Mikro Kanallarda Basınç Düşüşü ve Isı/Kütle Aktarımı:

advertisement
makale
Mikro Kanallarda Basınç Düşüşü ve
Isı/Kütle Aktarımı:
II-Taşınım ile Isı ve Kütle Aktarımı
O. Nuri ŞARA, Sinan YAPICI, M. Emin ARZUTUĞ
Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü
ÖZET
Makalenin birinci kısmında mikro kanallarda basınç düşüşü ve
sürtünme katsayısı ile ilgili yayımlanmış çalışmaların özetleri
verilmişti. Bu makalede ise mikro kanallarda ısı/kütle aktarımı
çalışmalarının bir değerlendirilmesi verilmiştir. Isı aktarımı için
önerilen bağıntılar ve makro kanal bağıntıları ile karşılaştırılması
yapılmış ve incelenen önemli parametrelerin etkileri ile ilgili
yayımlanmış eserlerin değerlendirilmesi verilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Isı aktarımı, mikro kanal, sürtünme faktörü
GİRİŞ
S
on zamanlarda mikro kanallarda ısı ve kütle aktarımı
önemli bir ilgi alanı olmuştur. Mikro sistemlerdeki
teknolojik gelişmelere paralel olarak, mikro
sistemlerde ısı ve kütle aktarımı karakteristiklerinin
incelenmesi ön plana çıkmış ve bu konudaki çalışmalar
artmıştır. Mikro kanallarda taşınım ile ilgili çalışmalar,
başlıca ısı aktarımı çalışmalarından ibaret olup, mikro kanal
akışta kütle aktarımı ile ilgili yayımlanmış çalışmalara
gelince, yazarların bilgisi dahilinde, Acosta vd. [1] ve
Kandikar ve Steinke [2] tarafından yapılan iki çalışmanın
dışında başka çalışmaya rastlanmamıştır. Bunlardan, Acosta
vd. [1] tarafından yapılan çalışmada dikdörtgen mikro
kanalda kütle aktarımı elektro-kimyasal yöntem kullanılarak
incelenmiştir. Kanal yükseklikleri 0.2-0.5 mm ve Reynolds
sayısı 1300-22000 aralığında olan bu çalışmada elde edilen
sonuçlar ışığında, makro kanal eşitliklerinin mikro kanal için
de kullanılabileceği belirtilmektedir. Kandikar ve Steinke [2]
tarafından yapılan çalışma ise mikro kanal kütle aktarımının
biyolojik sistemlere uygulanabilirliği ile ilgilidir.
Yayımlanmış eserlerde, mikro kanallarda taşınım prosesleri
ile ilgili çalışmaların başladığı 1980 yılından itibaren yapılan
çalışmalara ait derlemeler Morini [3], Sobhan ve Garimella
[4], Hassan vd. [5], Obot [6], Yener vd. [49], Morini ve
Lorenzini [50] ve Sobhan ve Peterson [51] gibi araştırmacılar
tarafından verilmiştir. Mikro kanallarda ısı aktarımı
sonuçları, geleneksel kanallarda olduğu gibi Nusselt sayısı
şeklinde ifade edilmekte, makro kanal sonuçları ile
20
Mühendis ve Makina • Cilt : 48 Sayı: 571
ABSTRACT
In the first part of the article, the literature review related to the
pressure drops and friction factors in micro channels was presented.
In this second part, a review on heat/mass transfer in micro channels
is submitted. An evaluation of the suggested correlations for micro
channels, their comparison with the classical correlations of macro
channels, and the effects of the important parameters investigated
on heat/mass transfer are given.
Keywords: Heat transfer, microchannel, friction factor
karşılaştırılmakta ve çoğunlukla akış ile geometrik
parametrelerin fonksiyonu biçiminde ilişkilendirilmektedir.
Bu makalede mikro kanallar için yayımlanmış eserlerde
verilen ısı aktarımı bağıntıları, bunların makro kanal
bağıntılarıyla karşılaştırılması, ısı aktarımı ile ilgili
çalışmaların özeti ve araştırmalarda dikkate alınan önemli
parametrelerin etkilerinin bir değerlendirilmesi verilmiştir.
ISI AKTARIMI BAĞINTILARI VE
YAYIMLANMIŞ ESER ÖZETLERİ
Tablo 1’de makro kanallarda laminer ve türbülanslı akış için
yaygın şekilde kullanılan bağıntılar, Tablo 2’de ise mikro
kanallarda ısı aktarımı için önerilen bağıntılar verilmiştir.
Mevcut bağıntıların karşılaştırılması da Şekil 1’de
sunulmuştur. Görüldüğü gibi mikro kanallar için farklı
araştırmacılar tarafından verilen bağıntılar, hem kendi
aralarında hem de makro kanal bağıntıları ile
karşılaştırıldığında farklılıklar sergilemektedirler. Laminer
akış ele alındığında ve geleneksel kanallar ile
karşılaştırıldığında, genel olarak Nusselt sayısının Reynolds
sayısına bağlılığında ve Nusselt sayısının kanal boyutu ile
değişiminde farklılıklar görülmektedir. Makro kanal tam
gelişmiş laminer akışta, Nusselt sayısı Reynolds sayısından ve
boru uzunluğundan bağımsız, giriş bölgesinde ise hem Re
hem de x ile değişmektedir (Tablo 1). Mikro kanal laminer
akışta ise Nusselt sayısının Reynolds sayısına bağlı olduğu
makale
belirtilmiş, ancak Reynolds sayısı ile arttığını belirten
çalışmalar [3,4,7-13] olduğu gibi ve Reynolds sayısı ile
azaldığını belirten çalışmalar da [3,4,14-18] bulunmaktadır.
