Theoretical and experimental analysis of the double walled concentric heat pipe

Abstract

ÖZET KONSANTRİK ISI BORUSUNUN TEORİK VE DENEYSEL ANALİZİ 20. yüzyılın sonlarına doğru herşeyin başı olan enerji problemi ni çözmek için çalışmaların yoğunlaştığı gözlenmektedir. Enerjinin bir yerden bir yere taşınmasında ayrıca önemli bir problemdir. Enerji konusunda geliştirilmiş çok basit bir yöntem bile çok önem kazanmaktadır. Bundan dolayı işlevi açısından bakarsak ısı borusununda değer verilmesi gereken bir yöntem olarak düşünüle bilir. Ayrıca uzay çağının başlaması ve elektronik sanayinin gelişmesi bir ısı transferi cihazı olan ısı borusunun önemini artırmıştır. Öyleki, Groover ve arkadaşlarının 1964 'teki `çok yüksek ısıl iletkenli bir yapı` adlı makalesinden sonra 2000'den fazla çalışma yapılmış ve 5 kadar kitap yayınlanmıştır bu konuda. Isı borusunun beş esas işlevi vardır. Bunlar (1) çok yüksek ısıl iletkenliği, (2) Evaporator ve kondenser alanlarının orantısını değiştirerek ısı akısı dönüştürücüsü olarak çalışabilmesi, (3) sabit sıcaklıkta çalışması, (4) değişken iletkenlikte bir cihaz haline getirilebilmesi, (5) tek yönlü çalıştığından ısıl diod veya anahtarı olarak kullanılabilmesidir. Bunlardan tabiki en önemlisi ısıl iletkenliğin çok yüksek olmasıdır. Öyleki 150°C'de suyla çalışan bir ısı borusunun ısıl iletkenliği çok iyi bir iletken malzeme olan bakırın iletkenliğinin yüzlerce hatta binlerce katı olabilmektedir. Bir ısı borusu, esas itibariyle bir akışkanın faz dönüşümü esnasında en yüksek enerji taşıma prensibinden yararlanır. İçinde belirli bir miktarda çalışma sıvısı bulunduran kapalı bir yapıdır. Akışkan, yapının bir tarafından ısıyı alır, buharlaşır ve hız kazanarak bir başka tarafına gider. Isıyı burada bırakır ve yoğunlaşır. Bu yoğuşmuş akışkanı tekrar eski yerine getirmek için çeşitli yöntemler mevcuttur. Örneğin, çok eskiden beri bilinen termosifonda (bir ısı borusu çeşididir) yoğuşan akışkan yerçekimi kuvvetiyle eski yerine gelir. Diğer yöntemler; kılcal, merkezkaç, ozmotik, manyetik, vs. kuvvetleriyle yapılan yöntemler dir. En çok kullanılan yöntem kılcal kuvvetlerden yararlanmadır. Bu kılcallığı veren pek çok gözenekli malzeme mevcut olmasına rağmen, endüstriyel mühendisliğin en çok kullandığı ince gözenekli elek telleridir. Çünkü bunlar çok geniş sıcaklık aralıklarında çalışabilmektedir. vııBir ısı borusunun çalışabilmesi, yanı akışkanın sürekli faz dönüşümü yaparak çevrim yapabilmesi için belirli şartlar yerine gelmelidir. Bunlar, ısı borusu çalışma limitleri olarak adlandırılır. Bu limitler, şekil 3.1.1'de gösterilmiştir. Bunlardan en önemlisi, kılcal kuvvetlerin, bir ısı borusunda meydana gelebile cek basınç kayıplarını karşılayacak kadar büyük olması gerektiğidir. Yani, (APC>max * AP1 + APv + APg olmalıdır. Isı borusunun kapasitesini artırmak için, eşitsizliğin sol tarafını büyültmek yada, sağ tarafını küçültmek gerekir. Kılcallığı artırmak için, daha ince kılcallığı gözenekli fitilden kullanmak gerekir. Ancak, bu seferde fitil içindeki sıvıda basınç kayıpları artacaktır. Böyle durumda optimize yapılması gerekir. Teorik çalışmalarda, fitil içindeki gözenekli bir malzeme içindeki, sıvıdaki basınç kaybının hesabında, Darcy denklemi kullanılmaktadır. Bu denklem, Fanning denkleminin aksine hız dağılımını lineer kabul eder. Bu varsayım, deneylerlede doğrulanmış tır. Brinkman, Ergun bu denklemi dahada genişletmişlerdir. Ancak, bu denklemler fitilin homojen gözeneklere sahip olduğunu varsayar. Dolayısıyla, buradaki olayı tanımlamada daha çok ampirik ifadeler kullanılmaktadır. Buhar için yapılan