd ortlm prtikül boyutu 40 nm lüminyum oksit içeren -su nnokışknı için kış kynm ısı trnsfer özelliklerini incelemişlerdir. Şekil 3. Isı trnsfer ktsyısının nnoprtikül knsntrsyonuyl değişimi () Re=4.5 q=4.5 kw m -2, (b) Re=11.3 q=7.5 kw m -2 (Duursm et l., 2015) 242 Iğdır Üni. Fen Bilimleri Enst. Der. / Iğdır Univ. J. Inst. Sci. & Tech.
Mikroknllrd Nnokışknlrın Kynmlı Akış Krkteristikleri Şekil 4. () Mikroknld nnokışkn kynm kış biçimleri, (b) % 0.01 etnol hcimsel konsntrsyond tems çısı (c) sf etnolde tems çısı (Duursm et l., 2015). Mikroknllrd kynm sırsınd oluşn kbrcıklr küçük knl genişliğinden dolyı mikroknl yüzeyleri trfındn hpsedilir ve kış doğrultusund uzmış kbrcık oluşumun neden olur. Oluşn bu uzun ypıdki kbrcık knl girişine doğru hreket ederek knlı bloke eder ve knldki bsıncın yükselmesine ve kütlesel debinin zlmsın yol çr. Fz değişimi sırsınd tekrrlyn biçimde kbrcıklrın birleşmesi ve prçlnmsı kynm prosesini krrsız hle getirmektedir (Şekil 5). Şekil 5. Kbrcıklrın kynm sırsınd birleşme ve yrılmsı (sf su için) (Xu nd Xu, 2012) Mikroknllrd kynmlı kışt nnokışkn kullnılmsı durumund kynm prosesinin dh krrlı hle geldiği gözlenmiştir. Nnokışknlı kynm prosesinde mikroknl içerisinde uzmış kbrcıklr yerine Şekil 6 ve 7 de görüldüğü gibi çok syıd fkt dh küçük boyutt kbrcık oluşumunun kynmyı krrlı hle getirdiği öne sürülmüştür. Küçük kbrcık oluşumunun mikroknl içerisinde uzun kbrcıklı kış yerine isole edilmiş kbrcıklı kış olnk vermesi knlın bloke edilmesini dolyısıyl bsınç dlglrının oluşmsını engellemiştir. Ayrıc nnokışknlı kynmd dh düşük ısıtıcı yüzey sıcklığı elde edilmiş olup bu durum nnokışknın kynmyı dh stbil hle getirmesinin ynısır kynm ısı trnsferini rttırdığının d bir göstergesidir. Nnokışknlı kynmd ısıtıcı yüzey üzerinde görülen kuru buhr tbksının zlmsı, sıvı film tbksının rtmsı ve nnoprtiküllerin sınır tbkyı rhtsız ederek mikro tşınımı rttırmsı kynm ısı trnsferinin rtmsın yol çmıştır. Cilt / Volume: 7, Syı / Issue: 1, 2017 243
Eyüphn MANAY Şekil 6. Ktı-sıvı-gz üçlü fz tems çizgisi () su için (b) nnokışkn için (Xu nd Xu, 2012) Şekil 7. Nnokışkn kynm sırsınd kbrcık oluşumu (Xu nd Xu, 2012) Vfi nd Wen (2014) 510 µm çplı tek bir mikroknld -su nnokışknının kritik ısı kısı değerini deneysel olrk incelemişlerdir. Deneyler, % 0.001, % 0.01 ve % 0.1 hcimsel nnoprtikül yoğunluğun ship nnokışknlrl ypılmıştır. Nnokışkn kynmlı kışınd mikroknl içerisinde 40-140 kp rlığınd değişen bsınç dlglnmlrı görülmüştür. Bu slınımlı değişim kynm sırsınd oluşn kbrcıklrın mikroknl çeperleri trfındn sınırlndırılmsındn kynklnmktdır. Nnokışkn kullnımınd görülen bsınç düşüşü ve sıcklık periyodunun ve genliğinin sf suy nzrn dh büyük olduğu gözlenmiştir. 85 o C nnokışkn lt soğutm değerinde, sf suy göre kritik ısı kısındki rtış kütle kısın göre % 4-31 rlığınd iken 45 o C lik lt soğutm için bu rtış % 8-51 rsınd olmuştur (Şekil 8). Nnokışkn kullnımınd yüksek ısı kısı değerlerinde Şekil 8b de görüldüğü gibi iğne deliği şeklinde yüzeyde ynm görülmüştür. Şekil 8. () Kritik ısı kısının hcimsel konsntrsyon ve kütlesel kı ile değişimi, (b) kritik ısı kısındn dolyı yüzeyde meydn gelen ynm (Vfi nd Wen, 2014) 244 Iğdır Üni. Fen Bilimleri Enst. Der. / Iğdır Univ. J. Inst. Sci. & Tech.
