Kritik Soğutma Uygulamalarında Kullanılabilecek Özgün ve Yüksek Isıl Performansa Sahip Buharlaştırıcı, Yoğuşturucu ve Soğutma Sistemleri Geliştirilmesi

Abstract

Havacılık ve uzay endüstrisinde kullanılan yaygın iki fazlı soğutma teknolojileri olan; ısı boruları, çevrim ısı boruları, cebri kılcal boru çevrimleri temel olarak kılcal etki ile çalışan pasif sistemler olup, güvenilirlerdir. Fakat bu pasif cihazlar kılcal etki ile çalışmalarından kaynaklanan limitlerden (ısı akısı, aktarım uzaklığı, farklı soğutma taleplerinin karşılanamaması) dolayı geleceğin yüksek soğutma taleplerini karşılayamayacaktır. Buna karşın, alternatif olarak kullanılan geleneksel milimetre ve mikrometre boyutlarındaki kaynamalı/yoguşmalı akışlarda, yüzey kayma kuvvetlerinin baskın olmasından dolayı bazı işlevsellik problemleri görülmektedir. Bu yüzden, kritik uygulamalarda, dar alanlardan (örneğin, elektronik soğutma) yüksek miktarda etkin soğutma yapılabilmesi için faz değişim ısı transferi esaslı, geleneksel soğutma sistemlerinde görülen problemlerin çözüldüğü, özgün, milimetre boyutlarında buharlaştırıcı/yoğuşturucu ve soğutma sistemi geliştirilmiştir. Geliştirilen yeni tip buharlaştırıcı/yoğusturucuların var olanlardan temel farkı; kaynamalı ve yoğuşmalı akışta buharlaştırıcıya ve yoğuşturucuya gönderilen sıvının yanında buhar resirküle edilerek, ısı transferinin gerçekleştiği yüzeylerde hidrodinamik olarak verimli sürekli ince film halkasal akış elde edilmesidir. Proje kapsamında, buharlaştırıcı-yoğuşturucuların, tek boyutlu (Matlab©) ve üç boyutlu (Fluent©) simülasyon çalışmalarıyla, performanslarının incelemesi, farklı uygulama gereksinimlerine göre tasarımları ve çalışma şartlarının optimizasyonu faaliyetleri yürütülmüştür. Temel parametreler olan; ortalama ısı akısı (qw=50 W/cm2-500 W/cm2), giriş basıncı (pin) ve toplam giriş kütlesel akı (G=150 kg/m2s-500 kg/m2s) aralıkları tanımlanmıştır. Analizler sonucunda ise; ısı transfer yüzeyi boyunca ince film sürekli halkasal akış şartlarının sağlandığı optimum ısı değiştirici boyları ve sabit boyutlar için ideal çalışma aralıkları hesaplanmıştır. Toplamda; farklı ısı akısı değeri, farklı basınç ve kütlesel akı değerlerine göre önerilen yöntemin uygulanabileceği tasarım veri tabanı (500 farklı sınır şartı) oluşturulmuştur. Soğutucu akışkan olarak FC-72 ve su kullanılmıştır. Sonrasında, geliştirilen buharlaştırıcı, yoğuşturucuların entegre olduğu soğutma sistemi ve sistem alt ekipmanlarının seçimi/tasarımı faaliyetleri yürütülmüştür. Farklı uygulama alanları için alt tasarımlarla beraber 12 farklı soğutma sistemi tasarlanmıştır. Projenin son iş adımında, proje kapsamında geliştirilecek yeni yöntemin ve yeni ürünlerin deneysel çalışmalarla da doğrulanabilmesi için yeni bir deney sistemi tasarımı yapılmıştır.

The two-phase cooling technologies used for aerospace and aviation applications include heat pipes, loop heat pipes and capillary pumped loops which are all passive thus very reliable devices. However, the passive devices could not meet future challenging cooling demand because of the inherent limitation of the capillary pumping in terms of heat flux, transport distance and multiple heat source capabilities. In spite of that, functionality problems with boiling and condensing flows arise because, at the millimeter and micrometer scale hydraulic diameter and other operating conditions of interest, shear/pressure forces dominate over gravitational forces and give rise to some functional problems. New millimeter-scale flow boilers/condensers and cooling systems, for removing large amounts of heat from small spaces (electronic cooling) and resolving the issues, were developed. A key innovation of the developed innovative systems is the operations can successfully use re-circulating vapor flows to ensure that thermally and hydrodynamically efficient annular flows were realized over the heat-transfer surfaces for the boiling/condensing flows. In the project, for the design of millimeter scale boiler and condenser, 1D Matlab© simulation code was developed. This simulation code allowed us to design boilers and condensers for different areas of usage and optimizing their operational conditions. After then, 3D simulations (Fluent©) were conducted. The main parameters: pressure inlet (pin), the heat flux (qw=50 W/cm2-500 W/cm2), total mass flux at the inlet (G=150 kg/m2s-500 kg/m2s) were defined. In order to realize thin film annular flow over the boiler surface, optimum heat-exchanger dimensions and for the constant dimensions, optimum operating conditions were evaluated (500 different design points and boundary conditions). Thereafter, in total 12 different cooling systems – including main and sub-designs – were developed for different applications. Lastly, for the next project, a unique and proper experimental set-up was designed for the experimental investigations of the theoretical and numerical studies.