hesaplarda, bilinen Fanning denklemi, yahut ta en genel olarak, Navier-Stokes denklemleri kullanılabilir. Teorik çalışmalar, daha çok buhar üzerinde yapılmıştırlar. Bunun çeşitli sebepleri vardır. En önemlisi; termosifonun normal bir ısı borusundan daha çok ısı taşıması ve termosifonda en büyük basınç kaybının buhar fazında meydana gelmesindendir. Isı borusu teorik hesaplarında diğer bir üzerinde durulması gereken husus sıvı buhar arayüzeyindeki olayların tanımlanmasıdır. Değişik fitil yapıları ve geometrileri için, değişik sınır şartları kullanılır. Isı borusu çok çeşit geometrilerde (üçgen, dikdörtgen, halka, elips, vs.) olmasına rağmen en çok kullanılan şekil silindi riktir. Bundan dolayı silindirik olmayanlarda ısı borusu olarak adlandırılmaktadır. vıııIsı transferi kaynaktan kuyuya kadar altı çeşit prosesden etkilenir. (1) ısı borusu duvarı boyunca ve fi til -sıvı -buhar arayüzeyi boyunca olan ısı tranferi; (2) buharl aştır ıcıdaki, sıvı-buhar arayüzeyindeki sıvının buharlaşması; (3) buharın, buharlaştırıcadan yoğuşturucuya borunun orta kısmından gitmesi; (4) yoğuşturucuda, buharın sıvı-buhar arayüzeyinde yoğuşması; (5) sıvı-buhar ara yüzeyinden, fitil ve borudan geçerek radyal yönde ısı transferi; (6) kılcallıkla sıvının yoğuşturucudan buharl aştırıcıya dönmesi. Isı borusu dizaynında ilk yapılacak iş, çalışma sıcaklığına uygun olarak akışkanı seçmektir. Sonra, uygun boru ve yardımcı elemanlar seçilir. Dizayn ve imalat esnasında dikkat edilecek hususlar; çalışma sıcaklığında uygun akışkan seçilmesi, akışkanın boru malzemesi ve fitil ile uyuşabilir olması, basınç kayıplarını yenecek kapasitesi olan fitilin seçilmesi, içinde yalnızca çalışma akışkanı kalacak şekilde doldurulması ve sızdırmazlığın sağlanmış olması istenir. Ayrıca, imalatının kolay ve ucuz olması istenir. Daha öncede belirttiğimiz gibi, ısı borusunun en büyük özelliği, ısı akısının çok büyük olmasıdır. Yani, çok küçük alanlardan çok büyük miktarlardaki ısıyı alıp, yine çok küçük alanlardan transfer edebilmesidir. Sanayide, bir cihazın kaplayaca ğı yer önem kazandığında, cihazı büyütmeden kapasitesinin arttırıl ması gerekebilir. Bunu yaparken, ucuza ve daha kolay gerçekleşti rilmeye çalışılır. Konsantrik ısı borusuda, böyle bir amaçla A. Faghri [, 1 j tarafından 1988 yılında önerilmiştir. Diğer ısı borularından farkı, yalnızca geometrik gözükmekle birlikte aslında esas farkı; bir tane değil iki tane ısı borusunun yan yana getirilmiş olmasıdır. Akışkan, iki boru arasında bulunmaktadır. Yazar, 1989 yılında, konsantrik termosifon üzerinde deneysel gözlemler yapmıştır. Burada yapılan ısı borusunun farkı ise, dıştaki borunun iç ve içteki borunun dış kısmına fitil ilave edilmesindedir. Deneysel çalışmada, ikiside 46 cm uzunluğunda ve biri 5 cm iç çapında, diğeri 2.3 cm iç çapında iki adet bakır boru seçilmiştir. Kalın borunun içine ve ince borunun dışına, 400 mesh lik paslanmaz (316 tip) çelik elek sarılmıştır. Paslanmaz çeliğin bu tipi, suyla, 150 °C den sonra uyuşmamaktadır. Ancak, burada sıcaklık 100 °C yi dahi geçmediğinden uyuştuğu kabul edilebilir. Daha sonra, iç kısımlarına diş açılmış, pirinç bir kapakla kapatılmışlardır. Bir doldurma tesisatında standartlara yaklaşık uygun bir şekilde doldurulmuş ve 0.5 cm çapındaki doldurma borusu, bir mengene aracılığıyla, hava girmeyecek şekilde, ezilmiş- ıxtir. Borunun yoğuşturucu kısımlarına ceket sistemleri yapılmış, buharlaştırıcı kısmına ise, elektrikli rezistanslar monte edilmiş tir. İçteki borunun yoğuşturucusu ile buharlaştırıcısını ayırmak için adyabatik kısmına cam yünü sıkıştırdıktan sonra, lastik tapalarla