İç İçe Borulu Isı Değiştiricisine Yerleştirilen Helisel Yayların Isı Transferi ve Basınç Düşümü Üzerindeki Etkisinin Deneysel Olarak İncelenmesi

Transkript

1 Fırat Üniv. Fen ve Müh. Bil. Dergisi Science and Eng. J of Fırat Univ. 18 (4), , (4), , 2006 İç İçe Borulu Isı Değiştiricisine Yerleştirilen Helisel Yayların Isı Transferi ve Basınç Düşümü Üzerindeki Etkisinin Deneysel Olarak İncelenmesi Rasim BEHÇET 1 ve Cumali İLKILIÇ 2 1 Dicle Üniversitesi Batman Teknik Eğitim Fakültesi 2 Fırat Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi rbehcet@dicle.edu.tr (Geliş/Received: ; Kabul/Accepted: ) Özet: Bu çalışmada, helisel yay elemanların paralel akışlı ısı değiştiricilerinin performansını nasıl etkilediklerini deneysel olarak incelemek için bir deney düzeneği kurulmuştur. Bu deney düzeneği; paralel akışlı hava-su ısı değiştiricisi, hava fanı, elektrikli hava ısıtıcısı, varyak, sıcaklık ölçüm cihazı, U manometresi, çeşitli adımlara sahip helisel yay elemanları, su tankı ve diğer yardımcı elemanlar ile ölçüm aygıtlarından meydana gelmiştir. Deneyler, 10 ve 20 mm adımlarındaki helisel yaylar ısı değiştiricisi içerisine yerleştirilerek 3500 ile 8500 arasında değişen Reynolds sayılarında yapılmıştır. Farklı adımlardaki helisel yaylar ile yapılan deneylerde, Reynolds sayısının artmasıyla ısı transferinin iyileştiği gözlenmiştir. Bununla beraber, Reynolds sayısının artmasıyla basınç kayıpları da arttığından, kullanılan iyileştirme tekniğinin termodinamik olarak avantajlı olup olmadığını belirlemek için, entropi üretimi hesaplanmıştır. Anahtar Kelimeler: Isı değiştirici, Helisel yaylar, Isı transferi, Basınç düşümü Experimentally Investigation of the Effect of Helical Springs on Heat Transfer and Pressure Drop Placed in Concentric Tube Heat Exchanger Abstract: In this study, to investigate the influence of and helical spring elements on parallel flow heat exchanger performance, an experimental set up was constructed. This experimental system consists of parallel flow air-to-liquid heat exchanger, air fan, electrical air heater, variac, thermometer, U manometer, helical spring elements with various pitch, water reservoir and other apparatus and measurement equipment. Experimental studies have been carried out with helical spring elements which have 10 and 20mm steps placed inside concentric heat exchanger at Reynolds numbers varying between In the experiment performed with various helical springs with various pitch, it was observed that the higher the Reynolds number the better the heat transfer. Because of the increase in pressure drop entropy generation was also estimated to determine so that the tecnique was advantageous or not thermodynamically. Key Words: Heat Exchanger, Helical springs, Heat transfer, Pressure drop 1. Giriş Isı transferini arttırmaya ilgi, özellikle endüstriyel gelişme ile orantılı olarak hızla artmaktadır. Soğutma veya ısıtma ile ilgili olarak belirli büyüklükteki yüzeyden daha çok ısı geçişinin sağlanabilmesi için ; ya yüzey büyüklüğünün sun i olarak arttırılması, ya yüzeydeki ısı taşınım katsayısının yükseltilmesi yada hem yüzey pürüzlülüğünün arttırılması ve hem de yüzeydeki ısı taşınım katsayısının yükseltilmesi olmak üzere başlıca üç