MİKRO BORULARDA BASINÇ DÜŞÜŞÜ

MİKRO BORULARDA BASINÇ DÜŞÜŞÜ Semahat Barlak a*, Sinan Yapıcı a, O. Nuri Şara a a Atatürk üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü,540,Erzurum,Türkiye * Semahat Barlak: Atatürk üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü,540,Erzurum, s-semahatbarlak@hotmail.com ÖZET Bu çalışmada dairesel çelik mikro boruların farklı boy ve çapları için basınç düşüşü ve sürtünme faktörü deneysel olarak incelenmiştir. Boru çapları 198 µm ve 400 µm dır. Deneysel olarak bulunan basınç düşüşleri ve sürtünme faktörü değerleri makro boru için geçerli sonuçlarla kıyaslanmıştır. sayısı, 198 µm mikro boru için 75-400 aralığında, 400 µm mikro boru için ise 500-600 aralığında değiştirilmiştir. Anahtar Kelimeler: mikro borular, basınç düşüşü, sürtünme faktörü GİRİŞ Teknolojinin gelişmesi ile birlikte mikro ve nano ölçekli cihazlara olan ilgi bütün dünyada ve ülkemizde artmaya başlamıştır. Küçük boyutlu bu cihazlar, gelişen teknoloji ile düşük verimli, gürültülü ve büyük ölçekli cihazların yerini alacaktır. Bu sistemlerin birçoğu mikro kanallar içermektedir [1]. Bu kanallardan geçen akışkanın akış ve ısı geçiş özelliklerinin ortaya çıkarılması, yeni mikro-elektro-mekanik sistemlerin geliştirilmesine yardımcı olacaktır. Mikro sistemler, Mikro- Elektro-Mekanik-Sistemler (MEMS), Mikro-Optik-Elektro-Mekanik-Sistemler (MOEMS) ve Mikro-Akış-Cihazları (MFD) olmak üzere üç grupta incelenmektedir. En geniş anlamıyla MEMS küçük ölçekli elektro-mekanik düzeneklerin ve sistemlerin incelendiği disiplinler arası bir bilim ve uygulama alanıdır. Kaynaklarda mikro mekanik sistemler, mikro sistem teknolojisi ve mikro mühendislik gibi farklı isimlerle de kullanılmaktadır. MFD tek veya çift fazlı akış, taşınım ile ısı/kütle aktarımı ve akışkanlar mekaniğinin diğer farklı uygulamalarını içerir; mikro ısı değiştirici, mikro pompa, mikro reaktör vb. [,3,4,6]. Bu sistemlerin uygulama alanları gittikçe artmakta ve yapımıyla ilgili teknolojiler de sürekli olarak gelişmektedir. Bu gelişmeler beraberinde mikro-ısı aktarımı, mikro-akış, mikro-reaksiyon ve mikro-kütle aktarımı gibi kavramları getirmiş ve bunlarla ilgili yeni dalları ortaya çıkarmıştır. Mikro boyutta taşınım olaylarının anlaşılması ve mikro cihazlara uygulanması mikro motor, mikro sensör, mikro pompa, mikro valf mikro ısı değiştirici ve mikro reaktör gibi mikro-cihazların yapımı ve geliştirilmesi için son derece önemlidir [,5,7]. Temel geometri olarak mikro kanallarda taşınım karakteristikleri ilgili çalışmalar 1980'li yıllarda başlamasına rağmen, asıl gelişmeyi son yıllarda göstermiş olup son 0 yılda önemli ölçüde artmış ve önemli bir araştırma alanı olmuştur. Genel olarak boyutları 10 μm ile 1mm arasındaki kanallar mikro kanal olarak kabul edilmesine rağmen, kanallar ile ilgili daha detaylı bir sınıflandırma Kandlikar ve Grande [3] tarafından verilmiştir. Hidrolik çapı 3 mm den büyük kanallar makro, 3 mm-00 μm arası mini, 00-1 μm mikro ve 1-0.1 μm nano kanal olarak sınıflandırılmaktadır [3]. Mikro ölçek akışta, makro akışta göz ardı edilen birçok faktör önemli olmaktadır. Mikro borularda basınç düşüşü ile ilgili birçok çalışma mevcuttur. Bu çalışmaların derlemeleri farklı yazarlar tarafından verilmiştir [5-9]. Genel olarak deneysel sonuçlar makro kanallar ile karşılaştırılmaktadır ve farklı sonuçlar bulunmaktadır. Sürtünme katsayısının teorik değerlerden büyük ve küçük olduğunu belirten çalışmalar olmasına rağmen aynı olduğunu belirten farklı çalışmalar da bulunmaktadır. Sonuçlar hem birbirleri ile hem de geleneksel makro kanal sonuçları

