Experimental study on improvement of pool boiling cooling systems in dielectric liquid using honeycomb structures manufactured by additive manufacturing
Dielektrik sıvıda eklemeli imalat yöntemiyle üretilen petek yapılar kullanılarak havuz kaynatma soğutma sistemlerinin iyileştirilmesi üzerine deneysel çalışma
- Tez No: 854995
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HÜSNÜ DAL, PROF. DR. İSKENDER GÖKALP
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Havuz kaynaması, Boiling pool
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Yeni elektronik cihazların izin verilen çalışma sıcaklığı aralıklarında tutulması, etkili termal yönetim teknolojilerini gerektirir. Mikroelektronik teknolojisindeki ilerlemeler, silikon çiplerin daha küçük transistörler kullanılarak üretilmesine olanak sağladı. Ek olarak hem mikroçiplerde bulunan transistör sayısı hem de güç tüketimleri artmaktadır. Sonuç olarak bu cihazlardan uzaklaştırılması gereken ısı akısı sürekli artmaktadır. Yüksek ısı akısı termal tasarım mühendislerinin en kritik sorunlarından biridir. Isı akısındaki artış, elektronik soğutma teknolojilerinin geliştirilmesinde en önemli faktörlerden biridir. Geleneksel soğutma yöntemleri bu yüksek ısı akıları için yetersiz kalmaktadır. Faz değişimine dayalı termal yönetim yöntemleri, elektronik cihazlardan yüksek ısı akışlarını ortadan kaldırma konusunda umut vericidir. Havuz kaynaması uygulanabilirlik açısından en uygun çok fazlı soğutma sistemlerinden biridir. Bu çalışma havuz kaynaması soğutma sisteminin eklemeli imalat kullanılarak üretilmiş yüzey modifikasyonları kullanılarak iyileştirilmesi üzerine deneysel çalışmaları içermektedir. Geleneksel imalat yöntemleri ile üretilemeyecek olan yüzey modifikasyonları Seçici Lazer Eritme yöntemi ile üretilmektedir ve tasarım parametrelerinin optimize edilmesi amaçlanmaktadır. Yüzey modifikasyonları AlSi10Mg tozundan imal edilmektedir ve imal edilen parçaların termal iletkenlikleri malzeme karakterizasyon testleri sonucunda bulunmaktadır. Havuz kaynaması deneyleri atmosferik basınç altında doymuş koşullarda HFE-7100 sıvısı içerisinde gerçekleştirilmektedir. Bu deneyler laboratuvar ortamında kontrollü olarak yapılmakta, deneyler sırasında sıcaklık ve basınç ölçümleri alınmakta ve yüksek hızlı kamera ile görüntüleme işlemleri yapılmaktadır. Bu çalışmada yirmi beş çeşit test parçasının havuz kaynaması performansları değerlendirilmektedir. İmal edilen yüzey modifikasyonları altıgen açıklığa sahip bal peteği yapısına sahiptir. Ayrıca bu modifikasyonlardan bazıları yan kare açıklıklara sahiptir. Deneyler sırasında yüzey pürüzlülüğünün, altıgen açıklıkların boyutunun, modifikasyon yüksekliğinin, yan kare açıklıkların boyutunun ve tekrar eden hücrelerin dağılımının kaynama performansı üzerine olan etkileri incelenmektedir. Performans iyileştirilmesi için kritik ısı akısının ve ısı transfer katsayısının artırılması, kaynama başlangıç histerilerinin eliminasyonu ve çekirdek kaynama rejiminin düşük sıcaklıkta başlaması hedeflenmektedir. Yapılan deneyler sonucunda bu dört amaca ulaşılmakta ve önemli iyileştirmeler elde edilmektedir. Yüzey modifikasyonu sayesinde kaynama daha düşük bir ısı akısı ile başlamaktadır ve yüzey sıcaklığında 10 °C'den fazla önemli bir azalma olmaktadır. Kritik ısı akısı için 3,48 kattan fazla artış gözlenirken, maksimum ısı transfer katsayısı 2,56 kat iyileşmektedir. Bu iyileştirmeler yüzey modifikasyonları sayesinde ısı transfer ve aktif çekirdeklenme alanlarının artması, kılcal destekli emiş etkisinin iyileşmesi ve sıvı-buhar akış yollarının ayrıştırılmasına atfedilmektedir. Elde edilen sonuçlar doğrultusunda tasarım parametrelerinin optimizasyonu tartışılmaktadır. Havuz kaynaması soğutma sisteminin ve eklemeli imalat yöntemlerinin birlikte kullanılması elektronik soğutma alanında yenilikçi çözümler ortaya koymakta ve gelecek vaat etmektedir.