yöntemden faydalanılır[1]. Uygulamada boru içerisindeki akışlarda ısı transferinin iyileştirilmesi için yapılan çalışmalar literatürde geniş yer kapsamaktadır. Bu çalışmalarda ısı transfer yüzeyinin arttırılması ve ısı transfer katsayısının büyütülmesi ısı transferinin iyileştirilmesine neden olmaktadır[2]. Son yıllarda her konuda olduğu gibi ısı değiştiricileri konusunda da malzeme ve enerji tasarrufu yapmak amacıyla birçok çalışma yapılmaktadır. Termal sınır tabakanın yenilenmesini sağlayan kısa boyutlu kanatçıkların kullanılması ısı transferini iyileştirmektedir. Bununla beraber yüksek

2 R. Behçet ve C. İlkılıç sürtünme faktöründen dolayı basınç düşümünde de artış meydana gelmektedir[3]. Isı transferinin iyileştirilmesi amacıyla ısı transferi katsayısının iyileştirilmesi yöntemi seçilerek iç içe borulu ısı değiştiricilerinin iç borusu içerisine değişik tip ve şekillerde elemanlar yerleştirilerek çalışmalar yapılmıştır. Isı transfer oranını artırmak ve buna karşılık olarak da ısı değiştirici boyutlarını azaltmak amacıyla değişik tel çapı ve farklı helis adımlarında helisel yaylar ısı değiştiricisine yerleştirilerek deneysel çalışma gerçekleştirilmiştir. Deney sonuçlarından elde edilen verilere bağlı olarak türbülatörlü boru ile boş boru karşılaştırıldığında ısı transfer katsayısında %350 lik artışa karşılık ısı değiştirici alanında %70-80 lik bir azalma olmuştur[4]. Dönmeli akış oluşturarak ısı transferini artırmak amacıyla helisel olarak bükülmüş farklı üç tip şerit kullanılarak 2300 ile 8800 arasında değişen Reynolds sayılarında yapılan deneysel çalışmada ortalama ısı transferindeki artış %150 civarında gerçekleşirken basınç düşümündeki artış ortalama olarak %55 olmuştur [5]. Helisel olarak bükülmüş farklı iki adımda şerit ısı değiştiricisine yerleştirilerek yapılan başka bir deneysel çalışmada elde edilen sonuçlar bükülmüş şerit içeren borunun boş boruya göre ısı transferini %100 ve basınç düşümünde yaklaşık olarak %130 artırmıştır[6]. Isı transferini araştırmak amacıyla yapılan diğer çalışmalarda[2-8], sıcak akışkan olarak hava ve soğuk akışkan olarak su kullanılıp ısı değiştiricinin iç borusu içerisine farklı helis adımlı ve değişik helis çaplı yay elemanları yerleştirilerek deneyler yapılmıştır. Bu çalışmalarda da ısı transferinde %60 ile %400 ve basınç düşümünde de 2 kat ile 20 kat arasında değişen artışlar gerçekleşmiştir. Isı transferi işlemleri doğal olarak tersinmez(sürekli entropi üreten) ve yararlı enerjiyi yok eden işlemlerdir. Bu nedenle ısı transferi işlemlerinin yararlı enerjiyi nasıl israf ettiğini ve bu israfı en aza indirmek için nelerin yapılması gerektiğinin bilinmesi gerekir[10]. Bu israfı azaltmanın yolu da konveksiyonla ısı transferinde entropi üretimini en aza indirmektir. Reynolds sayısı, eğrilik oranı ve helisel sarım adımı baz alınarak bu parametrelerin entropi üretimi üzerindeki etkileri araştırmak için Ko ve Ting[12] tarafından Reynolds sayısının 100 ile ve diğer parametrelerin de 0,01 ile 0,30 arasında değiştiği bir çalışma yapılmıştır. Çalışmada elde edilen verilerin sonuçlarına göre minimum entropi üretiminin Reynolds sayısının 2271 ile 4277 arasında ve eğrilik oranının 0,17 ile 0,30 arasında değiştiği durumlarda