Mikroknllrd Nnokışknlrın Kynmlı Akış Krkteristikleri Edel nd Mukherjee (2013; 2015) dikdörgen kesitli 229 µm hidrolik çplı prinçten ypılmış tek bir mikroknld sf su ve hcimsel olrk % 0.001 lüminyum oksit nnoprtikül içeren -su nnokışknın it kış kynm krkteristiklerini deneysel olrk incelemişlerdir. Kynmlı kışt mikroknl içerisinde uzun kbrcık oluşumunun knl girişine doğru gelişmesi nnokışkn kullnılmsı durumund sf suy göre dh yvş gerçekleşmiştir. Aynı zmnd, rtn ısı kısı mikroknl yüzey sıcklığını ve uzun kbrcık oluşum bşlngıç noktsının knl girişine doğru ilerleme hızını rttırmıştır. Mikroknl yüzeyinde nnoprtikül birikmesinden dolyı uzun kbrcık oluşum bşlngıç noktlrı knl boyunc yyılm göstermekle birlikte knlın çıkış bölgesine ykın bir noktd yoğunluk göstermiştir. Sf su deneylerinde ise bu noktlr knld gelişigüzel bir dğılım göstermiştir (Şekil 9). Morshed et l. (2013) 672 µm hidrolik çpındki tek bir bkır mikroknld yüzey morfolojisinin kış kynm özellikleri üzerindeki etkisini deneysel olrk incelemişlerdir. İlk olrk bkır mikroknld lüminyumoksit-etnol nnokışknı ile hvuz kynm prosesi gerçekleştirilerek knl yüzeyinin nnoprtikülleriyle kplnmsı sğlnmıştır. Dh sonr sf su ile kış kynm deneyleri gerçekleştirilmiştir. Şekil 9. Zmn bğlı olrk uzun kbrcık oluşumu bşlngıç yeri () Re=100 q=130 kw m -2 (b) Re=100 q=300 kw m -2 (Edel nd Mukherjee, 2015) Kynmlı kış deneyleri süresince çok ince nnoprtikül tbksının mikroknl yüzeyinde bulunmy devm ettiği ypıln SEM nliziyle görülmüştür (Şekil 10). nnoprtiküllerinin kynm bşlngıcını kplmsız yüzeye göre bir miktr geciktirdiği görülmüştür. Kplmsız çıplk bkır mikroknl ve lüminyumoksit nnoprtikülleriyle kplı mikroknld kynmnın benzer olrk mikroknl çıkışınd bşldığı gözlenmiştir. Bununl birlikte, nnotbknın ince olmsının bsınç kyıplrı üzerinde gözle görülür bir rtış meydn getirmeyeceği söylenebilir. Nnoprtikül kplmsın ship mikroknld ısı trnsfer ktsyısının kütlesel kıdn bğımsız olduğu görülmüştür. Cilt / Volume: 7, Syı / Issue: 1, 2017 245
Eyüphn MANAY Şekil 10. nnoprtikülleriyle kplnmış bkır yüzey () Birikmeden hemen sonr kplnmış bkır yüzey (b) Kynm deneyi sonrsı kplnmış Cu yüzeyi (c) Kplmsız bkır borunun SEM görüntüsü (d) Kynm sonrsı kplnmış bkır yüzeyin SEM görüntüsü (Morshed et l. 2013) Diğer trftn, nnoprtikül kplmsının çıplk yüzeye göre kritik ısı kı değerini kütlesel debiye bğlı olrk % 17-39 rsınd rttırdığı görülmüştür. Düşük kütlesel debilerde rtış ornının dh fzl olduğu görülmüştür. Nnoprtikül kplmnın yüzeyin ısttılbilirliğini rttırrk mikroknl yüzeyinde buhr tbksının oluşumunu geciktirmesi yüksek ısı kısı değerlerinin elde edilmesini sğlmıştır (Şekil 