T. C. GÜMÜŞHANE ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK VE DOĞA BİLİMLERİ FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ DENEYLER 2

Transkript

1 T. C. GÜMÜŞHANE ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK VE DOĞA BİLİMLERİ FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ DENEYLER 2 DOĞAL VE ZORLANMIŞ TAŞINIMLA ISI TRANSFERİ DENEYİ ÖĞRENCİ NO: ADI SOYADI: DENEY SORUMLUSU: YRD. DOÇ. DR. KEMAL KUVVET ARŞ. GÖR. BUĞRA SARPER GÜMÜŞHANE-2018

2 DOĞAL VE ZORLANMIŞ TAŞINIMLA ISI TRANSFERİ DENEYİ 1. GENEL BİLGİLER Isı geçişi, sıcaklık farkından dolayı iki sistem arasında enerji aktarımıdır. Isı değiştiricileri, kazanlar, güneş kolektörleri, PV paneller, ısıtıcılar, ocaklar, iklimlendirme ve soğutma uygulamaları gibi birçok uygulamada ısı transferi önemli yer tutmaktadır. Bununla birlikte binaların ısıtma ve soğutma yüklerinin hesaplanmasında, yalıtım uygulamalarında, elektronik devre ve cihazların tasarımı ve güvenilir şekilde çalışması için sistemden ya da sisteme olan ısı transferinin doğru bir şekilde belirlenmesi gerekir. Isı transferi mekanizmaları üçe ayrılabilir: İletimle ısı transferi Taşınımla ısı transferi Işınımla ısı transferi 1.1. İletimle Isı Transferi Şekil 1. Isı transfer mekanizmaları Bir katı ya da durgun bir akışkan içerisinde sıcaklık farkı olması durumunda, ortam içerisinde gerçekleşen ısı transferi iletimle ısı transferi olarak adlandırılır. Isı iletimi için uygun an denklemi Fourier ısı iletim denklemi olup; bir ortamdan birim zamanda geçen ısı miktarını verir. Şekil 2 de görülen bir boyutlu düzlem içerisinde birim zamanda iletimle ısı transferi için Fourier ısı iletim denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir: (1)

3 1.2. Taşınımla Isı Transferi Şekil 2. İletimle bir boyutlu ısı transferi Bir yüzey ile hareketli bir akışan arasında sıcaklık farkı olması durumunda gerçekleşen ısı transferi taşınımla ısı transferi olarak adlandırılır. Taşınımla ısı transferi, sınır tabaka içerisinde akışkanın hem rastgele moleküler hareketi (yayılım), hem de akışkanın kitle hareketi ile belirlenir. Akışkan hızının düşük olduğu yüzeye yakın bölgelerde yayılım etkindir. Bununla birlikte, akışkan-cidar ara yüzeyinde ise akışkan hızı sıfırdır ve akışkanın durgun olduğu bu bölümde ısı geçişi yalnızca yayılım ile olur. Akışkanın hızı ne kadar fazla ise taşınımla ısı transferi o kadar yüksek olur. Şekil 3 te sıcak bir yüzeyin üzerinden soğuk havanın akışında hız ve ısıl sınır tabaka oluşumu görülmektedir. Hız sınır tabaka yapısından görüldüğü gibi, havanın hızı hava-cidar ara yüzeyinde sıfırdır ve ısı sıcak yüzeyden havaya ilk olarak iletimle aktarılır. Sonrasında ise yüzeyden havaya taşınımla ısı transferi meydana gelir. Şekil 3. Zorlanmış taşınımla ısı transferinde sınır tabaka gelişimi Birim zamanda taşınımla ısı transferini hesaplamak için Newton un soğuma kanunu kullanılır: Burada (W/m 2 ) taşınımla ısı akısını, yüzey ve akışkan arasındaki sıcaklık farkını temsil etmekte olup; taşınımla ısı akısı yüzey ve akışkan arasındaki sıcaklık farkı ile doğru orantılıdır. Son olarak, (W/m 2 K) ısı taşınım katsayısı olarak adlandırılmaktadır. Isı taşınım (2)