sistemin performansı en uygun değerde olacağı ve tersinmezliğin de minimum seviyede gerçekleşeceği ifade edilmektedir. Bu çalışmada da ısı transferini artırmak amacıyla 3500 ile 8500 arasında değişen Reynolds sayılarında, adımları 10 ve 20mm olan helisel yaylar ısı değiştiricisinin iç borusu içerisine yerleştirilerek yayların ısı transferi üzerindeki etkisi incelenmiştir. Yapılan işlemin termodinamik olarak avantajlı olup olmadığını belirlemek için de entropi üretimi hesaplanmıştır. 2-Deney Düzeneği ve Deneysel Yöntem Şekil 1 de deney düzeneğinin şematik görünümü verilmiştir. Deney düzeneği; hava fanı, elektrikli hava ısıtıcısı, varyak, paralel akışlı aynı yönlü hava-su ısı değiştiricisi, U manometresi, çeşitli adımlara sahip helisel yaylar, su tankı ve diğer yardımcı elemanlar ile ölçüm aygıtlarından meydana gelmiştir. Şekil 1'de görüldüğü gibi paralel akışlı havadan suya ısı transferinin gerçekleştiği ısı değiştiricisi; çapları farklı iç içe girmiş iki boru sisteminden oluşmaktadır. Dış boru 35.4 mm çapında et kalınlığı 3.7 mm ve boyu 1720 mm olan galvanizli çeliktir. İç boru ise 1.15 mm et kalınlığına sahip 25.9 mm çapında ve 1720 mm boyunda olup bakırdan imal edilmiştir. Bakır boru galvanizli dış boru içine titizlikle merkezlenmiştir. Isı değiştirici devresi ısı iletkenliği düşük olan malzemelerle yataklanarak esas akış devresi ile irtibatı sağlanmıştır. Aynı zamanda ısı değiştiricisi normal izole maddesi ile tamamen izole edilmiş olup çevre ile ısı transferi önlenmiştir. İç borudan sıcak hava geçerken iki boru arasında akan suya ısısını vermektedir. İlk önce deney düzeneğinin literatürdeki boş ısı değiştirici sonuçlarını sağlayıp sağlamadığını araştırmak için kalibre deneyleri yapılmıştır. Sonuçların güvenirliliğini sağlamak açısından deney düzeneğinin performansları literatürde verilen bağıntılara uygun sonuçlar elde edildikten sonra deney sonuçlarının alınmasına 560

3 İç İçe Borulu Isı Değiştiricisine Yerleştirilen Helisel Yayların Isı Transferi ve Basınç Düşümü Üzerindeki Etkisi. başlanmıştır. Boş boruda elde edilen sonuçlar ile literatür sonuçları karşılaştırıldığında yaklaşık olarak ± %10 luk bir hata oranının oluğu görülmüştür. Bunun sebebi ise sistemdeki kaçaklar ve ölçüm hatalarından olabileceği tahmin edilmektedir. Deney düzeneğinde ısı transfer edilen akışkan olarak seçilen su, bir dinlenme tankından kendi serbest düşüsü ile alınarak ısı değiştiricisine girmektedir. Ayrıca suyun debisi bir vana yardımıyla ayarlanabilmektedir. Suya ısı aktaran akışkan olarak seçilen hava, hava fanı tarafından ortamdan emilerek hava ısıtıcısına gönderilmektedir. Burada istenen sıcaklığa kadar ısıtma sisteme bağlı varyak yardımıyla yapılmaktadır. Sisteme giren hava miktarı da bir vana yardımıyla ayarlanarak ısıtıcıya gönderilmektedir. Isıtıcıda ısınan hava tekrar ortama verilmektedir. Su ise ısı değiştiricisinin iç borusu ile dış borusu arasındaki kanaldan akarak ısınmaktadır. Isı transferinin iyileştirilmesi amacıyla deney düzeneğinde kullanılan helisel yaylar şekil 2 de genel boyut parametreleri verilmiş olan ve helis adımları; 10 ve 20 mm olmak üzere iki konfigürasyona sahiptir. Bu helisel yaylar 3,5 mm çapında galvanizli orta sertlikte olan telden sarılmıştır. Helisel