Havuz kaynamasında bir mikro oyuktaki kabarcıklanmanın incelenmesi

Abstract

Dünyadaki enerji kaynaklarının azalması, mevcut kaynakların daha verimli kullanılması üzerine yapılan çalışmaların önemini artırmaktadır. Isı geçiş miktarının iyileştirilmesi üzerine yürütülen çalışmalar da bu kapsamda yer almaktadır. Yüzeyden ısı çekilmesi/soğutulması için en etkin ısı geçiş yöntemlerinden biri olan kaynama olayı, güç üretim sistemlerinden günlük yaşama kadar geniş bir uygulama alanına sahiptir. Bu sebeple, bu alanda yapılacak herhangi bir iyileşme, enerjinin verimli kullanımı ve ekonomi açısından olumlu etkilerde bulunacaktır. Kaynama ısı geçiş iyileştirme yöntemleri aktif ve pasif yöntemler olmak üzere iki bölümde incelenmektedir. Aktif yöntemlerde genellikle yüzeye ve akışkana dışarıdan müdahale edilirken, pasif yöntemlerde yüzey yapıları üzerinde çalışılmaktadır. Bununla birlikte kabarcıkların rastgele hareketleri ve birbirleri ile olan etkileşimleri ısı geçiş performansını etkilemektedir. Kabarcıklanma olayının gerçekleştiği oyukların kaynama olayındaki ısı geçişine etkisinin anlaşılabilmesi, kaynama yüzeyi ve sistem ölçeğinde doğru çözüme ulaşılması açısından önemli bir adımı oluşturmaktadır. Bu çalışmada öncelikle gerçek yüzey yapısının etkilerinin en aza indirilerek kaynama olayına etki eden bilinmeyen parametrelerin sadeleştirilmesi amacıyla düz bakır yüzey üzerinde deneyler yapılmış ve yüzeyin havuz kaynama eğrisi elde edilmiştir. Daha sonra oyukların ısı geçişine etkisini araştırmak amacıyla üzerinde tek bir oyuğun bulunduğu ve 0.5 mm ve 2 mm aralıklarla yerleştirilmiş yapay oyukların bulunduğu üç ayrı yüzey daha oluşturulmuştur. Deneyler, yeni yüzeyler için aynı ısı akısı aralığında tekrarlanarak yapay oyukların ısı geçişine etkisi incelenmiştir. Kurulan deney tesisatında, aynı zamanda kabarcıklanma çevrimi ve kabarcık davranışları gözlemlenmiş, kabarcığın yüzeyden ayrılma çapı ve frekansı ölçülmüştür. Havuz kaynamasında gerçekleşen ısı miktarının belirlenmesi amacıyla yarı-ampirik bir matematik model geliştirilerek, sonuçlar deney verileri ile karşılaştırılmıştır. Isı geçiş mekanizmaları, etkin oldukları alanlar ile birlikte değerlendirilip modele dahil edilirken, ısı geçiş yüzeyi özellikleri deney verilerinden alınmıştır. Sayısal çalışma kapsamında, düz yüzeyde ve konik biçimli bir kaynama odağında gerçekleşen kabarcıklanma olayı iki boyutlu modellenmiştir. Yapılan analizler sonucunda elde edilen kabarcık büyüme eğrisi, çapı ve şekli deneysel veriler ile ilişkilendirilerek sayısal modelin geçerliliği değerlendirilmiştir.