Geri Dön

Yüzey pürüzlülüğünü etkileyen parametrelerin optimizasyonu ve pürüzlü mikrokanal akışının deneysel incelenmesi

Optimization of parameters affecting surface roughness and experimental investigation of rough microchannel flow

PDF İndir

  1. Tez No: 868064
  2. Yazar: UMUT KÜÇÜKOĞLU
  3. Danışmanlar: PROF. DR. NEZAKET PARLAK
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mühendislik Bilimleri, Makine Mühendisliği, Enerji, Engineering Sciences, Mechanical Engineering, Energy
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Sakarya Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Yapılan çalışmada pürüzlü mikrokanallı ısı alıcıları üretilerek, üretim parametrelerinin pürüzlülüğe etkisi incelenmiştir. İşleme tekrarı, pürüzlülük, hidrolik çap ve en-boy oranındaki değişimlerin mikrokanallı ısı alıcıları üzerinde, kanat yapısı, akış karakteristiği ve ısı transferi gibi konulara etkilerin optimizasyonunu sağlamaktadır. Deney bulguları geleneksel bağıntılarla karşılaştırılmış olup benzer problem ile karşılaşacak araştırmacılara ışık tutacak bir altyapı oluşturmakta ve konuyla ilgili çalışacak sanayi kollarına bir referans teşkil edebilmektedir. Mikrokanallı bir ısı alıcıda sistem performansına etki eden pürüzlülük parametresini optimize etmektir. Mikrokanal ısı alıcıları, Sakarya Üniversitesi Geliştirme ve Uygulama Merkezi (SARGEM) Mikrokanal Isı Transferi Laboratuvarı'nda üretildi ve test edildi. Testlerde kullanılan ısı alıcıları alüminyum ve bakır malzemelerden yapılmıştır. Her bir ısı alıcısında 15 adet paralel kanal bulunmakta olup, kanallar tel erezyon yöntemi ile imal edilmiştir. İşleme ve ilerleme hızları sabit tutularak işleme tekrarı değiştirilerek farklı pürüzlülük özelliklerine sahip kanallar üretilmiştir. Isı alıcıların kanal boyutları taramalı elektron mikroskobu (SEM, Jeol JSM 6060 LV) ile belirlendi. En az 3 farklı kanalda kanal genişliği ve uzunluğu ölçülerek ortalama değerler ve hidrolik çap hesaplanmıştır. Kanal pürüzlülük ölçümleri KLA Tencor P6 standart profilometre cihazı ile yapılmıştır. Pürüzlülük değerleri (Ra) incelendiğinde en yüksek pürüzlülük değeri 7,35 µm, en düşük pürüzlülük değeri 0,5 µm olarak ölçülmüş ve genel olarak verilerin 3 µm‟ nin altında olduğu görülmüştür. Bütün deneylerin ortalama pürüzlülük değeri ise 3,71 µm olmuştur. Her biri (20 mm x 20 mm) dış ölçülere sahip, kanalların farklı en-boy oranlarına ve pürüzlülük değerlerine sahip toplam 18 farklı soğutucu numunesi hazırlanmıştır. Hesaplamalarda kullanılan hidrolik çaplar SEM görüntülerinden elde edilmiştir. Bu çalışmada Taguchi deney tasarımı yöntemi kullanıldı. Al ve Cu malzemeden hidrolik çapları 400 ile 500 µm arasında değişen 18 adet ısı alıcısı üretildi. Bu ıs ılıcıların diktörtgen kesitli paralel mikrokanallardan sahiptir. Bu mikro kanalların ortalama pürüzlülük değerleri (Ra) 0,5 ila 7,5 mikrometre , en boy oranlarıda 0,4 ila 2,5 arasında değişmektedir. Mikrokanallı bir ısı alıcıda sistem performansına etki eden pürüzlülük parametresini Taguchi yöntemi ile optimize edildi. Optimizasyonda malzeme cinsi, tasarım ve işleme faktörü için optimum, sinyal-gürültü