yaylar ısı değiştiriciye serbestçe geçebilmesi için 1720 mm boyunda ve 23 mm çapında yapılmışlardır.sisteme giren hava miktarı maksimum olması için ısıtıcı ile fan arasındaki vana tamamen açılarak ilk ölçümlere başlanmıştır. Şekil 2. İçerisine helisel yayların yerleştirildiği Isı değiştiricisinin genel boyut parametreleri Ölçümler 20 dakikada bir farklı debiler için alınmıştır. Önce boş boru olmak üzere sırasıyla 10 ve 20mm lik helisel elemanlar ayrı ayrı ısı değiştiricisine yerleştirilerek her bir durum için farklı debilerde deneyler yapılarak ölçümler alınmıştır. Deney elemanına giren-çıkan hava ve suyun sıcaklıkları ile deney elemanlarının giriş ve çıkışında hava tarafındaki cidar sıcaklıkları bakır-konstantan termoeleman çifti kullanılarak bir dijital sıcaklık ölçeri yardımı ile ölçülmüştür. Deney düzeneğine giren su debisi dereceli bir kap ve kronometre ile ölçülmüştür. Ayrıca deney elemanlarının girişçıkışı arasındaki basınç farkı U manometresi yardımıyla ölçülmüştür. 3. Deney Sonuçlarının Hesabı Deney ölçümlerinin hesaplanmasında kullanılan havanın fiziksel özellikleri ısı değiştiricisine giren-çıkan havanın aritmetik ortalama sıcaklıklarına göre alınmıştır. Her bir durum için suyun kütlesel debisi, havanın suya verdiği ısı miktarı, havanın kütlesel debisi, hava hızı, hava için Reynolds sayısı, logaritmik ortalama sıcaklık farkı, havanın ısı taşınım katsayısı, Nusselt sayısı, basınç kayıp katsayısı ve entropi üretimi değerleri için hesaplamalar yapılmıştır. Su debisi ölçekli kapta toplanan su miktarının toplama zamanına bölünmesi ile bulunmuştur. m s =Toplanan su miktarı / Toplanma zamanı (1) Şekil 1. Deney düzeneğinin şematik resmi Termodinamiğin birinci kanununa göre; sıcak akışkanın verdiği ısı soğuk akışkan tarafından transfer edilmektedir. Paralel akışlı ısı değiştiricisi için alınan veya verilen ısı miktarı, Q = m h C ph (T hg T hç ) = m s C ps (T sg T sç ) (2) bağıntısı ile hesaplanabilir. 561

4 R. Behçet ve C. İlkılıç Havanın debisi, (2) eşitliğinde de belirtildiği gibi havanın verdiği ısı su tarafından transfer edildiğine göre; m h = Q / C ph T hg T hç ) (3) eşitliği ile bulunabilir. Hava için Reynolds sayısı borularda eşdeğer hidrolik çapa bağlı olarak akışkanın fiziksel özellikleri ortalama sıcaklığa göre alınıp Re = (U m.d e ) / ν (4) eşitliği ile hesaplanmıştır. Ortalama Isı transferi katsayısı, akışkanlar arasında transfer edilen ısı miktarının akış kesiti ve logaritmik ortalama sıcaklık farkına bölünmesi ile bulunmuştur. h m = Q / A T m (5) Buradaki A, sıcak akışkanın geçtiği kesit alanını ve T m ise hava ile duvar arasındaki logaritmik ortalama sıcaklık farkı olup şu şekilde ifade edilmektedir. T m = [(T w - T hg ) - (T w - T hç )] / ln[(t w - T hg ) /(T w - T hç )] (6) Ortalama Nusselt Sayısı da ince cidar yaklaşımından boru kalınlığının ısıl direnci ihmal edilerek yalnızca akışkan sıcaklığından faydalanılıp hesaplanan ortalama ısı transfer katsayısı kullanılarak Nu = (h m d e / k) (7) eşitliği yardımı ile hesaplanmıştır. Teorik Nusset Sayısı aşağıda verilen Dittus- Boelter eşitliğinden yararlanılarak hesaplanmıştır[9]. Nu T = 0,023 Re 0,8 Pr 1/3 (8) bağıntısı kullanılarak hesaplanmıştır[11]. 