Özet (Çeviri)
Maintaining new electronic devices within the permitted operating temperature ranges requires effective thermal management technologies. Microelectronic technology advancements have enabled silicon chips to be produced with smaller transistors. Additionally, as the number of transistors in microchips increases, their power consumption also increases. As a result, the heat flux that needs to be removed from these devices is constantly increasing. High heat flux is one of the most critical problems of thermal design engineers. The increase in heat flux is one of the most essential factors in developing electronic cooling technologies. Traditional cooling methods are insufficient for these high heat fluxes. Phase change-based thermal management methods are promising to remove high heat fluxes from electronic devices. Pool boiling is one of the most convenient multi-phase cooling systems in terms of applicability. This study includes experimental studies on improving the boiling pool cooling system using surface modifications fabricated using additive manufacturing. Surface modifications that cannot be produced with traditional manufacturing methods are made with the Selective Laser Melting method, aiming to optimize the design parameters. Surface modifications are manufactured from AlSi10Mg powder, and the thermal conductivities of the manufactured parts are determined as a result of material characterization tests. Pool boiling experiments are carried out in HFE-7100 liquid under saturated conditions and atmospheric pressure. These experiments are carried out in a controlled laboratory environment, temperature and pressure measurements are taken during the experiments, and imaging is performed with a high-speed camera. In this study, the pool boiling performances of twenty-five types of test pieces are evaluated. The manufactured surface modifications have a honeycomb structure with hexagonal openings. Also, some of these modifications have side square openings. During the experiments, the effects of surface roughness, size of hexagonal openings, modification height, length of side square openings, and distribution of repeating cells on the boiling performance are examined. In order to improve performance, it is aimed to increase the critical heat flux and heat transfer coefficient, eliminate the initial boiling hysteresis, and start the nucleate boiling regime at low temperatures. As a result of the experiments, these four goals are achieved, and significant improvements are observed. Thanks to the surface modification, boiling starts at a lower heat flux with a significant decrease of more than 10 °C in the surface temperature. While an increase of more than 3.48 times is observed for the critical heat flux, the maximum heat transfer coefficient improves by 2.56 times. These improvements are attributed to the increase of heat transfer and active nucleation areas, improvement of the capillary-assisted suction effect, and separation of liquid-vapor flow paths thanks to surface modifications. Based on the results obtained, optimization of design parameters is discussed. The combined use of the boiling pool cooling system and additive manufacturing methods offers promising solutions for electronic cooling.
Benzer Tezler
- Havuz kaynamasında bir mikro oyuktaki kabarcıklanmanın incelenmesi
Study of bubble nucleation in a microcavity in pool boiling
TUĞBA TETİK
Doktora
Türkçe
2022
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İSMAİL YALÇIN URALCAN
- Functional new generation surfaces for enhanced phase change heat transfer and electronics cooling
Gelişmiş faz değişimli ısı transferi ve elektronik cihazları soğutma için fonksiyonel yeni nesil yüzeyler
VAHID EBRAHIMPOUR AHMADI
Doktora
İngilizce
2023
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ KOŞAR
- Deneysel prematür ovaryen yetmezliği modelinde kullanılan antioksidanların mitofaji proteinleri ve bunlarla ilişkili microRNA'lar üzerine etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of antioxidants used in the experimental model of premature ovarian failure on mitophagy proteins and their related microRNAs
DUYGU UÇAR KARTAL
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2023
Kadın Hastalıkları ve DoğumManisa Celal Bayar ÜniversitesiKadın Hastalıkları ve Doğum Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NACİ KEMAL KUŞÇU
- Sentiment analysis model proposal with deep learning techniques on big data: Portfolio selection with the help of industry indicators
Büyük veri üzerinde derin öğrenme teknikleri ile duygu analizi model önerisi: Sektör göstergeleri yardımıyla portföy seçimi
MAHMUT SAMİ SİVRİ
Doktora
İngilizce
2023
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALP ÜSTÜNDAĞ
- Havuz ters yıkama durulama atık sularının geri kazanım oranının deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of backwash wastewater recovery in swimming pools
AHMET BURAK GÜLBUDAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Makine MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HASBİ KIZILHAN