Reynolds sayısının üssü ise 0.148-1.17 aralığında
değişmektedir. Bunun yanı sıra, mikro kanal akışta ısı
aktarımı sonuçlarının makro kanal sonuçları ile uyuştuğunu
veya makro kanal bağıntılarının düzeltilerek mikro kanallar
için kullanılabileceğini belirten çalışmalar da vardır [2-6].
Lee vd. [19], çalışma akışkanının iyon giderilmiş su olduğu,
hidrolik çapları 138-903 mm aralığında değişen dikdörtgen
kanallarda, 300-3500 Reynolds sayısı aralığında ısı aktarımı
karakteristiklerini deneysel ve nümerik olarak incelemişlerdir.
Çalışmada asıl amaç, makro kanal bağıntılarının ve
sonuçlarının mikro kanallar için kullanılıp
kullanılamayacağının araştırılmasıdır. Yazarlar tarafından,
makro kanal sonuçları ile mikro kanal sonuçları arasındaki
farklılıkların, mikro kanal deneysel çalışmalarında ve makro
kanal bağıntıları elde edilmesinde kullanılan sınır ve giriş
koşulların yanlış eşleştirilmesinden kaynaklandığı, eğer giriş
ve sınır koşulları uygun bir şekilde seçilirse, makro kanal
bağıntılarının mikro kanallar için de kullanılabileceği
belirtilmektedir. Owhaib ve Palm [20] tarafından yapılan bir
çalışmada, dairesel 1.7, 1.2 ve 0.8 mm çapındaki kanallarda,
R134a akışkanı kullanılarak tek fazlı ısı aktarımı incelenmiştir.
Elde edilen sonuçlar hem makro kanallar için kullanılan, hem
de mikro kanallar için önerilen bağıntılar ile karşılaştırılmıştır.
Sonuçların geleneksel makro kanal sonuçları ile uyuştuğu,
ancak mikro kanallar için önerilen bağıntılar ile uyuşmadığı
kaydedilmektedir. Adams vd. [21], çapı 760 -1090 mm arasında
değişen dairesel mikro kanallarda türbülanslı akışta ısı
aktarımını deneysel olarak incelemişlerdir. Akışkanın su olduğu
çalışmada, Reynolds sayısı 2.6x103-2.3x104 ve Prandtl sayısı
1.53-6.43 aralığındadır. Elde edilen ısı aktarımı katsayılarının
Gnielinski bağıntısından elde edilen değerlerden büyük olduğu,
bu artışın kanalın boyutlarının azalmasından
kaynaklanabileceği kaydedilmektedir. Çalışmada ayrıca
Nusselt sayısı bağıntı için, Gnielinski bağıntısının Nu = NuGn
(1+F), F = C Re (1- (D/Do)2) şeklinde yeniden düzenlenmesi
önerilmektedir. Burada Do=1.164 mm olarak, ısı aktarım
iyileşmesinin başladığı boyut için limit değeri göstermekte ve
C=7.6x10-5 şeklindedir. Yine Adams vd. [22] dairesel olmayan
kanallarda hidrolik çapın 1.2 mm alt limit değeri için yukarıda
verilen bağıntının kullanılabileceği belirtilmektedir. İç çapı 130
mm olan kapiler bir boruda akışkanın R114 olduğu sistemde
100-8000 Reynolds sayısı aralığında, tek fazlı akışta hidrolik ve
ısı aktarımı karakteristikleri Celata vd.[8] tarafından deneysel
olarak incelenmiştir. Isı aktarımı, sabit yüzey sıcaklığında
gerçekleştirilmiştir. Çalışmada laminer akıştan türbülanslı akışa
geçişin 1880-2480 Reynolds sayıları aralığında olduğu
belirtilmektedir. Elde edile ortalama Nusselt sayıları Tablo 1 de
verilen Hausen, Dittus-Boelter, Gnielinski makro kanal
bağıntıları, ve Adams tarafından önerilen mikro kanal bağıntısı
ile (Tablo 2) karşılaştırılmış ve sonuçların makro kanal
bağıntıları ile uyuşmadığı, ancak türbülanslı akış için elde
edilen sonuçların yüksek giriş sıcaklıkları için Adams bağıntısı
ile uyuştuğu belirtilmektedir. Garimella ve Singhal [23] hidrolik
Tablo 1. Makro Kanallarda Yaygın Olarak Kullanılan Isı Aktarımı Bağıntıları
Mühendis ve Makina • Cilt : 48 Sayı: 571
21
makale
Tablo 2. Mikro Kanalar İçin Isı Aktarımı Bağıntıları
çapı 318-902 mm aralığında değişen mikro kanallarda ısı
aktarımını deneysel olarak incelemiş ve sonuçları geleneksel
kanal sonuçları ile karşılaştırmışlardır. Laminer akış için düşük
Reynolds sayılarında deneysel sonuçlar termal giriş bölgesi
bağıntıları ile uyuşmakta, ancak yüksek Reynolds sayılarında
ise sapma olmaktadır. Türbülanslı akış için elde edilen
22
Mühendis ve Makina • Cilt : 48 Sayı: 571
sonuçların incelenen tüm kanal boyutları için, Adams vd. [21]
de belirttiği gibi, Gnielinski bağıntısından elde edilen
değerlerden büyük olduğu kaydedilmektedir.