4. Sonuçlar ve Değerlendirme Şekil 3 de Nusselt sayısının nominal Reynolds sayısına bağlı değişimi gösterilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi helisel yay adımı azaldıkça ve helis sayısı arttıkça ısı transferi de artmaktadır. Helisel yay elemanlarının kullanılması sonucu ortalama Nusselt sayısında içi boş ısı değiştiricisine göre; %260 artış sağlanmıştır. Düşük Reynolds sayılarında farklı adımlardaki helisel yayların ısı transferi üzerindeki etkisi az olmasına rağmen yüksek Reynolds sayılarında bu etki daha fazla olmuştur. Şekil 4 de ısı değiştiricisi boyunca basınç düşümünün nominal Reynolds sayısının fonksiyonu olarak değişimi çizilmiştir. Helisel yay elemanları yerleştirilmiş olan ısı değiştiricisinin basınç kayıpları, helisel yay içermeyen ısı değiştiricisinin basınç kayıpları ile karşılaştırıldığında aynı Reynolds sayısında ortamla olarak 16 kata varan artışlar olmuştur. Bu basınç kayıpları, helisel yayın boru içerisindeki konumu, adımı ve helis sayısı iyi bir biçimde düzenlenmesi ile azaltılabilir. NUSSELT SAYISI(Nu) Dittus-Boelter Boşboru Helis1(p=10mm) Helis2(p=20mm) REYNOLDS SAYISI(Re) Şekil 3. Nusselt sayısının Reynolds Sayısı ile değişimi Isı değiştirici ile çevre arasında ısı transferi ihmal edilerek sisteme ait entropi üretimi değeri ise Ś = m h C ph ln(t hç /T hg )+ m s C ps ln(t sç /T sg ) - [m h (v/t) h P h + m s (v/t) s P s ] (9) 562

5 İç İçe Borulu Isı Değiştiricisine Yerleştirilen Helisel Yayların Isı Transferi ve Basınç Düşümü Üzerindeki Etkisi. BASINÇ KAYBI(Pa) Boşboru Helis1(p=10mm) Helis2(p=20mm) REYNOLDS SAYISI(Re) Şekil 4. Basınç kaybının Reynolds sayısı ile değişimi Bir ısı değiştiricisi incelenirken Termodinamiğin ikinci kanuna dayanan entropi üretimi birimi ile açıklanması, enerjinin verimli bir şekilde kullanılması açısından faydalı olur. Bu nedenle hem boş boru hem de içerisinde farklı adımlarda helisel yay bulunan boru için entropi üretimi, Reynolds sayısına bağlı olarak hesaplanmış olup şekil 5 de verilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi helisel yayın ısı değiştiricisine yerleştirilmesi ve yay adımının artması ile entropi üretimi azalmaktadır. Bu durum göz önünde bulundurulacak olursa iyileştirme tekniği uygulanmış versiyonların termodinamik olarak avantajlı olduğu söylenebilir. ENTROPİ ÜRETİMİ(S) Boşboru Helis1(p=10mm) Helis2(p=20mm) REYNOLDS SAYISI(Re) Şekil 5. Entropi Üretiminin Reynolds Sayısına bağlı olarak eğişimi 5. Sonuç Isı transferinin arttırılması amacıyla ısı değiştiricisinin iç borusuna helisel yay yerleştirilerek oluşturulan türbülans ile boru cidarına yakın bölgede sınır tabaka kalınlığı parçalanarak ısı transferinde %260 lara varan 563 artış sağlanmıştır. Helisel yayların kullanımı ile daha küçük boyutlu sistemlerin tasarımı sağlanabildiği gibi sistemin veriminin iyileştirilmesi ile birlikte enerji tüketiminin azaltılması mümkün olacaktır. Isı transferi işlemleri sürekli entropi üreten ve yararlı enerjiyi yok eden işlemler olup bu işlemlerde entropi üretiminin artmasının aksine azalması istenir. Entropi üretiminin azalması sistem performansının uygun değerde olmasını sağlar. Bu çalışmanın diğer çalışmalardan[2-7] farkı, çalışmanın termodinamik olarak avantajlı olup olmadığı entropi üretiminin hesaplanması ile belirlenmiştir. Şekillerden de görüleceği gibi(şekil 3,4,5) helis adımının artması ile ısı transferindeki artışa karşılık basınç kaybında artma olmakta fakat entropi üretiminde azalma olduğu için çalışma termodinamik olarak avantajlı olduğu söylenebilir. 