Mikro Kanallarda Basınç Düşüşü ve Isı/Kütle Aktarımı:

More documents

Recommendations

Info

$326\360renci, Tekniker \326ZGE\307M\335\336LER\335.xls$

makale Yüzey Pürüzlülüğü Yüzey pürüzlülüğü kanallarda basınç düşüşünü etkileyen önemli parametrelerdendir. Yayımlanmış çalışmalarda verilen sonuçlar arasındaki farklılıklarının sebeplerinin başında, yüzey pürüzlülüğü yazarlar tarafından özellikle vurgulanmıştır. Makro kanallar için sürtünme faktörünü kolayca hesaplama yöntemlerinden biri Moody diyagramıdır. Bu diyagram, göreceli pürüzlülüğün, � / D, 0-0.05 aralığı için hazırlanmıştır. Laminer sürtünme faktörü, � / D � 0.05 değerleri için göreceli pürüzlülükten bağımsızdır. Türbülanslı akış için sürtünme faktörü Reynolds sayısının artması ile azalmakta ve � / D=0.05 için yaklaşık yatay bir hal almaktadır [13]. Pfund vd. [3] tarafından yapılan, dikdörtgen kanalda ve akışkanın su olduğu deneysel çalışmada farklı kanal derinlikleri için Eş.(3) deki C sabitinin değerleri; 521 �m için 96.8�1.3 (89.6), 263 �miçin 104.4�2.3 (92.8), 257 �m pürüzlü kanal için 116�2.3 (92.8), ve 128 �miçin 104�2.8 (94.4) şeklinde elde edilmiştir. Burada parantez içerisindeki değerler, aynı kanal yükseklik/genişlik oranı için teorik değerlerdir. Görüldüğü gibi deneysel olarak elde edilen değerler teorik değerlerden büyüktür. Kanal derinliğinin azalması ile deneysel ve teorik değerlerin oranının 1.08-1.25 aralığında azaldığı görülmektedir. Ayrıca yüzey pürüzlülüğü de teoriden sapmayı önemli ölçüde artırmıştır. Ancak mevcut deneysel koşullarda ve ölçümlerdeki belirsizlikler aralığında, geometrinin mi yoksa pürüzlülüğün mü daha önemli olduğunun belirtilemeyeceği yazarlar tarafından ifade edilmiştir. Çalışmada laminer akıştan türbülanslı akışa geçiş kritik Reynolds sayıları ise 521 �miçin 2200, 263 �miçin 1700, 257 �m için 1700 şeklinde verilmiştir. Bu değerler geleneksel kanallar için kabul edilen 2300 değerinden küçüktür. Celata vd. [41], çapı 130 �m kapiler boruda R114 akışı için ısı ve sürtünme karakteristiklerini incelemişlerdir. Pürüzlülüğü � / D = 0.0265 olan boruda laminerdentürbülanslı akışa geçiş Reynolds sayısı için 1880-2480 değerleri verilmektedir. Yazarlar tarafından bu değerlerin, � / D >0.007 olan makro borular için yayımlanmış çalışmalarda verilen aşağıdaki eşitlikler ile % 6.5-8.7 oranında uyuştuğu belirtilmektedir. Re Re min max (20) (21) Ancak mikro kanallar için, kanal boyutunun küçük olmasından dolayı, � /Ddeğeri 0.05 den büyük olabilir. Kandikar vd.[48] hidrolik çapı 325-1819 �m aralığında hava akışı için 200-7200 Reynolds sayısı, su için 200-5700 Reynolds sayısı aralığında pürüzlü mikro kanallarda sürtünme faktörü karakteristiklerini vermişlerdir. Çalışmada 30 1. 160 1/( 2. 090 1/( / D) / D) 0. 11 0. 0635 Mühendis ve Makina Cilt : 48 Sayı: 570 göreceli pürüzlülük 0.01-0.14 aralığında seçilmiştir. Sonuçlar laminer akış için Poiseuille sayısı ile, türbülanslı akış için ise aşağıda verilen Miller eşitliği ile karşılaştırılmıştır. (22) Pürüzsüz yüzey için hem hava hem de su akışı için laminer ve türbülanslı akışta sonuçların teorik değerler ile iyi uyuştuğu, kritik Reynolds sayısının ise 1950 civarında olduğu, fakat pürüzlü yüzeyler için sürtünme faktörü değerlerinin teoriden sapma gösterdiği ve yüksek çıktığı belirtilmektedir.Yazarlar, sürtünme faktörü ve Reynolds sayısını hesaplamada kullanılan kanal hidrolik çapının(D H) hesaplanmasında, kanal yüksekliği yerine pürüzlülükten dolayı meydana gelen daralmayı da dikkate alarak, b cf =b-2� şeklinde