oranları kullanılmıştır. Benzer hidrolik çapa sahip mikro kanallı çalışmalarda için pürüzlülük değerinin bulunmasında referans olacak formülasyon elde edildi. Elde edilen geleneksel teorik hesaplar ile deney sonuçlarında basınç ve sıcaklık değerlerinin tutarlı olduğu, sürtünme faktöründe farklar olduğu görülmüştür. Çalışmada deney tasarımının gereği olarak 18 deney yapılmış ve toplam olarak 18 gözlem alınmıştır. Yüzey pürüzlülük ölçümü Ra değeri cinsinden her numune için 3 kez tekrarlanmış olup ortalaması alınmıştır. Toplanan veriler Minitab programının Taguchi analiz kısmında“en küçük en iyi”kriterine göre çözümlenerek gerekli veri ve grafikler elde edilmiştir. Taguchi deney tasarım metodu uygulamasında siyah görüntü oranları için malzeme cinsi olarak Bakır , Tasarım da A tipi İşleme tekrarında 3 kesim olan en ideal parametre çıkmaktadır. Anova metodunda en fazlı etki eden parametre sırasıyla %49,20 ile Tasarım %27,4 ile İşleme tekrarı %12,87 ile malzeme cinsi parametreleridir. Anova modelimizin güvenilirliği %89,62 çıkmıştır. Literatürde genel kabul olarak görülen uygunluk değeri %85 üzeri için kabul görmüştür. Bu çalışma için model uygulanabilir soncuna ulaşabiliriz. Polinom regresyon analizinde 2 farklı malzemeden biri ile farklı tasarımdaki ürünler ile deney yaparsanız farklı işleme tekrarları ilen verilen formül ile deney yapmadan pürüzlülük değerlerine Regresyon denklemine ulaşılabildiği gösterildi. Yüzey Pürüzlülüğü ( µm ) = - 0,1154 + 1,070 Tahmini Yüzey Pürüzlülüğü (µm) - 0,00876 Tahmini Yüzey Pürüzlülüğü (µm)2 Deney düzeneğinin ana unsurları su deposu, pompa, filtre, chiller deney bölümü, ısı eşanjörü, su banyosu, vanalar, güç kaynağı, ölçme ve veri toplama elemanıdır. Akışın görüntüsünü elde etmek için üstte bir cam plaka kullanılır ve sızdırmazlığı sağlamak için saplama somun setleri ile paslanmaz çelik plakaya sabitlenir. Akış deneylerinde çalışma sıvısı olarak deiyonize su kullanılmıştır. Isı alıcıları sabit ısı akısı koşullarında test edilmişlerdir. Tek fazlı deneylerde, akışkanın giriş sıcaklığı sabit sıcaklık banyosu ile 20°C'ye ayarlanmıştır. Giriş ve çıkış akışkan sıcaklıkları ve duvar sıcaklıkları K tipi termokupllar ile ölçülmüştür. Basınç düşümü, girişe yerleştirilen 0-1 bar aralığındaki yüksek hassasiyetli Keller basınç transmitteri ile ölçülmüştür. Toplam ısıtma gücünün 123 W'a ulaşabildiği kartuş ısıtıcılar kullanıldı ve ısıtma gücü bir güç kaynağı ve dijital watt metre ile tam giriş gücü ile düzenli olarak kontrol edildi. Isı kayıpları literatürde kullanılan bir yöntemle belirlenmiştir . Isı kayıplarını belirlemek için güç kaynağı sabit bir termal güç değerine ayarlandı ve sıcaklıklar ölçüldü. Sıcaklıklar farklı termal güç ayarlarında tekrar ölçüldü. Isı kaybı kalibrasyon eğrisi, ölçülen sıcaklıklar vasıtasıyla elde edildi. Akış deneylerinde testler aynı koşullar altında en az üç kez tekrarlanmış ve veri toplayıcı aracılığıyla anlık olarak bilgisayara kaydedilmiştir. Tek fazlı akış koşullarında gerçekleşen deneyler 155 <Re<465 aralığında olup 407 ile 598 µm hidrolik çapları arasındaki ısı mikro kanallı ısı alıcılarının akış