6. Semboller C p = Sabit basınçtaki özgül ısı(j/kgk) d = Boru çapı (mm) D do = Dıştaki borunun dış çapı(mm) D di = Dıştaki borunun iç çapı(mm) D o = İçteki borunun dış çapı(mm) D İ =İçteki borunun iç çapı(mm) T M =Logaritmik ortalama sıcaklık farkı ( C) h m =Ortalama ısı transfer katsayısı (W/m 2 K) k = Isı iletim katsayısı (W/m K) L = Isı değiştiricisi boyu(m) m h = Havanın kütlesel debisi (kg/s) m s = Suyun kütlesel debisi (kg/s) Nu = Nusselt number P = Basınç düşümü (mmss) P = Helisel yay adımı (mm) Pr = Prandtl sayısı Q h =Havanın verdiği ısı (W) Q s =Suyun aldığı ısı (W) Re = Reynolds sayısı Ś = Entropi üretimi T hg = Hava giriş sıcaklığı ( C) T hç = Hava çıkış sıcaklığı ( C) T sg = Su giriş sıcaklığı ( C) T sç = Su çıkış sıcaklığı ( C) T w = Boru cidar sıcaklığı ( C) U = Ortalama akışkan hızı(m/s) ν = Kinematik viskozite(m 2 /s) ρ = Özgül kütle(kg/m 3 )

6 R. Behçet ve C. İlkılıç 7. Kaynaklar 1 Dağsöz, A.K., (1990). Isı Geçişi Transferi, İstanbul Teknik Üniversitesi Makine Fakültesi, İstanbul. 2 Ayhan T. ve Arıcı M.E., (1986). Isı Eşanjörlerinde Boru içerisine yerleştirilen Yapay Helisel Yay Elemanlarının Isı Eşanjörleri Performanslarına Etkisi, Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 9(2), Tanyıldızı V., Ayhan T. ve Karabay H., (1990). Silindirik boru içerisine yerleştirilen rendemsi türbülatörlerin ısı transferine etkisi, Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, sayı 4, s 7. 4 Uttarwar S.B. and Rao M.R., (1985). Augmentation of laminar flow heat transfer in tubes by means of wire coil inserts, Journal of Heat Transfer, Vol. 107, Eiamsa-ard S. and Promvonge P., (2005). Enhancement of heat transfer in a tube with regularly-spaced helical tape swirl generators, İnternational Journal of Thermal Sciences, Solar Energy, Vol. 78, Yıldız C., Biçer Y. and Pehlivan D., (1998). Effect of twisted strips on heat transfer and pressure drop in heat exchanger, Energy Conversion and Manegement, Vol. 39, Akpınar E.K., (2004). İç içe borulu ısı değiştirgecine yerleştirilen helisel sarımlı tellerin ısı transferi ve sürtünme katsayısı üzerindeki etkilerinin araştırılması, Termodinamik, Behçet, R., (1993). Isı Eşanjörüne Yerleştirilen Konik-Halka Yüzey Elemanları ve Helisel Yayların Isı Transferine Etkisi, Y. Lisans Tezi, Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 64s. 9 Incropera P.F. and Smith R.C., (1995). Fundementals of Heat and Mass Transfer John Wiley and Sons, New york. 10 H. Yüncü, (1990). Konveksiyonla Isı Geçişinde Entropi üretimi Termodinamiğin İkinci Kanunu Çalışma Toplantısı, Erciyes Üniversitesi. 11 Yıldız C., Ayhan T. ve Ünal A., (1990). Dönel Tip Isı Değiştirgeçlerinde Tersinmezlik, Termodinamiğin İkinci Kanunu Çalışma Toplantısı, Erciyes Üniversitesi. 12 Ko T.H. and Ting K, (2005). Entropy Generation and Thermodynamic Optimization of Fully Developed Laminar Convection in a Helical Coil, İnternational Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 32,