Numerical Investigation of the Effects of Channel Geometry on Heat Transfer in a Mini Channel with Narrowing and Expanding Geometry

Year 2023, Volume: 15 Issue: 3, 28 - 41, 31.12.2023

Bahadır Gemicioğlu , Tayyip Demirbaş , Tolga Demircan

https://doi.org/10.29137/umagd.1309466

Abstract

In this study, the cooling performance of a mini-channel heat sink used for cooling surfaces reaching high temperatures is investigated. For this mini-channel, three main channel geometries, namely straight channel, narrowing-expanding channel and expanding-narrowing channel, were determined by varying the cross-sectional area along the channel length. In addition, sub-models with different number of baffles were created by changing the expansion and contraction angles in these main model geometries. Analyses were performed by changing the Reynolds number in the range of 500-2000 and the number of baffles in the range of 3-12. As a result of the analyses, it was observed that heat transfer increased with increasing Reynolds number of the flow in all model geometries. With the increase in the number of baffles, the Nusselt number increased in both narrowing-expanding and expanding-narrowing channel types. Therefore, it is observed that the heat transfer is positively affected by increasing the number of baffles in the channel. Higher Nusselt numbers were obtained in the channel type with narrowing-expanding cross-section compared to other channel types. When the results of the model with narrowing-expanding cross-section are compared with the straight channel type, the Nusselt number and thermal performance factor have increased by approximately 50% and 100%, respectively. Therefore, it can be said that the cooling performance of the mini channel geometry with narrowing-expanding cross-section is higher than the other channel geometries examined in the examined parameter range.

Keywords

Heat transfer, mini channel, heat sink, cross-sectional narrowing, cross-sectional expansion

Daralan ve Genişleyen Geometriye Sahip Bir Mini Kanalda Kanal Geometrisinin Isı Transferine Olan Etkilerinin Sayısal Olarak İncelenmesi

Abstract

Bu çalışmada yüksek sıcaklıklara ulaşan yüzeylerin soğutulması için kullanılan mini kanallı bir ısı alıcısının soğutma performansı incelenmiştir. Bu mini kanalın kanal uzunluğu boyunca kesit alanı değiştirilerek, düz kanal, daralan-genişleyen kanal ve genişleyen-daralan kanal olmak üzere üç ana kanal geometrisi belirlenmiştir. Ayrıca bu ana model geometrilerinde genişleme ve daralma açıları değiştirilerek farklı bölme sayısına sahip alt geometrik modeller oluşturulmuştur. Reynolds sayısı 500-2000 aralığında, bölme adeti de 3-12 aralığında değiştirilerek analizler yapılmıştır. Yapılan analizler sonucunda, tüm model geometrilerinde akışın Reynolds sayısının artması ile ısı transferinin arttığı gözlemlenmiştir. Bölme sayısının artışı ile hem daralan-genişleyen hem de genişleyen-daralan kanal tiplerinde Nusselt sayısının artış gösterdiği, dolayısıyla kanalın sahip olduğu bölme sayısının artırılması ısı transferini olumlu yönde etkilediği gözlemlenmiştir. Daralan-genişleyen kesite sahip kanal tipinde diğer kanal tiplerine oranla daha yüksek Nusselt sayıları elde edilmiştir. Daralan-genişleyen kesite sahip modelin sonuçları düz kanal tipi ile kıyaslandığında, Nusselt sayısının ve termal performans faktörünün sırasıyla yaklaşık %50 ve %100 kadar artış gösterdiği görülmüştür. Dolayısıyla incelenen parametre aralığında daralan-genişleyen kesite sahip mini kanal geometrisinin soğutma performansının incelenen diğer kanal geometrilere oranla daha yüksek olduğu söylenebilir.