Isı aktarımı çalışmalarındaki bu farklıkların sebebi olarak,
yüzey pürüzlülüğü ve yüzey ile akışkan arasındaki etkileşim,
makale
giriş etkileri, ısı kayıpları, boyutları belirlemedeki
belirsizliklerin fazla olması, geometrik faktörler sayılabilir ve
genel olarak ısı aktarımı çalışmalarında bu parametrelerin
etkisi incelenmiştir. Ayrıca mikro kanallarda ısı aktarımını
deneysel incelemenin zorluğu da vurgulanmalıdır.
Kanal boyutları küçüldüğünde, kaygan olmayan akış
yaklaşımında olduğu gibi akışkan sıcaklığı ve hızının
yüzeydeki değerlere eşit kabulü, yüzeyde hız kayması ve
sıcaklık atlamasından dolayı düzeltilmesi gerekir. Bu, özellikle
çok küçük boyutlardaki kanallarda gaz akış (10-3£ Kn £10-1)
için oldukça önemlidir[2-6]. Greatz problemi laminer akışta
dairesel borularda zorlanmış taşınım eşitliklerinin
(a)
(b)
Şekil 1. Isı Aktarım Bağıntılarının Karşılaştırılması (Pr=5):
a- Laminer akış, b- Türbülanslı akış.
basitleştirilmesidir ve Greatz tarafından analitik olarak
çözülmüştür. Burada eksenel yöndeki iletim ve viskoz kayıpları
ihmal edilmiştir. Bayazitoğlu ve Ozisik [24] tarafından Greatz
probleminin eksenel iletimli çözümü verilmiştir. Baron vd.
[25,26] tarafından Greatz problemi mikro borularda kaygan
akış sınır koşulu için genişletilmiştir. Tunc ve Bayazıtoğlu
[27,28] tarafından sırasıyla mikro boru ve mikro dikdörtgen
kanal için enerji eşitlikleri çözülmüştür. Bu çalışmalarda viskoz
kayıplar dikkate alınmış ancak eksenel iletim ihmal edilmiştir.
Chen [29] tarafından sabit yüzey sıcaklığı için iki paralel
levhadan oluşan mikro kanalda zorlanmış taşınım için enerji
eşitliğinin çözümü verilmiştir. Bu çalışmada viskoz kayıplar
dikkate alınmış, kaygan akış sınır koşulu kullanılmıştır. Son
zamanlarda Greatz probleminin çözümü, viskozite ve sıcaklık
atlaması, akış yönünde iletim ve viskoz kayıplar birlikte dikkate
alınarak Jeong ve Jeong [30] tarafından verilmiştir.
Mikro kanallarda termal olarak gelişmekte olan akış
yaklaşımının kullanılarak ısı aktarımı iyileştirmesi
yapılabileceği de ayrıca yazarlar tarafından belirtilmiştir
[31,32]. Xu vd. [32], uzunlamasına ve enine çoklu üçgen ve
yamuk kanallardan oluşan sistemde ısıl olarak gelişmekte olan
akışta ısı aktarımını incelemişleridir. Üçgen kanallar
uzunlamasına, yamuk kanallar ise enlemesine yerleştirilmiştir
ve bir birinden bağımsız 6 kanal bölgesi oluşturulmuştur ve bu
bölgeler termal giriş uzunluğunu sağlayacak boyutlarda
ayarlanmıştır. Toplam boyut her iki düzenleme için de aynıdır.