11). Şekil 11. Nnoprtiküllerle kplı yüzeyde kritik ısı kısı rttırım meknizmsı (Morshed et l. 2013) Nnokışknlr ile kynmlı kış, ısıtıcı yüzeyi üzerinde nnoprtiküllerin birikmesine yol çr. Yüzeyde biriken ince nnoprtikül tbksı knl yüzeyinin ısltılbilirliğini değiştirir. Nnoprtiküller sttik tems çısının zlmsın yol çrk yüzeyin ısltılbilirliğini rttırmışlrdır (Ahn nd Kim, 2011). Nnoprtikül ilvesiyle yüzey pürüzlülüğündeki ve dezyon kuvvetindeki rtış yüzey ısltılbilirliğini rttırmıştır (Kndlikr et l., 2014). Yüksek ısltılbilirlik kbrcık dinmiğini değiştirerek kritik ısı kısı değerini rttırır. Yüzeyde nnoprtikül birikmesi nnoprtiküllerin boyutu ve dğılımı, ısı kısı, nnoprtikül-sıvı etkileşimi, nnoprtikül konsntrsyonu, çlışm süresi ve yüzey pürüzlülüğü gibi birçok prmetreye bğlı olduğındn deneysel sonuçlr rsınd frklılıklr yol çmktdır. Nnokışkn kullnmk yerine mikrofbriksyon teknikleri kullnrk ısıtıcı yüzey üzerinde nnoypılı bir tbk oluşturmk nnokışknlrl edinilen üstünlükleri elde etmek için lterntif bir yöntem olrk düşünülebilir (Kndlikr et l., 2014). 246 Iğdır Üni. Fen Bilimleri Enst. Der. / Iğdır Univ. J. Inst. Sci. & Tech.
Mikroknllrd Nnokışknlrın Kynmlı Akış Krkteristikleri Çizelge 3. Mikroknllrd nnokışknlrl ypılmış kynmlı kış çlışmlrı Yzr Lee nd Mudwr, 2007 Temel kışkn Nno prtikül Su 1, 2 Hcimsel Orn (vol.%) Knl Geometrisi ve Ölçüleri Bkır blok üzerine işlenmiş 215µm genişlik, 815µm derinliğinde 41 det prlel mikroknl Akış özellikleri Re=248 Sonuçlr Çıkış bölgesinde bşlyn nnoprtikül birikmesi knl girişine doğru ilerleyerek knlı tıkmıştır. Akış kynmd nnokışkn kullnımı uygun değildir Vfi nd Wen, 2010; Vfi nd Wen, 2011 Su 0.01-0.1 510 µm çplı diresel pslnmz çelik bir knl G=600-1650 kg m -2 s -1 Kritik ısı kısı değeri % 0.1 nnoprtikül hcimsel orn değerinde % 51 lik bir rtış göstermiştir. Yüksek ısı kısı değerlerinde yüzeyde ynmy bğlı olrk iğne tipi deformsyon meydn gelmiştir. Wu et l., 2009 Su 0.15, 0.26 194.5 µm hidrolik çplı silikon trpez mikroknl Re=200-1400, Pr=4.8, 5.6 Nnokışknın Nusselt syısının, rtn Reynolds syısı, Prndtl syısı ve nnoprtikül konsntrsyonu ile berber rttığı görülmüştür. Duursm et l., 2015 Etnol 0.01-0.1 D h =571, 762, 1454 µm Re=2.3, 18.1 %0.05 nnoprtikül konsntrsyon ısı trnsfer ktsyısınd mksimum beş ktlık bir rtış olmuştur. Sıvı/gz ryüzeyinin krrlılığı rtmıştır. Yüzey tems çısı rtmıştır. Vizkozite rtmıştır. Xu nd Xu, 2012 Su 0.2 (ğırlıkç) 100 250 7500 µm mikroknl G=171, 285, 401 kg m -2 s -1 Küçük kbrcık oluşumu görülmüş, krrlılık rtmış, bsınç dlglnmsı zlmıştır. Kynm ısı trnsferi rtmıştır. Vfi nd Wen, 2014 Su 0.001, 0.01, 0.1 510 µm çplı diresel pslnmz