Mikro pim tipi kanatçıklı ve mikro oyuklu ısı alıcıda doymuş kaynamalı akışın deneysel incelenmesi

Abstract

Mikrokanallarda kaynamalı akış, hava araçlarındaki yüksek kapasiteli elektronik sistemler, bilgisayar işlemcileri ve elektrikli araç bataryaları gibi yüksek yoğunluklu atık ısının açığa çıktığı sistemlerde, sürdürülebilirlik ve güvenli çalışma koşulları için gerekli olan soğutma çözümlerini sunma potansiyeline sahip popüler bir ısıl kontrol tekniğidir. Bu makalede, farklı kütle (136 ve 250 kg m-2 s -1 ) ve ısı akısı (132 – 272 kW m-2 ) değerlerinde deiyonize suyun kademeli olarak genişleyen akış kesitine ve yapay kabarcıklaşma oyuklarına sahip mikro pim tipi kanatçıklı ısı alıcıda (modifiye edilmiş ısı alıcı, MIA) doymuş kaynamalı akışı deneysel olarak incelenmiştir. Sonuçlar düz duvarlı paralel mikro kanallı ısı alıcı (konvansiyonel ısı alıcı, KIA) üzerinden karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. İş akışkanının giriş sıcaklığı yaklaşık 75 °C’da sabit tutulmuştur. Yüksek hızlı kamera ile akış görüntüleri alınmış (1000 fps) ve fiziksel mekanizma görüntülerle desteklenerek irdelenmiştir. MIA’da, KIA’ya kıyasla, iki fazlı ısı transfer katsayısında %827.2’ye kadar artış sağlanmış ve kaynama kararsızlıkları etkin bir şekilde bastırılabilmiştir. Isı transferindeki iyileşmeye karşı, basınç düşümünde %50.5’e kadar artış olmuştur. Genel karakter olarak, her iki ısı alıcısında da kütle akısının basınç düşümü üzerindeki etkisi görece ihmal edilebilir düzeyde olup, artan kütle akısı ile ısı transfer katsayıları azalmaktadır. MIA’ya ait sonuçlar, KIA’ya kıyasla, kütle akısındaki değişimden görece daha çok etkilenmektedir.

Flow boiling in microchannels is a popular thermal management technique with the potential to provide cooling solutions required for sustainability and safe operating conditions in systems where high-density waste heat is released, such as high-capacity electronic systems in aircrafts, processors of computers, and batteries of electric vehicles. In the present paper, saturated flow boiling of deionized water in a heat sink having gradually expanding flow passage and artificial nucleation sites (modified heat sink, MIA) was experimentally investigated at different mass (136 and 250 kg m-2 s -1 ) and heat flux (132 – 272 kW m-2 ) values. Results were comparatively presented via plain wall parallel microchannel heat sink (conventional heat sink, KIA). Inlet temperature of working fluid is kept constant at nearly 75 °C. Flow images were taken via high-speed camera (1000 fps), and the physical mechanism was scrutinized by supporting with the images. Compared to KIA, in the MIA, an improvement in two-phase heat transfer coefficient up to 827.2% is obtained, and flow boiling instabilities could be successfully suppressed. Contrary to enhancement in heat transfer, an increase up to 50.5% occurred for pressure drop. As general character, for both the heat sinks, effect of mass flux on pressure drop is relatively negligible, and heat transfer coefficients decrease with increasing mass flux. Compared to KIA, results of MIA are relatively more influenced from variation in mass flux.