Hidrolik çap 155 mm, Reynolds sayısı 110-1100 aralığında ve
toplam ısıtma uzunluğu 16 mm olarak verilmektedir. Hem
uzunlamasına hem de enlemesine düzenlenmiş sistemde yüzey
sıcaklığının akış yönünde lineer olmayan davranış gösterdiği,
termal giriş bölgesinde Nusselt sayılarının yüksek olduğu ve bu
yaklaşımla ısı aktarımı iyileştirmesinin yapılabileceği
kaydedilmektedir. Harms vd. [31], tek mikro kanal ve çoklu
mikro kanallardan oluşan sistemde ısı aktarımını deneysel
olarak incelemişlerdir. Akışkan olarak suyun kullanıldığı
çalışmada Reynolds sayısı 173-12900 aralığında
değiştirilmiştir. Laminer akıştan türbülanslı akışa geçiş için
kritik Reynolds sayısının 1500 olduğu verilmektedir. Her iki
sistem için deneysel yerel Nusselt sayılarının gelişmekte olan
kanal akış teorisi ile uyuştuğu, kanal genişliğinin azalması ve
derinliğin artması ile daha iyi akış ve ısı aktarımı performansı
sağlanacağı belirtilmektedir. Tek kanal için deneysel olarak elde
edilen Nusselt sayıları tüm akış hızları için hesaplanan
değerlerden büyük elde edilmiştir, bu artışın giriş etkilerinden
kaynaklanabileceği belirtilmiştir. Çoklu kanal sonuçlarının
yüksek akış hızlarında teori ile uyuştuğu, ancak düşük hızlarda
sapmanın arttığı belirtilmektedir. Ayrıca yazarlar tarafından,
gelişmekte olan laminer akışın türbülanslı akıştan daha iyi
performans sağladığı da belirtilmektedir. Lelea vd.[33], çapları
Mühendis ve Makina • Cilt : 48 Sayı: 571
23
makale
100, 300 ve 500 mm olan dairesel borularda damıtılmış suyun
akışında, ısı ve basınç düşüşünü 100-800 Reynolds sayısı
aralığında deneysel ve nümerik olarak incelemişlerdir. Nusselt
sayısının giriş bölgesinde mesafe azalarak, makro kanallarda
yüzeyde sabit ısı akısı sınır koşulunda geçerli olan 4.36
değerine yaklaştığı, dolayısıyla sonuçların teori ile uyuştuğu
belirtilmektedir.
Mikro kanallarda ısı aktarımını ve basınç düşüşünü etkileyen
parametrelerden biri de yüzey ile akışkan arasındaki
etkileşimdir. Yüzey ile akışkan arasındaki etkileşimi
inceleyen deneysel çalışmalar nispeten azdır. Wu ve Cheng
[34], farklı boyutlarda, Wb / Wt=0-0.934 , H= 56.22-110.8 mm,
ve L/DH = 191.77-453.79 olan yamuk kanallarda ısı aktarımı
üzerine kanal geometrisinin, yüzey pürüzlülüğünün, e/DH =
-2
-5
1.09 x 10 -9.85 x 10 , ve yüzeyin hidrofilik özelliğinin
etkisini incelemişlerdir. Kanal yapımı için silikon wafer ve
akışkan olarak ise iyon giderilmiş su kullanılmıştır. Sonuçta
Nusselt sayısının yüzey pürüzlülüğünün artması ile arttığı,
geometrik boyutların, Wb / Wt ve Wt H Nusselt sayısını önemli
ölçüde etkilediği, genel olarak Wt H oranın artması ile Nusselt
sayısının arttığı, hidrofilik özelliği büyük olan ve termal
olarak oksitlenmiş silikondan yapılmış kanal için elde edilen
Nusselt sayılarının normal silikondan elde edilen kanal
değerlerinden yaklaşık %10 büyük olduğu belirtilmektedir.
Ayrıca incelenen parametrelerin fonksiyonu şeklinde Nusselt
sayısı bağıntıları da verilmiştir. Rosengarten vd.[35]
tarafından akışkan temas açısının (yüzey ıslanabilirliğinin) ısı
aktarımı üzerine etkisini deneysel incelemişlerdir. Kullanılan
ısı değiştiricide yan duvar etkilerini azaltmak için kanal
genişliği derinliğinden çok büyük (W/H=100) seçilmiştir.
Çalışmada ayrıca eksenel iletimin etkisi de dikkate alınmıştır.
Çalışmada yüksek temas açılı yüzeyin (hydrophobic) ısı
aktarım katsayısını azalttığı, kaygan akışın hidrofobik
yüzeylerde daha kolay oluştuğu belirtilmektedir.
Makro kanallarda tam gelişmiş laminer akışta, yüzeyde sabit
ısı akısı için eksenel iletim terimi ihmal edilir. Ancak yüzeyde
sabit sıcaklık koşulu için bu etki düşük Reynolds sayılarında
önemli olabilir. Eksenel iletim etkisi için Michelsen ve
Villadse [36] tarafından Pe < 1.5 için Nu = 4.1806540.183460 Pe ve Pe > 5 için Nu = 3.656794 + 4.487/ Pe2
eşitlikleri verilmektedir. Bu eşitliklerden de görüleceği gibi
Pe=100 için bu etki ihmal edilebilir. Mikro kanallarda eksenel
iletimin ısı aktarımına etkisi Tiselj vd. [37] tarafından
deneysel ve nümerik olarak incelenmiştir. Çalışmada hidrolik
çapı 160 mm üçgen bir silikon kanal ve akışkan olarak su
kullanılmış olup Reynolds sayısı 3.2-64 aralığında alınmıştır.
24
Mühendis ve Makina • Cilt : 48 Sayı: 571
Eksenel yönde hem akışkanın yoğun sıcaklığı hem de yüzey
sıcaklığının lineer değişmediği görülmüştür. Bunun sebebi
olarak eksenel yöndeki ısı iletimi gösterilmektedir. Ayrıca
çalışmada incelenen koşullarda, ısı aktarımının geleneksel
Navier-Stokes denklemleri ve enerji eşitlikleri ile
tanımlanabileceği belirtilmektedir. Lee ve Garimella [44]
tarafından dikdörtgen mikro kanalda ısı aktarımı hem yüzeyde
sabit ısı akısı hem de sabit sıcaklık sınır koşulu için nümerik
olarak incelemiştir. Akış, laminer hidrodinamik olarak tam
gelişmiş fakat ısıl olarak ise gelişmekte olan akıştır. Yazarlar
girişte Nusselt sayısının yüksek olduğu ve eksenel yönde
azalarak tam gelişmiş akış değerine ulaştığı belirtilmektedir.
