Experimental study on single phase flow and boiling heat transfer in microchannels at high flow rates

Abstract

Mikroişlemcilerin ve mikroçiplerin hızlarıyla beraber boyutları da küçüldükçe onları soğutan ısı alıcıları da mini boyuttan mikro boyuta devamlı olarak küçülmeye başlamıştır. Bu mikro ısı alıcılarının en çok kullanılanı düz mikrokanallardır. Düz mikrokanallar birçok alanda uygulama alanı bulmaktadırlar.Bu çalışma, literatürdeki mikrokanallardaki yüksek akış debilerinde tek-fazlı sıvı akışı ve kaynama ısı transferi alanındaki boşluğu doldurmak için yapılmıştır. Bu tez, iki bölümden oluşmaktadır. Her iki bölümde de, sıvı akışı farklı iç çapı olan mikrokanallarda geniş bir kütle akısı aralığında incelenmiştir. De-ionize su akışkan olarak kullanılmış ve test bölümü elektrikle ısıtılmıştır. Duvar sıcaklıkları ve basınç düşüşleri ölçülerek ısı transferi katsayısını, Nusselt numaralarını ve sürtünme faktörlerini hesaplamak için kullanılmıştır. Makro boyut için önerilen olgunlaşmakta olan akış teorilerinin hem laminer hem de türbülanslı durumlardaki deneysel sonuçları orta seviyede tahmin ettiği görülmüştür.Çalışmanın ikinci kısmında ise, aynı mikrokanallar için kaynama ısı transferi deneyleri yapılmıştır. Isı transferi katsayısı ve kütle kalitesi lokal sıcaklık verilerinden ve deneysel koşullardan elde edilmiştir. Aşırı soğutulmuş kaynama şartlarında yüksek akış debilerinde yüksek soğutmanın elde edilebileceği görülmüştür. Ayrıca, ısı transfer katsayısının kütle akısıyla beraber arttığı, lokal kütle kalitesi ve ısı akısıyla beraber azaldığı gözlemlenmiştir. Bununla birlikte deneysel olarak elde edilen ısı akısı verileri kısmi kaynama ve olgunlaşmış aşırı soğutulmuş kaynama korelasyonları ile karşılaştırılmıştır.

With the increasing speed and decreasing size of microprocessors and microchips the sizes of their heat sinks are continuously shrinking from mini size to micro size. The most practical and extensively used micro heat sinks are plain microchannels. They find application in many areas.The proposed study aims at filling the gap in single-phase fluid flow and boiling heat transfer in microchannels at high mass velocities in the literature. This thesis presents a two-part study. In both part, fluid flow was investigated over a broad range of mass velocity in a microchannel with different inner diameters. De-ionized water was used as working fluid, and the test section was heated by Joule heating. The wall temperatures and pressure drops were measured and processed to obtain heat transfer coefficients, Nusselt numbers, and friction factors as output. It was found that existing theory for developing flow in conventional scale could fairly predict experimental data on developing flows in microscale for both laminar and turbulent conditions.In the second part of the study, boiling heat transfer experiments have been carried out for the same microchannel configurations. Heat transfer coefficients and qualities were deduced from local temperature measurements. It was found that high heat removal rates can be achieved at high flow rates under subcooled boiling conditions. It was observed that heat transfer coefficients increase with mass velocity, whereas they decrease with local quality and heat flux. Moreover, experimental heat flux data were compared with partial boiling correlations and fully developed correlations.