modifiye edilen bir kanal yüksekliği kullanılarak yeni tanımlanan modifiye hidrolik çap ( DH,cf) kullanıldığında, laminer akışta meydana gelen sapmanın %5 oranında azaldığı belirtilmektedir. Burada b kanal yüksekliğini göstermektedir. Bu yeni tanımlamaya göre pürüzlü yüzeyler için laminerden türbülanslı akışa geçiş Reynolds sayısı, � / D h,cf = 0.06 için Re cf = 800 ve � / D h,cf = 0.14 için Re cf = 300 olarak verilmektedir. Yine Hao vd. [18] tarafından yapılan diğer bir çalışmada, pürüzlü ve düz, hidrolik çapı 153-191 �m aralığında değişen kanalda basınç düşüşü incelenmiştir. Pürüzsüz kanal için elde edilen sürtünme katsayılarının teori ile uyuştuğu, türbülansa geçişin Re=2100 de olduğu belirtilmektedir. Pürüzlü kanal için ise sürtünme faktörünün Re900 değerleri için ise teorik değerlerden büyük olduğu belirtilmiştir. Türbülanslı akışın ise 900-1100 Reynolds sayıları aralığında meydana geldiği belirtilmektedir. Yüzey-Akışkan Etkileşimi Makro kanallar ile karşılaştırıldığında, mikro kanallarda yüzey ile akışkan etkileşiminde, hidrofilik veya hidrofobik özellik daha önemli olmaktadır. Ren vd. [22] elektro kinetik etkinin (elektro-viskoz etki), sürtünme katsayısı üzerine etkisini incelemişlerdir. Akışkan olarak iyon giderilmiş su ve farklı derişimlerde KCl çözeltisi kullanılmıştır. İyon giderilmiş su ve düşük derişimlerde KCl çözeltisi, yüksek derişimli KCl çözeltisine göre %20 daha yüksek sürtünme katsayısı vermiştir. Bunun sebebi olarak ise yüksek derişimli çözelti için EDL (electric double layer) tabaka kalınlığının küçük olduğu, su ve düşük derişimli çözelti için artan EDL kalınlığından dolayı ilave direncin varlığı gösterilmektedir. Wu ve Cheng [53] yüzey ve akışkan etkileşiminin sürtünme faktörü üzerine etkisini, Si ve SiO2 ten oluşan iki farklı yüzey kullanarak deneysel olarak incelemişlerdir. Hidrofilik özelliği
yüksek olan SiO2 kaplanmış kanal için daha yüksek sürtünme katsayısı elde edildiği belirtilmiştir. Brutin ve Tadrist [33], çapları 50-530 �m arasında değişen erimiş silikadan yapılmış mikro borularda iyon giderilmiş su ve normal suyun akışında akışkanın iyon içeriğinin ve yüzey özelliklerinin sürtünme faktörü üzerine etkisini incelemişlerdir. İki farklı yüzey özelliği, erimiş silika ve yüzeyin dimetil ile aktifsizleştirildiği durum denenmiştir. İki farklı boru çapı, 152 ve 262 �m, ve aynı yüzeye sahip borularda su ve iyon giderilmiş suyun kullanıldığı deneylerde, iyon giderilmiş su ile elde edilen Poiseulle sayıları her iki boru çapı için de daha düşük elde edilmiştir. Bunun sebebi olarak akışkanların iyon içeriklerinin farklı oluşu gösterilmektedir. Genel olarak Poiseulle sayısı, küçük çaplar için daha büyük elde edilmiş, 50 �m çapa sahip kanal için teoriden farkın % 27 kadar olduğu belirtilmektedir. Aktifsizleştirilmiş edilmiş yüzey ile normal yüzey karşılaştırıldığında ise, deaktive edilen yüzey için daha düşük Poiseulle sayıları elde edilmiş olup aktifsizleştirilmiş yüzey ve iyon giderilmiş su sonuçları teoriye daha yakındır. Yüzey özelliği ile akışkanların iyon içeriği karşılaştırıldığında ise, iyon içeriğinin daha etkili olduğu belirtilmiştir. Yine Phares ve Smedley [59] elektro kinetik etkinin (EDL) ve yüzey pürüzlülüğünün sürtünme karakteristikleri üzerine etkisini incelemişlerdir. Kullanılan mikro kanalların çapı 120-440 �m aralığında olup paslanmaz çelik ve polimer (polyimide) den yapılmıştır, kullanılan akışkan ise su, iyon giderilmiş su, tuz çözeltisi ve farklı oranlarda gliserin-su karışımıdır. İyon derişiminin, boru yüzeyinin ve akışkan viskozitesinin sürtünme faktörü üzerinde önemli etki göstermediği, ancak yüzey pürüzlülüğünün daha etkili olduğu belirtilmiştir. Bu sonuç Brutin ve Tadrist [33] tarafından verilen sonuç ile çelişmektedir. Son zamanlarda yüzeyin hidrofobik özelliğini artırarak sürtünme faktörünün ve dolayısı ile pompa gücünün azaltılabileceği yaklaşımı vurgulanmaktadır. Bu tür yüzeyler süperhidrofobik yüzey olarak isimlendirilmektedir [60-62]. Ou vd.