Yazarlar tarafından ayrıca yerel ve ortalama Nusselt sayısı
bağıntıları ısıl giriş bölgesi için verilmiştir.
Renksizbulut vd.[38] tarafından dikdörtgen kanalda laminer
akış, sabit yüzey sıcaklığı koşulunda nümerik olarak
incelenmiştir. Çalışmada kullanılan parametre aralıkları Kn £
0.1, 0.1 £ Re £ 10 ve Pr = 1 şeklinde verilmiştir.Çalışmada
kanal girişinde hız kayması ve sıcaklık atlamasının daha
büyük olduğu, tam gelişmiş laminer akışta sürtünme katsayısı
ve Nusselt sayısının Knudsen sayısının artması ile azalmakta
olduğu, giriş uzunluğunun ise Knudsen sayısı ile arttığı bu
artışın yüksek Reynolds sayılarında daha fazla olduğu
belirtilmiştir.
Yüzey pürüzlülüğü, ısı aktarımını etkileyen önemli
parametrelerdendir ve birçok araştırmacı tarafından
incelenmiştir. Qu et al. [39] tarafından hidrolik çapı 62 ve
169 mm aralığında değişen yamuk silikon kanalda akışkan
olarak suyun kullanıldığı ısı aktarımı deneysel ve nümerik
olarak incelenmiştir. Yüzey pürüzlülüğü e/DH, 0.035-0.023
aralığındadır. Nümerik sonuçlar, 100-1400 Reynolds sayısı
aralığında, Nusselt sayısının sabit olduğu ve deneysel
sonuçların nümerik sonuçlardan ve makro kanal
sonuçlarından daha düşük olduğunu göstermiştir. Bu
farklılığın yüzey pürüzlülüğünden kaynaklanabileceği
belirtilmiştir. Pürüzlülük viskozitesi yaklaşımı kullanılarak
nümerik sonuçlar düzeltildikten sonra nümerik sonuçların
deneysel sonuçlar ile uyuştuğu belirtilmiştir. Ancak mevcut
sonuçlar, makro kanal tam gelişmiş laminer akış değerleri ile
karşılaştırıldığında daha düşüktür. Hegab vd.[40], hidrolik
çapı 112-210 mm ve yükseklik/genişlik oranın 1 ve 1.5
olduğu dikdörtgen kanalda R-134a akışkanın akışı için,
akışkan akımı ve ısı aktarım karakteristiklerini deneysel
olarak incelemişlerdir. Parametre olarak Reynolds sayısı,
göreceli pürüzlülük (e/DH=0.006-0.074), kanal
makale
yükseklik/genişlik oranı incelenmiştir. Pürüzlülük ve kanal
yükseklik/genişlik oranının incelenen deneysel aralıklarda
sürtünme faktörünü etkilemediği, ancak türbülanslı akışta
Nusselt sayısını etkilediği, elde edilen ısı aktarımı
sonuçlarının makro kanallarda kullanılan Gnielinski
bağıntısından % 6-84 oranında küçük çıktığı
belirtilmektedir. Nusselt sayısındaki belirsizliğin %20-30
aralığında olduğu ifade edilmektedir. Ayrıca Nusselt
sayısının Reynolds sayısına bağlılığı da faklıdır. Elde edilen
bağıntıda Reynolds sayısının üssü 1.1806 şeklinde
verilmiştir. Jiang vd.[11] tarafından, mikro kanallardan ve
gözenekli ortamdan oluşan bir mikro ısı değiştiricide,
zorlanmış taşınım deneysel ve teorik incelenmiştir. Mikro
kanalların genişlikleri 200-600 mm aralığında ve derinlik ise
700 mm dur. Gözenekli ısı değiştirici mikro kanalların içerisi
çapları 272 mm olan partiküller ile doldurularak elde
Bu hatalar hesaplanmış ve Nusselt sayısının hesaplanmasında
kullanılmıştır ve sonuçta hem laminer hem de türbülanslı
akışta sonuçların makro kanal sonuçları ile uyuştuğu
görülmüştür.
Su ve APG yüzey aktif madde çözeltisinin tek ve çift faz ısı
aktarım karakteristikleri, üçgen kesitli çok kanallı bir sistemde
Klein vd.[43] tarafından incelenmiştir. Tek fazlı akışta ısı
aktarımı açısından su ve APG çözeltisi karşılaştırılmış ve bir
farklılık gözlenmediği belirtilmiştir. Ancak çift fazlı akışta APG
çözeltisinin ısı aktarımını artırdığı ve bundan dolayı yüzey aktif
madde kullanımı iki fazlı akışta ısı aktarımını iyileştirme için
kullanılabileceği yazarlar tarafından belirtilmiştir.