ile çelişmektedir. Bundan dolayı makro kanallarda basınç düşüşü ile ilgili ilave çalışmalara ihtiyaç vardır [1,6-8]. Bu çalışma mikro çelik borularda basınç düşü karakteristiklerinin araştırılmasını içermekte olup, devam eden çalışmanın ön sonuçları verilmektedir. DENEY SİSTEMİ VE HESAPLAMALAR Çalışmada kullanılan deney düzeneği Şekil 1 de şematik olarak verilmiştir. Deney düzeneği genel olarak, basınçlı azot tüpü, basınçölçer, akışkan tankı, filtre, sabit sıcaklık sirkülatörü ve mikroborudan oluşmaktadır. Deneylerde 198 µm ve 400 µm çaplarında iki farklı çelik boru kullanılarak farklı ynolds sayılarında değişik boru boyları için basınç düşüşü ölçümleri yapılmıştır. Akışkan olarak saf su kullanılmıştır. Suyun mikro boruda akışını sağlamak için basınçlı azot gazı kullanılmış ve tüp çıkışına yerleştirilen çift kademeli bir gaz regülatörü yardımı ile gaz basıncı ayarlanarak farklı akış debileri sağlanmıştır. Mikro boru içerisinde oluşabilecek tıkanmaları önlemek amacıyla akışkan tankı çıkışında filtre kullanılmıştır. Akış debisi mikro borudan geçen akışkan kütlesi deney süresince mikro boru çıkışına konulan bir kap içerisinde toplanmış ve hassas terazi yardımıyla tartılarak belirlenmiştir. Akışkan sıcaklığı sabit sıcaklık sirkülatörü yardımı ile 5 o C ± 0. de sabit tutulmuştur. 5 1 4 7 3 6 9 8 1: Azot gazı, 3:Basınç göstergesi 4: Su tankı 5: Termostat 6: Filtre 7: Mikro kanal 8: Sıvı toplama kabı 9:Terazi Şekil 1. Deney düzeneği Boruların boyutlarının ölçümü NİKON marka MM 400 L video ölçüm mikroskobu yardımıyla ve basınç ölçümleri ise KELLER marka basınç transmitteri yardımıyla yapılmıştır. Deneyde kullanılan boru boyları ve akış koşulları Tablo 1 de verilmiştir. Mikro ölçekli kanallarda basınç proplarının kanala yerleştirilmesi zor olduğundan proplar, kanal giriş ve çıkışındaki, kanala göre çok büyük olan

rezervuarlara yerleştirilmektedir. Bu çalışmada da bu yöntem takip edilmiştir. Bundan dolayı ölçülen basınç düşüşü değerleri; giriş, çıkış ve gelişmekte olan akış terimlerinin tümünü içermektedir. Kanaldaki net basınç düşüşü, ölçülen toplam basınç düşüşünden bu etkilerin çıkarılması ile elde edilmiştir. Δ P = ΔP ΔP (1) net top m Burada Δ Pm giriş, çıkış ve gelişmekte olan akış etkisinden dolayı meydana gelen basınç düşüşünü göstermektedir. Bu çalışmada borunun çıkışı atmosfere açıktır. Δ Pm aşağıda ki ifade yardımıyla hesaplanmıştır: Δ P + 1 m = ( K i + K e K d ) ρu () Burada K i, K e ve K d sırasıyla giriş, çıkış ve gelişmekte olan akış kayıp katsayıları olup, makro kanallar için önerilen yöntem kullanılarak hesaplanabilir [10,11]. k d = 1. 50 olarak alınmıştır [1]. ynolds sayısı aşağıdaki ifade yardımıyla hesaplanmıştır: ρud = μ (3) Burada ρ akışkanın yoğunluğu, μ akışkanın viskozitesi, u ve d akışa ait karakteristik hız ve boru çapıdır. Test bölgesinde ölçülen basınç değerleri aşağıdaki denklem yardımıyla sürtünme faktörüne dönüştürüldü. f ΔP ( L / d ) ρu net = (4) Burada L ve d sırasıyla boru boyu ve çapını göstermektedir. f ve çarpımı Poiseuille sayısı olarak adlandırılmaktadır. Pürüzsüz borularda tam gelişmiş laminer akış için akış denkleminin çözümü aşağıdaki sonucu vermektedir: C f = (5) Eşitlikteki C sabiti kanalın geometrisine bağlı ancak akış koşullarından bağımsızdır [1]. Dairesel kanal için sabitin değeri 64 dür. Türbülanslı akışta ise sürtünme faktörü (pürüzsüz borular için ) 0.5 Blasius eşitliği ( f = 0.316 ) ile verilmektedir. Tablo 1. Kullanılan boru boyutları ve sayısı değişimi Boru Çap(mm) L/d A1 0.198 68 75-1478 A 0.198 16 106-1668