çelik bir knl G=600-1650 kg m -2 s -1 40-140 kp rlığınd bsınç dlglnmlrı görülmüştür. Dh uzun kbrcık oluşumu görülmüştür. Kritik ısı kısı kütle kısı ile lineer olrk rtmıştır, nnoprtikül konsntrsyonuyl yükselmiştır. Edel nd Mukherjee 2015 Su 0.001 Dikdörgen kesitli 229 µm hidrolik çplı prinçten ypılmış tek bir mikroknl Re=100 Kbrcık oluşum bölgeleri rtmıştır. Gz fzının knl içinde klm süresi kıslmış ve kynm krrlı hle gelmiştir. Morshed et l., 2013 Etnol - 672 µm hidrolik çplı tek mikroknl G=23, 46, 92 kg m -2 s -1 Aluminyumoksit kplmlı Cu yüzeyinde ısı trnsfer ktsyısı % 5 zlmış, kritik ısı kısı düşük debilerde dh fzl olmk üzere% 17-39 rsınd rtmıştır. Boudouh et l., 2010 Su Cu 0.00056, 0.0011, 0.0056 800 µm hidrolik çplı, 50 prlel mikroknl G=217, 516 kg m -2 s -1 Nnoprtiküller kynm bşlngıcını hızlndırmıştır. Yerel ısı kısı, ısı trnsfer ktsyısı ve buhr klitesi ve toplm bsınç düşüşü konsntrsyonl berber rtmıştır. Cilt / Volume: 7, Syı / Issue: 1, 2017 247
Eyüphn MANAY SONUÇ Bu çlışmd ısı trnsferinin rttırılmsı mcıyl son yıllrd yoğun rştırmlr ypıln nnokışknlr ve mikroknllrd kynmlı ısı trnsferi üzerine geniş bir litertür trmsı ypılmıştır. Bu lnd rştırm ypck rştırmcılr için referns olck bu çlışmd şğıdki sonuçlr çıkrılmıştır: * Genel olrk mikroknllrd kynmlı kışt çok düşük konsntrsyon değerlerine ship nnokışkn kullnımı dhi kynm krkteristiklerini iyileştirdiği görülmüştür. * Nnokışkn kullnımı vizkoziteyi rttırdığı ve yüzeydeki kbrcık büyümesini düzenli hle getirdiğinden dolyı kynm olyının en büyük sorunlrındn biri oln krrsızlığın zlmsın yrdımcı olmuştur. * Nnokışkn kullnımınd kynm sırsınd dh küçük çplı fkt çok syıd kbrcıklı kış biçimi görülmüştür. * Kynmlı kışt nnokışkn kullnımı kbrcık oluşum bölgelerini rtırmıştır. Benzer şekilde gz fzının knl içinde klm süresini kısltrk kynm sürecinin krrlığını d rttırmıştır. * Nnokışkn kullnımının kynm sırsınd görülen kış biçimlerini değiştirerek bsınç dlglnmlrını zltmıştır. * Nnokışkn kullnımınd bsınç kyıplrı rttırmsın rğmen kynm sırsınd görülen bsınç dlglnmlrını zlmıştır. * Yüzey üzerine nnoprtiküllerle kplm ypılmsı kynm bşlngıcını geciktirmiştir. * Nnoprtiküllerin kritik ısı kısı üzerinde rttırıcı yönde etkisi olduğu görülmüştür. Kynm kritik ısı kısı değerininin rtn hcimsel nnoprtikül konsntrsyon değerleriyle berber rtmıştır. * Nnokışkn ısı trnsfer ktsyısının rtn Reynolds syısı ve prtikül konsntrsyon değerleriyle berber rttığı belirtilmiştir. Kynmd yüksek ısı kısı değerlerinde yüzeyde görülen ynm olyı nnokışkn kullnımınd frklı biçimlerde gerçekleşmiştir. KAYNAKLAR Abedini E, Behzdmehr A, Rjbni H, Srvri SMH, Mnsouri SH, 2013. Experimentl