SONUÇLAR
Bu çalışmada yayımlanmış eserlerde mikro kanal ısı aktarımı
çalışmaları sonuçları ve yapılan çalışmalarda takip edilen
edilmiştir. Isı aktarımı acısından gözenekli ortamın daha iyi
olduğu, ancak basınç düşüşü açısından ise mikro
kanallardan oluşan sistemin daha iyi olduğu
yaklaşımlarla ilgili derleme verilmiştir. Mevcut makaleler
belirtilmektedir. Mikro kanal ısı değiştiricide laminerden
türbülanslı akışa geçişin Re » 600 de olduğu da ayrıca
belirtilmiştir.
• Mikro kanal Nusselt sayıları makro kanallar ile
karşılaştırıldığında genel olarak, Nusselt sayısının değeri
ve Reynolds sayısına bağlılığında farklılıklar
görülmektedir. Laminer tam gelişmiş akışta Nusselt
sayısının Reynolds sayısı ile arttığını belirten çalışmalar
yanında azaldığını da belirten çalışmalar bulunmaktadır.
Reynolds sayısı üssü 0.148-1.17 aralığında değişmektedir.
Kanal geometrisinin ısı aktarımı üzerine etkisi farklı
araştırmacılar tarafından incelenmiştir. Choi ve Cho [41]
dikdörtgen mikro kanalda yükseklik-genişlik oranın etkisini
incelemiştir. Akışkan olarak su ve parafin kullanılmıştır.
Yükseklik-genişlik oranı etkisinin yüksek ısı akılarında daha
büyük olduğu kaydedilmiştir. Kanal yüksekliğinin ısı ve
basınç düşü üzerine etkisi Gao vd.[14] tarafından deneysel
incelenmiştir. Kanal yüksekliği 100-1000 mm aralığında
değiştirilmiş, kanal genişliği 25000 mm de sabit tutulmuş ve
akışkan olarak iyon giderilmiş su kullanılmıştır. Kanal
yüksekliğinin 400 mm den büyük olduğu durumda ısı ve
sürtünme karakteristiklerinin teori ile uyuştuğu ve düşük
kanal yüksekliğinde Nusselt sayısında önemli azalmanın
gözlenmesine rağmen Poiseulle sayısının değişmediği
gözlenmiştir. Ayrıca kritik Reynolds sayısının kanal
boyutundan etkilenmediği belirtilmektedir. Yükseklikleri
700 ve 200 mm olan iki boyutlu bir kanalda ısı aktarımı ve
sürtünme, Baviere vd. [42] tarafından deneysel ve nümerik
olarak incelenmiştir. Reynolds sayısı 200-8000 aralığındadır.
Kanal yüzeyleri arasındaki mesafe azaldığında, Nusselt
sayısında azalma görülmüştür. Ancak Poiseuille sayısında bir
değişme gözlenmemiş ve makro kanal sonuçları ile uyuştuğu
görülmüştür. Bunun akışkan ile yüzey ara yüzeyinde sıcaklık
ölçümündeki hatalardan kaynaklanabileceği belirtilmektedir.
ışığında aşağıdaki hususlar vurgulanabilir;
• Mevcut bulgular ile genel olarak kullanılabilecek bir ısı
aktarımı bağıntısı kabul etmek zordur. Önerilen yeni ısı
aktarımı bağıntıları yanında makro kanal bağıntılarının
düzeltilerek kullanılabileceğini belirten çalışmalar da
bulunmaktadır.
• Genel olarak kanal geometrisi Nusselt sayısını önemli
ölçüde etkilemektedir. Kanal boyutlarının küçülmesi ile
makro kanal sonuçlarından sapma artmakta, eksenel iletim
ve yüzeyde hız kayması ve sıcaklık atlaması göz önünde
bulundurulmalıdır.
• Mikro kanallarda yüzey ile akışkan etkileşimi ısı aktarımını
etkilemekte, yüzey pürüzlülüğü Nusselt sayısını
artırmakta, yüzeyin hidrofobik olması ise azaltmaktadır.
TEŞEKKÜR
Bu makale Atatürk Üniversitesi Araştırma Fonu tarafından
desteklenen 2005/12 nolu proje ve TUBİTAK tarafından
desteklenen 106M304 nolu proje kapsamında hazırlanmıştır.
Yazarlar destekleri nedeniyle Atatürk Üniversitesi Araştırma
Fonu ve TÜBİTAK'a teşekkür ederler.
Mühendis ve Makina • Cilt : 48 Sayı: 571
25
makale
KAYNAKÇA
1. Acosta R.E, Muller R.H., Tobias C.W., Transport Processes
in Narrow (capillary) Channels, AIChE Journal 31 (1985)
14. Gao P., Person S.L., Marinet M.F., Scale Effects on
Hydrodynamics and Heat Transfer in Ttwo-Dimensional
Mini and Microchannels, Int.J. Thermal Sciences, 41 (2002)
1017-1027.
473-482.
15. Peng X.F., Peterson G.P., Convective Heat Transfer and Fluid
2. Kandlikar S.G., Steinke M.E., Examples of Microchannel
Mass Transfer Processes in Biological Systems, 1 st Int.
Conference on Microchannels and Minichannels, April 24-25,
2003, Rochester, New York, USA.
Flow for Water Flow in Microchannel Structures, Int. J. Heat
and Mass Transfer, 39 (1996) 2599-2608.