karakteristiği ve ısı geçişine etkileri incelenmiştir.Bakır ve alüminyumdan yapılmış altı farklı ısı alıcıların deneysel verileri sunulmuştur. Kanalların hidrolik çapları ve en-boy oranları birbirinden farklıdır. Soğutucu akışkan olarak deiyonize su kullanılmıştır. Malzeme ve en-boy oranının akış ve ısı transferi üzerindeki etkisi gösterilmiştir. Tek fazlı akış ve ısı transferi deneyleri, basınç düşüşünün kütle akısı ile kademeli olarak arttığını gösterdi. Isı transfer katsayılarının da artış eğiliminde olduğu bulunmuştur. Tek fazlı laminer akışın deneysel Nu verileri, Sieder ve Tate denkleminden elde edilen verilerle neredeyse örtüşmektedir. Kütle akısı arttıkça basınç düşüşlerinin görüldüğü ve alüminyum ısı alıcısının basınç düşüşü değerlerinin bakırdan daha yüksek olduğu da açıktır. Alüminyum yumuşak bir malzeme olduğu için aynı üretim prosesi ile üretilse bile kanalın yüzey özellikleri bakır ile aynı değildir. Burada, kanalın iç yüzeyinde oluşan girinti ve çıkıntıların basınç düşümü için artırıcı bir etkiye eğilim gösterdiği sonucuna varılmıştır. Sürtünme faktörünün 0,08 ile 0,8 arasında değiştiği çalışmada Re sayısı artışı ile sürtünme faktörünün düştüğünü akışa etkiyen parametrelerin sırası ile hidrolik çap, malzeme, en-boy oranı ve pürüzlülük olduğu tespit edildi. Geleneksel bağıntılı ile deneysel sürtünme faktörü karşılaştırılarak ±%10 yaklaşımın içerisinde kalıp kabul edilebilir seviyede olduğu sonucuna varıldı. Deneysel çalışmamızda ısı taşınım katsayıları 2000 ile 2800 W/m2K arasında gerçekleşmiştir. Kütle akısının artması ile ısı taşınım katsayısının düştüğünü Al ısı alıcısının Cu'a göre daha yüksek ısı taşınım katsayılarına sahip olduğu sonucuna varıldı. Isı alıcının ısı taşınım katsayısını belirleyen etkinlik sırasına göre; malzeme cinsi hidrolik çap, en/boy oranı ve pürüzlülüktür. Geleneksel teoriyede uyumlu olduğu, ısı transferinde hidrolik çapın artarak kanal içi hızın düşmesi ile suya aktarılacak enerjinin arttığı, en-boy oranının artması ile ısı yüzey alanının genişlemesi ile suya aktarılan enerjinin artacağı, kanal yüzey pürüzlüğün artarak akışkan ile temas eden yüzey alanın arttığı deneysel çalışmamızda da kanıtlanmıştır. Bu çalışmada nicel ve nitel araştırma yöntemleri beraber kullanılmıştır. Çalışma kapsamında yürütülen deneyler sonucunda, yüzey pürüzlülüğünün ısı transferi performansına etkisi deneysel olarak incelenmiştir. Çalışma kapsamında, farklı pürüzlülük tipleri, pürüzlülük boyutları ve pürüzlülük geometrileri kullanılarak deneyler yapılmıştır. Deneyler sonucunda pürüzlülük, ısı transferi katsayısını arttıracağı görülmüştür. Pürüzlülüğün ısı transferi kat sayısına etkisi, akışkanın türüne ve debisine bağlı olduğu ve düşük debilerde, pürüzlülüğün etkisinin daha belirgin olduğu belirlenmiştir. Son olarak ısı transfer kat sayısı pürüzlülüğün tipine, boyutuna ve geometrisine de bağlı olduğu belirlenmiştir. Çalışmanın sonuçları, pürüzlü mikrokanalların ısı transferi performansını iyileştirmek için kullanılabileceğini ortaya koymuştur. Yüzey pürüzlülüğün etkisini daha iyi anlayabilmek için kapsamlı çalışmalar yapılması gerekmektedir.