investigtion nd comprison of subcooled flow boiling of TiO 2 nnofluid in verticl nd horizontl tube, Proc. IMechE Prt C J. Mech. Eng. Sci. 227 (8):1742-1753. Ahn HS, Kim H, Jo H, Kng SH, Chng WP, Kim MH, 2010. Experimentl study of criticl het flux enhncement during forced convective flow boiling of nnofluid on short heted surfce, Int. J. Multiph. Flow 36:375-384. Ahn HS, Kim MH, 2011. The effect of micro/nnoscle structures on CHF enhncements, Nucler Engineering nd Technology 43(3):205:216. Bhirei M, Hngi M, 2015. Flow nd het Trnsfer chrcteristics of mgnetic nnofluids: A review, Journl of Mgnetism nd Mgnetic Mterils 374: 125-138. Boudouh M, Gulous HL, De Lbchelerie M, 2010. Locl convective boiling het trnsfer nd pressure drop of nnofluid in nrrow rectngulr chnnels, Appl. Therm. Eng. 30 (17-18): 2619-2631. Chehde AA, Gulous HL, Le Msson S, Frdoun F, Besqet A, 2013. Boiling locl het trnsfer enhncement in minichnnels using nnofluids, Nnoscle Res. Lett. 8:1-20. Choi SUS, 1995. Enhncing therml conductivity of fluids with nnoprticle, ASME FED 231:99-105. Duursm G, Sefine K, Dehene A, Hrmnd S, Wng Y, 2015. Flow nd Het Trnsfer of Single-nd Two-Phse Boiling of Nnofluids in Microchnnels, Het Trnsfer Engineering 36(14-15):1252-1265. Edel Z, 2013. Experimentl investigtion of regulr fluids nd nnofluids during flow boiling in single microchnnel t different het fluxes nd mss fluxes, Mster s Thesis, Michign Technologicl University. Edel Z, Mukherjee A, 2015. Flow Boiling Dynmics of Wter nd Nnofluids in Single Microchnnel t Different Het Fluxes, Journl of Het Trnsfer 137:011501. Fng X, Wng R, Chen W, Zhng H, M C, 2015. A review of flow boiling het trnsfer of nnofluids, Applied Therml Engineering 91:1003-1017.. Fukner D, Khotn M, Shekrriz R, 2003. Prcticl design of 1000 W/cm 2 cooling system, in: Proc. of 19th IEEE SEMI-THERM Symposium, Sn Jose, CA, Mrch 11-13. Henderson K, Prk Y-G, Liu LP, 2010. Flow boiling het trnsfer of R-134-bsed nnofluids in horizontl tube, Int. J. Het Mss Trnsf. 53 (5-6):944-951. Kndlikr GS 2013. Het Trnsfer in Microchnnels-2012 Sttus nd Reserch Needs, Journl of Het Trnsfer 135: 091001. Kndlikr GS 2016. Het Trnsfer nd Fluid Flow in Microchnnels nd Minichnnels, Second Edition, Butterworth-Heinemnn, 592 p. Kndlikr SG, 2016. Mechnistic Considertions for Enhncing Flow Boiling Het Trnsfer in Microchnnels, Journl of Het Trnsfer 138: 021504. Kim SJ, McKrell T, Buongiorno J, Hu L-W, 2008. Alumin nnoprticles enhnce the flow boiling criticl het flux of wter t low pressure, ASME J. Het Trnsf. 130:044501. 248 Iğdır Üni. Fen Bilimleri Enst. Der. / Iğdır Univ. J. Inst. Sci. & Tech.