16. Peng X.F., Peterson G.P., Wang B.X., Frictional Flow
Characteristics of Water Flowing Through Rectangular
3. Morini L.G, Single-Phase Convective Heat Transfer in
Microchannels: a Review of Experimental Results, Int. J.
Thermal Sciences, 43 (2004) 631-651.
Microchannels, J. Exp. Heat Transfer 7 (1995) 249-264.
17. Qu W, Mala G.M, Li D., Heat Transfer For Water Flow in
Trapezoidal Silicon Microchannels, Int. J. Heat and Mass
4. Sobhan C. B., Garimella S.V, A Comparative Analysis of
Studies on Heat Transfer and Fluid flow in Microchannels,
Microscale Thermophysical Engineering, 5 (2001) 293-311.
5. Hassan I, Phutthavong P., Abdelgawad M, Microchannel
Transfer, 43 (2000) 495-506.
18. Wang B.X., Peng X.F., Experimental Investigation on Liquid
Forcedconvection Heat Transfer Through Microchannels,
Internat. J. Heat Mass Transfer Suppl. 37 (1) (1994) 73-82.
Heat Sinks: an Overview of the state-of-the-art, Microscale
Thermophysical Engineering, 8 (2004) 183-205.
6. Obot N.T., Toward a Better Understanding of Friction and
Heat/Mass Transfer in Microchannels-a Literature Review,
Microscale Thermophysical Engineering, 6 (2002) 155-173.
7. Choi S.B., Barron R.F., Warrington R.O., Fluid Flow and
Heat Transfer in Microtubes, Micromechanical Sensors,
Actuators, and Systems, DSC-Vol.32, pp. 123-134, ASME,
New York, 1991.
8. Celata G.P., Cumo M., Guglielmi, Zummo G., Experimental
Investigation of Hydraulic and Single-Phase Heat Transfer in
0.130-mm Capillary Tube, Microscale Thermophysical
Engineering, 6 (2002) 85-97.
9. Wu H.Y., Cheng P., Friction Factors in Smooth Trapezoidal
Silicon Microchannels With Different Aspect Ratios, Internat.
J. Heat Mass Transfer 46 (2003a) 2519-2525.
10. Rahman M.M., Gui F.J., Experimental Measurements of
Fluid Flow and Heat Transfer in Microchannel Cooling
Passages in a Chip Substrate, in: Advances in Electronic
Packaging, in:ASME EEP, vol. 199, 1993, pp. 685-692.
19. Lee P.S., Garimella S.V., Liu D., Investigation of Heat
Transfer in Rectangular Microchannels, Int. J. Heat and Mass
Transfer, 48 (2005) 1688-1704.
20. Owhaib W., Palm B., Experimental Investigation of SinglePhase Convective Heat Transfer in Circular Microchannels,
Exp. Thermal and Fluid science, 28 (2004) 105-110.
21. Adams T.M., Abdel-Khalik S.I., Qureshi Z.H., An
Experimental Investigation of Single-Phase Forced Convection
in Microchannels, Int. J. Heat and Mass Transfer, 41 (1998)
851-857.
22. Adams T.M., Dowling M.F., Abdel-KhalikS.I., Jeter S.M.,
Applicability of traditional turbulent single phase forced
convection correlations to non-circular microchannels, Int. J.
Heat Mass Transfer 42 (1999) 4411-4415.
23. Garimella S.V., Singhal V., Single-Phase Flow and Heat
Transport and Pumping Considerations in Microchannel Heat
Sinks, Heat Transfer Engineering 25 (2004) 15-25.
24. Bayazitoğlu Y, Ozisik MN, On the Solution of Greatz Problem
With Axial Conduction, Int. J. Heat and Mass Transfer, 23
(1980) 1399-1402.
11. Jiang P.X., Fan M.H., Si G.S., Ren Z.P., Thermal-Hydraulic
Performance of Small Scale Micro-Channel and Porous-Media
Heat-Exchangers, Int. J. Heat and Mass Transfer, 44 (2001)
1039-1051.
12. Nguyen N.T., Bochnia D., Kiehnscherrf R., Dözel W,
Investigation of Forced Convection in Microfluid Systems,
SensorsActuatorsA55 (1996) 49-55.
13. Wu P., Little W.A., Measurement of the Heat Transfer
Characteristics of Gas Flow in Fine Channel Heat Exchangers
Used for Microminiature Refrigerators, Cryogenics 24 (1984)
415-420.
26
Mühendis ve Makina • Cilt : 48 Sayı: 571
25. Barron, R. F., Wang, X. M., Warrington, R. O. and Ameel, T.
A., Evaluation of the Eigenvalues for the Graetz Problem in
Slip-Flow. Int. Communications in Heat and Mass Transfer, 23
(1996) 563-574.
26. Barron RF, Wang X, Ameel TA, Warrington Ro, The Graetz
Problem Extended to Slip Flow, Int. J. Heat and Mass Transfer,
40 (1997) 1817-1823.
27. Tunc G., Bayazitoğlu Y., Heat Transfer in Microtubes With
Viscous Dissipation, Int. J. Heat and Mass Transfer, 44 (2001)
2395-2403.
makale
28. Tunc G., Bayazitoğlu Y., Heat Transfer in Rectangular
Microchannels Dissipation, Int. J. Heat and Mass Transfer, 45
(2002) 765-773.
