Optimizing heat exchanger parameters of a Joule-Thomson cryogenic cooler to improve the cooling performance
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2018
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: MURAT BAKİ
Asıl Danışman (Eş Danışmanlı Tezler İçin): Hanife Tuba Okutucu Özyurt
Eş Danışman: Cüneyt Sert
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Kriyo-soğutucular soğutmalı kızılötesi (IR) görüntüleme sistemlerinin en önemli bileşenlerindendir. Foton detektörlerinde algılayıcı sıcaklığı kriyojenik sıcaklıklara düşürülmediği sürece görüntü oluşturulamaz. Düşük ilk soğuma süresi, küçük boyutlar ve ağırlığın önemli olduğu dedektör soğutma uygulamalarında çoğunlukla Joule-Thomson (JT) soğutucular kullanılır. Bu çalışmanın hedefi argon gazı ile çalışan bir JT soğutucunun ısı değiştiricisini sayısal yollarla incelemek ve en uygun tasarım boyutlarını belirlemektir. Bu amaçla, Navier-Stokes ve enerji denklemlerini çözmek üzere sayısal bir model oluşturulmuştur. Sayısal model kullanılarak stokastik yöntemle eniyileme çalışması gerçekleştirilmiştir. Eniyileme çalışmasının hedefleri sistemin birim kütlede soğutma gücü en yüksek ve kabuk tarafından akan akışın basınç düşüşü en düşük olacak şekilde en uygun tasarım boyutlarının belirlenmesidir. Eniyileme çalışmasında incelenen olası tasarım boyutları toplam uzunluk, kılcal boru çapı, kılcal boru et kalınlığı, kanat sıklığı, kanat uzunluğu ve kanat kalınlığıdır. Bu boyutlardan hedeflere etkisi düşük olanların eniyileme çalışmasında incelenmemesi için öncelikle bir hassasiyet analizi yapılmıştır. Seçilen tasarım boyutları belli aralıklarda incelenmiştir. Tüm boyut kombinasyonlarının değerlendirileceği şekilde bir sonuç bulutu oluşturulmuştur. Birbiriyle çelişen iki hedefin bir arada incelenebilmesi için ağırlıklı ortalamalarının toplanması yoluyla bir eniyileme fonksiyonu oluşturulmuştur. En iyi boyutlar, oluşturulan sonuç bulutunda eniyileme fonksiyonunun en yüksek değerinin tespit edilmesi ile belirlenmiştir. Son olarak tespit edilen en iyi boyutlar ikinci bir eniyileme hesaplamasının başlangıç boyutları olarak kullanılmıştır. Bu sayede en iyi boyutlar tespit edilmiştir. Önerilen yeni boyutlar ile çalışma debisi %46 oranında azaltılabilmiştir. Bu sayede soğutucunun çalışma süresi uzayacaktır. Ayrıca kabuk akışı basınç düşüşü %90 oranında azaltılmıştır. Bu sayede soğutulmak istenen hedefin çalışma sıcaklığının düşürülmesi sağlanmıştır.