Özet (Çeviri)

In the study, rough microchannel heat sinks were produced and the effect of production parameters on roughness was investigated. It provides optimization of the effects of changes in processing repetition, roughness, hydraulic diameter and aspect ratio on microchannel heat sinks on issues such as wing structure, flow characteristics and heat transfer. The experimental findings have been compared with traditional correlations and create an infrastructure that will shed light on researchers who will encounter similar problems and may serve as a reference to the branches of industry that will work on the subject. To optimize the roughness parameter affecting the system performance in a microchannel heat sink. Microchannel heat sinks were produced and tested at Sakarya University Development and Application Center (SARGEM) Microchannel Heat Transfer Laboratory. The heat sinks used in the tests were made of aluminum and copper materials. There are 15 parallel channels in each heat sink, and the channels are manufactured by the wire erosion method. Channels with different roughness properties were produced by keeping the processing and feed speeds constant and changing the processing repetition. The channel dimensions of the heat sinks were determined by scanning electron microscopy (SEM, Jeol JSM 6060 LV). Average values and hydraulic diameter were calculated by measuring the channel width and length in at least 3 different channels. Channel roughness measurements were made with a KLA Tencor P6 standard profilometer device. When the roughness values (Ra) were examined, the highest roughness value was measured as 7.35 µm, the lowest roughness value was measured as 0.5 µm, and it was generally seen that the data was below 3 µm. The average roughness value of all experiments was 3.71 µm. A total of 18 different cooler samples were prepared, each with external dimensions (20 mm x 20 mm), different aspect ratios and roughness values of the channels. Hydraulic diameters used in calculations were obtained from SEM images. Taguchi experimental design method was used in this study. 18 heat sinks with hydraulic diameters ranging from 400 to 500 µm were produced from Al and Cu materials. These thermocouples have parallel microchannels with rectangular cross-sections. The average roughness values (Ra) of these micro channels vary between 0.5 and 7.5 micrometers, and their aspect ratios vary between 0.4 and 2.5. The roughness parameter affecting the system performance in a microchannel heat sink was optimized with the Taguchi method. In optimization, optimum signal-to-noise ratios for material type, design and processing factor were used. A formulation that will be a reference in finding the roughness value for microchannel studies with similar hydraulic diameters was obtained. It was observed that the pressure and temperature values were consistent with the traditional theoretical calculations and the experimental results, but there were differences in the friction factor. In the study, 18 experiments were conducted as required by the experimental design and a total of 18 observation was taken. Surface roughness measurement in terms of Ra value was repeated 3 times for each sample and the average was taken. The collected data were analyzed according to the“smallest is best”criterion in the Taguchi analysis section of the Minitab program and the necessary data and graphics were obtained. In the application of Taguchi experimental design method, the most ideal parameter for black image ratios is Copper as the material type and 3 cuts in the A type Processing repetition in the Design. The most influential parameter in the Anova method is Design with %49.20, %27.4 and Processing repetition with 12.87%, respectively, material type parameters. The reliability of our Anova model was %89.62. The fitness value, which is generally accepted in the literature, is above %85. For this study, we can reach the conclusion that the model can be applied. In polynomial regression analysis, it has been shown that if you experiment with products of different designs with one of 2 different materials, the roughness values and regression equation can be reached without experimenting with the given formula with different processing repetitions. Surface Roughness (µm) = - 0.1154 + 1.070 Estimated Surface Roughness (µm) - 0.00876 Estimated Surface Roughness (µm)2 The main elements of the experimental setup are water tank, pump, filter, chiller experimental section, heat exchanger, water bath, valves, power supply, measurement and data collection element. A glass plate is used on top to obtain an image of the flow and is fixed to the stainless steel plate with stud nut sets to ensure tightness. Deionized water was used as the working fluid in flow experiments. The heat sinks were tested under constant heat flux conditions. In single-phase experiments, the inlet temperature of the fluid was set at 20°C with a constant temperature bath. Inlet and outlet fluid temperatures and wall temperatures were measured with K type thermocouples. Pressure drop was measured with a high-precision Keller pressure transmitter in the range of 0-1 bar placed at the inlet. Cartridge heaters were used, where the total heating power could reach 123 W, and the heating power was regularly checked with a power supply and digital watt meter at full input power. Heat losses were determined by a method used in the literature. To determine heat losses, the power supply was set to a constant thermal power value and temperatures were measured. Temperatures were measured again at different thermal power settings. The heat loss calibration curve was obtained through measured temperatures. In flow experiments, the tests were repeated at least three times under the same conditions and were instantly recorded to the computer via the data collector. The experiments carried out under single-phase flow conditions were in the range of 155 <Re<465 and the flow characteristics and heat transfer effects of micro-channel heat sinks with hydraulic diameters between 407 and 598 µm were examined. Experimental data of six different heat sinks made of copper and aluminum are presented. The hydraulic diameters and aspect ratios of the channels are different from each other. Deionized water was used as the refrigerant. The effect of material and aspect ratio on flow and heat transfer is demonstrated. Single-phase flow and heat transfer experiments showed that the pressure drop gradually increased with mass flux. It has been found that heat transfer coefficients also tend to increase. The experimental Nu data of single-phase laminar flow almost coincide with the data obtained from the Sieder and Tate equation. It is also clear that pressure drops are observed as the mass flux increases, and the pressure drop values of the aluminum heat sink are higher than those of copper. Since aluminum is a soft material, the surface properties of the channel are not the same as copper, even if it is produced with the same production process. Here, it is concluded that the indentations and protrusions formed on the inner surface of the channel tend to have an increasing effect on the pressure drop. In the study where the friction factor varied between 0.08 and 0.8, it was determined that the friction factor decreased as the Re number increased, and the parameters affecting the flow were hydraulic diameter, material, aspect ratio and roughness, respectively. By comparing the traditional relative and experimental friction factor, it was concluded that it remained within ±10% and was at an acceptable level. In our experimental study, heat transfer coefficients were between 2000 and 2800 W/m2K. It was concluded that the heat transfer coefficient decreased with the increase in mass flux and that the Al heat sink had higher heat transfer coefficients than Cu. According to the order of effectiveness that determines the heat transfer coefficient of the heat sink; material type, hydraulic diameter, aspect ratio and roughness. In our experimental study, it is also compatible with traditional theory, the energy transferred to water increases as the hydraulic diameter increases in heat transfer and the velocity inside the channel decreases, the energy transferred to water increases as the heat surface area increases with the increase in aspect ratio, and the surface area in contact with the fluid increases by increasing the channel surface roughness. has been proven. In this study, quantitative and qualitative research methods were used together. As a result of the experiments carried out within the scope of the study, the effect of surface roughness on heat transfer performance was examined experimentally. Within the scope of the study, experiments were carried out using different roughness types, roughness sizes and roughness geometries. As a result of the experiments, it was seen that roughness would increase the heat transfer coefficient. It has been determined that the effect of roughness on the heat transfer coefficient depends on the type and flow rate of the fluid, and the effect of roughness is more pronounced at low flow rates. Finally, it was determined that the heat transfer coefficient also depends on the type, size and geometry of the roughness. The results of the study revealed that rough microchannels can be used to improve heat transfer performance. Comprehensive studies are required to better understand the effect of surface roughness.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    933990