29. Chen C.H., Slip-Flow Heat Transfer in Microchannel With
Viscous Dissipation, Heat Mass Transfer, 42 (2006) 853-860.
30. Jeong Ho-E., Jeong Jae-T, Extended Greatz Problem
Including Streamwise Conduction and Viscous Dissipation in
Trapezoidal Silicon Microchannels, Internat. J. Heat Mass
Transfer 43 (2000) 353-364
40. Hegab H.E, Bari A, Ameel T, Friction and Convection Studies
of R-134a in Microchannels Within the Transition and
Turbulent Flow Regimes, Experimental Heat Transfer, 15
(2002) 124-259.
Microchannel, Int. J. Heat and Mass Transfer, 49 (2006) 21512157.
41. Choi M., Cho K., Effect of the Aspect Ration of Rectangular
Channels on the Heat Transfer and Hydrodynamics of Paraffin
Slurry flow, Int. J. Heat and Mass Transfer, 44 (2001) 55-61.
31. Harms T.M., Kazmierczak M.J., Gerner F.M, Developing
Convective Heat Transfer in Deep Rectangular
Microchannels, Int. J. Heat and Fluid flow, 20 (1999) 149-157.
42. Baviere R., Marinet M.F., Le Person S., Bias Effect on Heat
Transfer Measurements in Microchannel Flows, Int. J. Heat and
Mass Transfer, 49 (2006) 3325-23337.
32. Xu J.L., Gan Y.H., Zhang D.C., Li X.H., Microscale Heat
Transfer Enhancement Using Thermal Boundary Layer
Redeveloping Concept, Int. J. Heat and Mass Transfer, 48
43. Klein D., Hetsroni G., Mosyak A., Heat Transfer
Characteristics of Water and APG Surfactant Solution in a
Micro-Channel Heat Sink, Int. J. Multiphase Flow, 31 (2005)
393-415.
(2005) 1662-1674.
33. Lelea D., Nishio S., Takano K., The Experimental Research
on Microtube Heat Transfer and Fluid Flow of Distilled Water,
Int. J. Heat and Mass Transfer, 47 (2004) 2817-2830.
34. Wu H.Y., Cheng P, An Experimental Study of Convective
Heat Transfer in Silicon Microchannels With Different Surface
Conditions, Int. J. Heat and Mass Transfer, 46 (2003b) 25472556.
35. Rosengarten G., Cooper-White J, Metcalfe G, Experimental
and Analytical Study of the Effect of Contact Angle on Liquid
Convective Heat Transfer in Microchannels, Int. J. Heat and
Mass Transfer, 49 (2006) 4161-4170.
36. Kays W.M., Crawford M.E., Convective Heat and Mass
Transfer, Third Edition, McGraw-Hill, Inc., Singapore, 1993.
37. Tiselj I., Hetsroni G., Mavko B., Mosyak A., Pogrebnyak E.,
Segal Z., Effect of Axial Conduction on the Heat Transfer in
Micro-Channels, Int. J. Heat and Mass Transfer, 47 (2004)
2551-2565.
38. Renksizbulut M., Niazmand H., Tercan G., Slip-Flow and
Heat Transfer in Rectangular Microchannels With Constant
Wall Temperature, Int. Journal of Thermal Sciences, 45 (2006)
870-881.
39. Qu W., Mala M., Li D., Pressure-Driven Water Flows in
44. Lee P.S., Garimella S.V., Thermally Developing Flow and
Heat Transfer in Rectangular Microchannels of Different
Aspect Ratios, Int. J. Heat and Mass Transfer, 49 (2006) 30603067.
45. Sahah R.K., Sekulic D.P., Fundamentals of Heat Exchanger
Design, John Willey Sons, Inc., Hoboken New Jersey, 2003.
46. Incropera F.P., DeWitt D.P., Fundamentals of Heat and Mass
Transfer, 4th Edition, John Wiley & Sons, 1996.
47. Zhuang Y., Ma C.F., Qin M., Experimental Study on Local
Heat Transfer With Liquid Impingement Flow in TwoDimensional Micro-Channels, Int. J. Heat and Mass Transfer,
40 (1997) 4055-4059.
48. Tosun İ, Modelling in Transport Phenomena: a Conceptual
Approach, Elsevier, 2002.
49. Yener Y., Kakaç S., Avelino M., Okutucu T., Single-phase
Forced Convection in Microchannels: A State-of-art Review,
Microscale Heat Transfer, S. Kakaç et al. (eds.), Springer, p.1-24.
50. Morini G.L, Lorenzini M., Mikro Kanallarda Tek-Fazlı
Akışkan Akışı ve Isı Geçişi, Mühendis ve Makina, 557 (2006)
68-96.
51. Sobhan C.B., Peterson G.P, Mikrokanllarda Taşınımla Isı
Geçişinin Bir İncelemesi, Mühendis ve Makina, 557 (2006)
10-67.
Makalenin “Basınç Düşüşü ve Sürtünme Faktörü Bağıntıları” konulu birinci bölümü Temmuz 2007 570. sayıda yayınlanmıştır.
Mühendis ve Makina • Cilt : 48 Sayı: 571
27
Download