A3 0.198 165 159-1907 A4 0.198 106 15-395 B1 0.400 79 587-4796 B 0.400 57 915-543 B3 0.400 41 118-5850 B4 0.400 31 194-634 SONUÇLAR VE TARTIŞMA Şekil de Δ Pnet değerleri ynolds sayısının fonksiyonu olarak verilmiştir. Şekil (a) da çapı 198 μ m olan boru için elde edilen sonuçlar görülmektedir. Şekil (a) da görüldüğü gibi < 000 değerleri için basınç düşüşünün ynols ile değişimi lineerdir. ynolds sayısının üssü 1 1.13 arasında değişmektedir. Bu değerler tam gelişmiş laminer akış için geçerli olan 1 değerine çok yakındır. L/d= 106 olan boru için incelen sayısı 400 kadar çıkmaktadır. Bu boru için =000 den sonra lineerlikten sapmanın başladığı görülmektedir. Boru çapının 400 mm olduğu sistemde ulaşılan ynolds sayısı 600 600 aralığındadır. Şekil (b) de görüldüğü gibi ynolds sayısının 000 değerine ulaştıktan sonra Δ P - değişimi lineerlikten sapmaktadır. Bu test borusu için sayısının üssü 1,56-1,90 aralığında değişmektedir. Basınç düşüşü ölçümleri, Eş (4) kullanılarak sürtünme faktörüne ( f ) dönüştürülmüştür. Şekil 3 de sürtünme faktörü değerlerinin ynolds sayısı ile değişimi grafik şeklinde verilmiştir. Grafik üzerinde ayrıca karşılaştırma yapmak amacıyla makro kanallardaki laminer tam gelişmiş akış için 0,5 geçerli olan 64/ denkleminden ve türbülanslı akış için geçerli olan ( 0.316 ) Blasius eşitliğinden hesaplanan değerler de gösterilmiştir. Şekil 3(a) den de görüleceği gibi bu test borusu için incelenen ynolds sayısı aralığında sürtünme faktörü deneysel sonuçların geleneksel makro kanallar için geçerli olan tam gelişmiş laminer akış için geçerli olan teorik denklemden hesaplanan sonuçlar ile uyuştuğu, akışa geçişin başladığı açıkça görülmektedir. Dairesel makro kanallarda akış için üst sınır çok net olmamakla birlikte pratik uygulamalar için laminer akıştan türbülanslı akışa geçiş kritik ynolds sayısı olarak 300 sayısı kabul edilmekte olup 300 10 4 aralığı geçiş bölgesi kabul edilir. Ancak tek kriter olarak ynolds sayısı olmayıp, kanal girişi, girişte akışın türbülans şiddeti ve hız dağılımının laminerden türbülansa geçişi ve tam gelişmiş türbülanslı akış koşullarının oluşmasının da önemli olduğu bilinmektedir. Literatürde mikro kanallarda akış için laminer akıştan türbülanslı akışa geçiş ynolds sayıları için 00-900 gibi değerlerin verildiği çalışmalar mevcuttur. Bunun sebebi olarak yüzey pürüzlülüğü, giriş etkileri, kanal geometrilerindeki belirsizlikler ve ölçümlerindeki belirsizlikler gibi faktörler görülmektedir. Diğer taraftan mikro kanallardaki akış karakteristiklerinin makro kanal sonuçları ile uyuştuğunu bildiren çok sayıda çalışmada bulunmaktadır. Bu çalışma da bunu desteklemektedir. İncelen akış ve geometrik koşullarında türbülanslı akışa geçiş ynolds sayısı ve sürtünme faktörü sonuçlarının makro kanal akış sonuçları ile uyuştuğu görülmüştür.