[60] ve Ou ve Rothstein [61] alt yüzeyine mikro pürüzlülükler oluşturulan süperhidrofobik mikro kanalda laminer akışta basınç düşüşünde meydana gelen azalmayı deneysel ve nümerik olarak incelemişlerdir. Yüzey, silikondan yapılmış olup mikro çıkıntılar organosilane ile hidrofobik yapılmıştır. Kanalın hidrolik çapı 152-508 �m aralığında olup çalışma akışkanı sudur. Sonuçta basınç düşüşünün %40 oranında azaldığı kaydedilmektedir. Yine mikro çıktılar içeren süper hidrofobik paralel-levha mikro kanalda laminer akışta basınç düşüşü Davies vd. [62] tarafından nümerik olarak incelenmiştir. Sonuçta basınç düşüşünde önemli azalmanın elde edilebileceği, meydana gelen azalmanın çıkıntılar arasındaki mesafe oranının artması, hidrolik çapın azalması ile arttığı kaydedilmektedir. SONUÇLAR makale Bu çalışmada, yayımlanmış çalışmalarda mikro kanalda ısı/ kütle aktarımı ve basınç düşüşü çalışmaları sonuçları ve yapılan çalışmalarda takip edilen yaklaşımlarla ilgili derleme verilmiştir. Isı ve kütle aktarımı hakkındaki değerlendirmeler 2. bölümde ele alınacaktır. Basınç düşüşü, sürtünme faktörü bazı hidrodinamik özellikler ile ilgili olarak, mevcut makaleler ışığında aşağıdaki hususlar vurgulanabilir: • Mevcut çalışmalar genel olarak ısı aktarımı ve basınç düşüşü ile ilgilidir. Mikro kanallarda kütle aktarımı ilgili , yazarların bilgisi dahilinde, yayımlanmış çalışmalara rastlanmamıştır. • Genel olarak hem ısı aktarımı hem basınç düşüşü sonuçları, makro kanallarda olduğu gibi boyutsuz gruplar şeklinde ifade edilmekte ve sonuçlar makro kanal sonuçları ile mukayese edilmektedir. • Tam gelişmiş laminer akış ile karşılaştırıldığında, daha küçük sürtünme katsayıları elde edildiği gibi daha büyük sürtünme katsayılarının elde edildiği çalışmalar da bulunmaktadır. Ancak son zamanlarda yapılan çalışmalarda, uygun sınır koşulları ve önemli parametreler dikkate alındığında, sonuçların makro kanal sonuçları ile uyuştuğunu belirten çalışmalar daha fazladır. • Gaz akışlarda sürtünme faktörü, laminer tam gelişmiş akış için Knudsen sayısı ile azalmaktadır. • Sürtünme faktörü, mikro kanalın yapıldığı malzemeye ve yüzey ile akışkan arasındaki etkileşime bağlıdır. Pürüzlülük sürtünme faktörünü etkileyen önemli bir parametredir. • Laminer akıştan türbülanslı akışa geçiş için 200-900 gibi düşük Reynolds sayıları verilmekle birlikte çalışmaların çoğunda, yüzey ve akışkan özelliklerine, kanalın geometrisine bağlı olarak, kritik Reynolds sayısı için makro kanal sonuçları civarında değerler verilmektedir. Dolayısıyla şu anda daha düşük Reynolds sayılarında türbülanslı akışa geçişin mikro kanalların bir karakteristiği olduğunu söylemek zordur. Mühendis ve Makina Cilt : 48 Sayı: 570 31
Page 1 and 2: Mikro Kanallarda Basınç Düşüş
Page 3 and 4: Tablo 1 Devamı. Mikro Kanallarda T
Page 5 and 6: incelendiğinde eşitliklerin birbi
Page 7: Knudsen Sayısının Etkisi Gazlar
Page 11 and 12: 27. Chen Y.T., Kang S.W., Tuh W.C.,

Mikro Kanallarda Basınç Düşüşü ve Isı/Kütle Aktarımı:

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?