Keywords

Isı transferi, mini kanal, ısı alıcısı, kesit daralması, kesit genişlemesi

References

• Altay, R. (2020). Fluid mixing efficiency enhancement in microchannels having spiral elliptic and curved structures with various baffle geometries, Master Thesis, Sabancı University, İstanbul, Turkey.
• Al-Hasani, H. M., & Freegah, B. (2022). Influence of secondary flow angle and pin fin on hydro-thermal evaluation of double outlet serpentine mini-channel heat sink. Results in Engineering, 16, 100670. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2022.100670
• Baş, A. (2021). Al2O3 – Saf Su ve Zno – Saf Su Nanoakışkanlarının Farklı Çaplardaki Mini Kanallarda Akışının Deneysel Olarak İncelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Bülent Ecevit Üniversitesi, Zonguldak.
• Chen, Y., Chen, K., Dong, Y., & Wu, X. (2022). Bidirectional symmetrical parallel mini-channel cold plate for energy efficient cooling of large battery packs. Energy, 242, 122553. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.122553
• Çengel, Y. A., & Cimbala J. M. (2006). Fluid mechanics fundamentals and applications (1st ed.). New York, NY: McGraw-Hill.
• Foong A. J. L., Ramesh N., & Chandratilleke T. T. (2009). Laminar convective heat transfer in a microchannel with internal longitudinal fins. International Journal of Thermal Sciences, 48(10), 1908–1913. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2009.02.015
• Gao, Y., Wang, C., Wu, D., Dai, Z., Chen, Bo, & Zhang X. (2022). A numerical evaluation of the bifacial concentrated pv-steg system cooled by mini-channel heat sink. Renewable Energy, 192, 716-730. https://doi.org/10.1016/j.renene.2022.04.153
• Incropera, P.F., Dewitt, P. D., Bergman, L. T., & Lavine, S. A. (2007). Fundementals of heat and mass transfer (6th ed.) Hoboken, NJ: John Wiley & Sons.
• Jha, B. K., & Malgwi P. B. (2021). Interplay of conducting and non-conducting walls on hydromagnetic natural convection flow in a vertical micro-channel with Hall current. Propulsion and Power Research, 10 (2), 155-168. https://doi.org/10.1016/j.jppr.2021.04.001
• Kılıç, M., & Şentürk, S. (2019). Gelişmekte olan laminer akışta mini kanallı soğutucu bloğun çok yanıtlı Taguchı yöntemi kullanılarak optimizasyonu. Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, 24(3), 433-450. https://doi.org/10.17482/uumfd.632964
• Nemati, H., Moghimi, M., A., & Meyer, J.P. (2021) Shape optimisation of wavy mini-channel heat sink. International Communications in Heat and Mass Transfer, 122, 105172. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2021.105172
• Panchal, S., Khasow, R., Dincer, I., Agelin-Chaab, M., Fraser, R., & Fowler, M. (2017). Thermal design and simulation of mini-channel cold plate for water cooled large sized prismatic lithium-ion battery. Applied Thermal Engineering, 122, 80-90. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.05.010
• Qi, Z., Chen, J., & Radermacher, R. (2009). Investigating performance of new mini-channel evaporators. Applied Thermal Engineering, 29(17-18), 3561-3567. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2009.06.011
• Rao, Z., Wang, Q., & Huang C. (2016). Investigation of the thermal performance of phase change material/mini-channel coupled battery thermal management system, Applied Energy, 164, 659-669. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.12.021
• Saadoon, Z. H., Ali, F. H., & Sheikholeslam, M. (2023). Numerical investigation of heat transfer enhancement using (Fe3O4 and Ag-H2O) nanofluids in (converge-diverge) mini-channel heat sinks. Materials Today: Proceedings, 80, 2983–2996. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.07.091
• Saeed, M., & Kim, M.-H. (2018). Heat transfer enhancement using nanofluids (Al2O3-H2O) in mini-channel heatsinks. International Journal of Heat and Mass Transfer, 120, 671-682. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.12.075
• Sarıca, O., Dinçer K., Önal G., & Ata, S. (2017). The experimental determination of l/d ratio using water in mini channels to analysis of fluid temperature performance with nano particulates. Machines. Technologies. Materials., 11 (7), 353-355.
• Şipal, H. (2021). Hfe 7000 Soğutucu Akışkanın Mini Kanallardaki Yoğuşma Özelliklerinin Deneysel Analizi. Yüksek Lisans Tezi. Karabük Üniversitesi, Karabük.
• Ünverdi, M., Küçük, H., & Yılmaz, M. S. (2020). Mini-kanallı gövde borulu ısı değiştirici tasarımı ve ısınan-soğuyan gövde tarafı deneysel performanslarının karşılaştırılması, Tesisat Mühendisliği Dergisi, 180, 7-29.
• Wu H., Wu X., Feng L., & Youshanlouei M. M. (2022). Cooling a central processing unit by installing a mini channel and flowing nanofluid, and investigating economic efficiency. Case Studies in Thermal Engineering, 30, 101719. https://doi.org/10.1016/j.csite.2021.101719
• Yıldırım O. (2018). Mini Kanallarda Isı Transferinin Deneysel ve Sayısal Olarak İncelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Atatürk Üniversitesi, Erzurum.
• Zhou, J., Cao, X., Zhang, N., Yuan, Y., Zhao, X., & Hardy, D. (2020). Micro-channel heat sink: A review. Journal of Thermal Science, 29, 1431–1462. https://doi.org/10.1007/s11630-020-1334-y