50000 ΔP 00000 150000 L/D:68 L/D:16 L/D:165 L/D:106 100000 50000 0 0 500 1000 1500 000 500 180000 160000 140000 10000 L/D:79 L/D:57 L/D:41 L/D:31 100000 P 80000 60000 40000 0000 0 0 1000 000 3000 4000 5000 6000 7000 Şekil. ΔP nin ile değişimi: a. d= 198 μ m, b. d= 400 μ m

10 1 L/D:68 L/D:16 L/D:165 L/D:106 64/ f 0,1 0,01 10 100 1000 10000 1 L/D:79 L/D:57 L/D:41 L/D:31 f 0,1 0,01 1000 10000 Şekil 3. Sürtünme faktörünün ynolds sayısı ile değişimi: a. d= 198 μ m, b. d= 400 μ m SONUÇ

Bu çalışmada dairesel çelik mikro boruların farklı boy ve çapları için basınç düşüşü ve sürtünme faktörü deneysel olarak incelenmiştir. Deneysel sonuçlar, incelen boru çap ve akış koşulları için, hem sürtünme faktörü hem de laminer akıştan türbülanslı akışa geçiş ynolds sayısı davranışının makro kanal sonuçları ile uyuştuğunu göstermiştir. TEŞEKKÜR: Bu çalışma 106M304 nolu TUBİTAK (MAG) projesi kapsamında yapılmıştır. Yazarlar desteklerinden dolayı TUBİTAK a teşekkür ederler. KAYNAKLAR [1] Parlak N.,Engin T. ve Özbey A., Mikroborularda Su Akişinin Deneysel Olarak Incelenmesi, ULIBTK 07 16 Ulusal Isi Bilimi ve Teknigi Kongresi, (007) [] Erbay L.B., Inal L., Öztürk M.M., Akişkan- Mikroelektromekanik Sistemler, Mühendis ve Makina, 556 (006) 13-33. [3] Kandlikar S.G., GrandeW.J., Evaluations of Microchannel Flow Passages-Thermohdraulic Performance and Fabrication Technology, HeatTransfer Engineering, 4 (003) 3-17. [4] Kaplan H., Dölen M., Mikro-Elekro-Mekanik Sistemler (MEMS) Üretim Teknikleri, 11.Ulusal Makina Teorisi Sempozyumu, Gazi Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, 6 Eylül 003. [5] Morini L.G., Single-Phase Convective Heat Transfer in Microchannels: a view of Experimental sults, Int. J.Thermal Sciences, 43 (004) 631-651. [6] Şara O.N., Yapici S., Mikro Kanallarda Basinç Düşüşü ve Isi/Kütle Aktarimi: I-Basinç Düşüşü ve Sürtünme Faktörü Bagintilari, Mühendis ve Makina Cilt : 48 Sayi: 570,(007) [7] Owhaib W., Palm B., Experimental Investigation of Single- Phase Convective Heat Transfer in Circular Microchannels, Exp. Thermal and Fluid science, 8 (004) 105-110. [8]. C.B. Sobhan, S.V. Garimella, A comparative analysis of studies on heat transfer and fluid flow in microchannels, Microscale Thermophiysical Engineering 5 (001) 93 311. [9]. N.T. Obot, Toward a better understanding of friction and heat / mass transfer in microchannels a literature review, Microscale Thermophysical Engineering 6 (00) 155 173. [10]. S.G. Kandlikar, S. Garimella, D. Li, S. Colin, M.R. King, Heat Transfer and Fluid Flow in Minichannels and Microchannels, Elsevier Ltd. UK, 006. [11]. Ludwig E.E., Applied process design for chemical and petrochemical plants, 3th. Edition, Vol.1, 1999. [1]. Bhatti, M.S. and R. K., Shah 1987. Turbulent and Transition Flow Convective Heat Transfer in Ducts. In Handbook of Single-Phase Convective Heat Transfer. Edited by S. Kakac, R.K. Shah, and W. Aung. John Wiley & Sons, USA.