    Havacılıkta kullanılan termoplastik matrisli kompozitlerin işlenmesi için kesici takım tasarımı, üretimi ve performansının değerlendirilmesi

    Cutting tool design, manufacturing and performance evalution for processing composites with thermoplastic matrix used in aeronautical

    ALİ COŞKUN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Makine MühendisliğiMarmara Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA AY

    DOÇ. DR. AYHAN ETYEMEZ

  2. Tez No

    629365

    Honlama prosesinde yüzey kalitesini etkileyen parametrelerin cevap yüzey metodu ile optimizasyonu

    Honing process with answer surface method in the optimization of the parameters that affect the quality of the surface

    DİLAN DOĞAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Makine MühendisliğiSelçuk Üniversitesi

    Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SÜLEYMAN NEŞELİ

  3. Tez No

    720102

    Modeling of power consumption, cutting force, sound, current, and surface roughness during turning of AISI 4340 steel with different hardness

    Farklı sertlikteki AISI 4340 çelik malzemelerin tornalanması esnasında güç tüketimi, kesme kuvveti, ses, akım ve yüzey pürüzlülüğünün modellenmesi

    OĞUR İYNEN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Mühendislik BilimleriÇukurova Üniversitesi

    Konstrüksiyon ve İmalat Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ABDUL KADİR EKŞİ

  4. Tez No

    131582

    Normal portland çimentolu betonların don direncinin Taguchi Yöntemi ile optimizasyonu ve hasar analizi

    Optimization of frost resistance of normal portland cement concrete by Taguchi Method and damage analysis

    REMZİ ŞAHİN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2003

    İnşaat MühendisliğiAtatürk Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. RÜSTEM GÜL

    PROF. DR. M. ALİ TAŞDEMİR

  5. Tez No

    329356

    Yüzeyi sertleştirilmiş soğuk iş kalıp çeliklerinin tornalanması işlemlerinde takım ömrü-kesme parametreleri ilişkisinin incelenmesi

    Investigating the relationship between tool life-cutting parameters in turning case hardened cold work mold steel

    DOĞAN ŞENKAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Makine MühendisliğiUludağ Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. M. CEMAL ÇAKIR

Geri Dön