kapatılmış ve bunların etrafı, silikon içerikli bir malzemeyle sızdırmazlığı sağlanmıştır. Daha sonra, ısı borusu hazırlanmış bir test düzenine taşınmıştır. Burada; dıştaki ve içteki ısıtıcılara giren enerjiyi kontrol etmek amacıyla, her biri için birer adet ampermetre, voltmetre ve varyak (ayarlı transformatör) kullanılmıştır. Yoğuşturucu kısmında ise; sabit seviye tankı, debiyi ölçmek amacıyla kalibre edilmiş bir tank, geniş hacimli bir boşaltma tankı ve sabit seviye tankını beslemek amacıyla, küçük bir pompa kullanılmıştır. Sıcaklık dağılımını ölçmek amacıyla Kromel-Alumel termoeleman çiftleri kullanılmıştır. Boru üzerine açılan küçük yuvalara sokulan uçların borudan ayrılma sını önlemek amacıyla yapıştırılmışdır. Sıcaklık okumaları, multimetre aracılığıyle yapılmıştır. İki ayrı deney yapılmıştır. Birincisinde, her iki ısıtıcıya elektrik verilmiş ve soğutma her iki borudan yapılmıştır. Bu işlemde, 5' er dakika aralıklarla toplam 30 dakika sıcaklık değişimi gözlenmiştir. İkincisinde ise, standart ısı borusuna benzetmek amacıyla, sadece dış borudan ısı verilip alınmış ve yine 5' er dakika aralarla toplam 30 dakika içindeki sıcaklık değişimi gözlenmiştir. Elde edilen değerlerden her iki deneydede sıcaklık profilinin yaklaşık aynı eğimde olduğu gözlenmiştir. Oysa ki; ikinci deneyde verilen ısı miktarı daha az olduğundan sıcaklık profilinin daha yatay olması beklenir. Buradan çıkarılan sonuç, önerilen ısı borusunun daha kapasiteli çalıştığı olup, teoriyede uymaktadır. Ayrıca, konsantrik ısı borusunun verimi, yani çekilen ısının verilen ısıya oranı, standart ısı borusu olarak kabul ettiğimizden daha büyük çıkmaktadır. Bu da, konsantrik ısı borusun daha yüksek kapasiteye sahip olduğunun belki bir ölçüde göstergesidir. Tam bir gösterge olarak kabul edilmemesinin sebebi, standart ısı borusunun tek borulu olmasıdır. Gerçekte, tam bir kıyas yapabilmek için, içteki borunun çıkarılıp test edilmesi gerekir. Sonuç olarak, konsantrik ısı borusu, dar alanlarda ısı borusunu büyütmeden kapasite artırılması gereken yerlerde verimli olarak kullanılabilir. İmalatı zor değildir. Ayrıca, pek fazla bir ek masraf da gerektirmez. Bu tezde; birinci bölümde, genel olarak ısı borusunun vetez konusunun bir tanıtımı yapıldıktan sonra, ikinci bölümde ısı boruları ile ilgili gelişmelerden bahsedilmiştir. Isı borusu teorisi, üçüncü bölümün kapsamındadır. Dördüncü bölümde ise, dizayn edilirken dikkat edilmesi gereken hususlar anlatılmıştır. Beşinci bölümde, önerilmiş olan konsantrik ısı borusu ayrıntılı bir şekilde tanıtıldıktan sonra hazırlanan bir deney tesisatından ve yapılan işlemlerden bahsedilmiştir. Son bölüm ise, sonuç bölümüdür. xı

SUMMARY In this thesis, it has been studied about a heat pipe with a new configuration, namely `double-walled concentric heat pipe`. The double-walled concentric heat pipe consists of two concentric pipes of unequal diameter attached by means of end caps creating an annular vapor space. It transfer more heat due to increasing in area and increasing in wicking area although its outer sizes are constant. So, it may be used in anywhere, especially for the cases where space is at a premium. A double-walled concentric heat pipe with 400 mesh SST wick was manufactured and experienced in the laboratory. The results showed that the concentric heat pipe may have better performance than the standart type which was accepted so by applying no heat transfer in or out of the inner pipe of the constructed double-walled concentric heat pipe. This thesis also includes the theory, design and manufacture of the heat pipes generally. VI