Mikroknllrd Nnokışknlrın Kynmlı Akış Krkteristikleri Kim SJ, McKrell T, Buongiorno J, Hu L-W, 2009. Experimentl study of flow criticl het flux in luminewter, zincoxideewter nd dimondewter nnofluids, J. Het Trnsf. 131:043204. Kim SJ, McKrell T, Buongiorno J, Hu LW, 2010. Subcooled flow boiling het trnsfer of dilute lumin, zinc oxide, nd dimond nnofluids t tmospheric pressure, Nucl. Eng. Des. 240: 1186-1194. Kim TI, Chng WJ, Chng SH, 2010. An experimentl study on CHF enhncement in flow boiling using nno-fluid, Int. J. Het Mss Trnsf. 53 (5-6):1015-1022. Lee J, Mudwr I, 2007. Assessment of the effectiveness of nnofluids for single-phse nd two-phse het trnsfer in micro-chnnels. Interntionl Journl of Het nd Mss Trnsfer 50: 452 463. Lee SW, Kim KM, Bng IC, 2013. Study on flow boiling criticl het flux enhncement of grphene oxide/wter nnofluid, Int. J. Het Mss Trnsf. 56:348-356. Lee SW, Prk SD, Kng S, Kim SM, Seo H, Lee DW, Bng IC, 2012. Criticl het flux enhncement in low flow boiling of nd SIC nnofluids under low pressure nd low flow conditions, Nucl. Eng. Technol. 44 (4SI):429-436. Lee T, Lee JH, Jeong YH, 2013. Flow boiling criticl het flux chrcteristics of mgnetic nnofluid t tmospheric pressure nd low mss flux conditions, Int. J. Het Mss Trnsf. 56:101-106. Morshed, AKMM, Pul TC, Khn JA, 2013. Effect of deposition on flow boiling performnce of wter in microchnnel, Experimentl Therml nd Fluid Science 47:6-13. Peng H, Ding GL, Jing WT, Hu HT, Go YF, 2009. Het trnsfer chrcteristics of refrigernt-bsed nnofluid flow boiling inside horizontl smooth tube, Int. J. Refrig. 32:1259-1270. Rn KB, Agrwl GD, Mthur J, Puli U, 2014. Mesurement of void frction in flow boiling of ZnOewter nnofluids using imge processing technique, Nucl. Eng. Des. 270:217-226. Rn KB, Rjvnshi AK, Agrwl GD, 2013. A visuliztion study of flow boiling het trnsfer with nnofluids, J. Vis. 16 (2):133-143. Ritchey SN, Weibel JA, Grimell SV, 2014. Locl mesurement of flow boiling het trnsfer in n rry of non-uniformly heted microchnnels, Interntionl Journl of Het nd Mss Trnsfer 71: 206 216. Srfrz MM, Hormozi F, 2014. Scle formtion nd subcooled flow boiling het trnsfer of CuO/wter nnofluid inside the verticl nnulus, Exp. Therm. Fluid Sci. 52:205-214. Sun B, Yng D, 2014. Flow boiling het trnsfer chrcteristics of nno-refrigernts in horizontl tube, Int. J. Refrig. 38:206-214. Vfei S, Wen D, 2010. Criticl het flux (CHF) of subcooled flow boiling of lumin nnofluids in horizontl microchnnel. Journl of Het Trnsfer 132:102404. Vfei S, Wen D, 2011. Flow boiling het trnsfer of lumin nnofluids in single microchnnels nd the roles of nnoprticles. Journl of Nnoprticle Reserch 13:1063 1073. Vfei S, Wen D, 2014. Criticl het flux of nnofluids inside single microchnnel: Experiments nd correltions. Chemicl Engineering Reserch nd Design 92:2339-2351. Wu X, Wu H, Cheng P, 2009. Pressure Drop nd Het Trnsfer of -H2O Nnofluids through Silicon Microchnnels, J. Micromech. Microeng. 19(10):105020. Xu L, Xu J, 2012. Nnofluid stbilizes nd enhnces convective boiling het trnsfer in single microchnnels, Interntionl Journl of Het nd Mss Trnsfer 55:5673-5686. Cilt / Volume: 7, Syı / Issue: 1, 2017 249