4 katsayısı akışkan hızına, yüzey geometrisine ve akışkanın termofiziksel özelliklerine bağlıdır. (3) Bu denklemde sıcaklık gradyanını temsil etmektedir. Boyutsuz ısı taşınım katsayısını temsil eden Nusselt sayısı ise: (4) olarak tanımlanır. Taşınımla ısı transfer mekanizmaları zorlanmış taşınım, doğal taşınım, kaynama ve yoğuşma olmak üzere dört ana başlık altında incelenebilir. Bu deney föyünde ise yürütülen deneyler kapsamında zorlanmış ve doğal taşınım üzerinde durulacaktır Zorlanmış Taşınım Zorlanmış akışta akışkan bir kanal, boru ya da cidar üzerinden pompa veya fan gibi bir ekipman yardımıyla akmaya zorlanır. Zorlanmış taşınımda laminerden türbülansa geçiş yüzey geometrisi, yüzey pürüzlülüğü, serbest akım hızı, yüzey sıcaklığı ve akışkan tipine bağlıdır. Akış rejiminin akıştaki atalet kuvvetlerinin viskoz kuvvetlere oranına bağlı olduğu Osborne Reynolds tarafından ortaya konmuş olup; bu oran Reynolds sayısı olarak tanımlanmıştır. Dış akış için Reynolds sayısı, (4) şeklinde ifade edilir. sınır tabaka dışındaki serbest akım hızını, geometrinin karakteristik uzunluğunu ve ise akışkanın kinematik viskozitesini temsil etmektedir. Ayrıca bir levha üzerinden akışta, akışın laminerden türbülansa geçişi için kritik Reynolds sayısı =5x10 5 tir. Şekil 4 te yatay bir levha üzerinden zorlanmış taşınımla ısı transferinde hız ve ısıl sınır tabaka yapısı görülmektedir. Şekil 4. Zorlanmış taşınımla ısı transferinde hız ve ısıl sınır tabaka yapıları

5 Doğal Taşınım Doğal taşınımda akışkan hareketi akışkan içerisindeki sıcaklık değişiminden dolayı ortaya çıkan yoğunluk farkından kaynaklanan kaldırma kuvveti etkisinde oluşur. Bir yüzey ile akışkan arasındaki doğal taşınımla ısı transferinin büyüklüğü, doğrudan akışkanın hızı ile ilgilidir. Akış hızı ne kadar fazla ise ısı transferi de o kadar fazladır. Doğal taşınımda fan kullanılmadığı ve akışın sıcaklık değişiminden kaynaklanan yoğunluk değişimine bağlı olmasından dolayı akış hızı dışarıdan kontrol edilemez. Bu durumda akış hızı kaldırma kuvvetleri ve sürtünmenin dinamik dengesiyle belirlenir. Bu denge ise Grashof sayısı ile ifade edilir. (5) Burada (m/s 2 ) yer çekimi ivmesini, (1/K) akışkanın hacimsel genleşme katsayısını, yüzey ile akışkan arasındaki sıcaklık farkını, (m) ise yüzeyin uzunluğunu temsil etmektedir. Zorlanmış taşınımda Reynolds sayısının oynadığı rolü, doğal taşınımda Grashof sayısı üstlenmektedir. Grashof sayısı doğal taşınımda akışın laminer ya da türbülanslı oluşunu belirleyen asıl ölçüttür. Örnek olarak düşey konumlandırılmış düzlem levha üzerinden akışta laminerden türbülansa geçiş için kritik Grashof sayısı değeri yaklaşık olarak dur. Şekil 5. Doğal taşınımla ısı transferinde hız ve ısıl sınır tabaka yapıları

6 Şekil 6. Taşınımla ısı transfer mekanizmaları: (a) Zorlanmış taşınım, (b) Doğal taşınım, (c) Kaynama, (d) Yoğuşma 1.3. Işınımla Isı Geçişi Bir diğer ısı transfer mekanizması ise, ışınımdır. Sonlu sıcaklığa sahip tüm yüzeyler elektromanyetik dalgalar halinde enerji yayarlar. Dolayısıyla, farklı sıcaklıklardaki iki yüzey arasında, yüzeyler birbirlerini görebiliyorsa, ışınımla ısı geçişi gerçekleşir. sıcaklığındaki bir cisim ile sıcaklığındaki çevre arasındaki ışınımla ısı transferi denklemi ile hesaplanır. Burada Stefan-Boltzmann sabitini, yüzeyin ışınım yayma katsayısını temsil eder. 2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR 2.1. Deney Düzeneği Taşınımla ısı transferi deney düzeneği Şekil 5 te görüldüğü gibi test bölgesi, kontrol ünitesi, veri kayıt kartı, bilgisayar ara yüzü ve bilgisayardan oluşmaktadır. Test bölgesinin girişinde hava hızı sensörü ile havanın hızı ölçülmekte, ısıtılan levha ve farklı konumlardaki hava sıcaklığı sekiz termoeleman çifti yardımıyla ölçülmektedir. Kanal çıkışında bulunan ve emiş modunda çalıştırılan fan yardımıyla kanal içerisinde havanın hareketi sağlanmaktadır (Şekil 7). (6)

7 Şekil 7. Doğal ve zorlanmış taşınım deney düzeneğinin şematik gösterimi (a) (b) Şekil 8. Doğal ve zorlanmış taşınım deney düzeneğinde kullanılan test bölgesi 2.2. Düşey Levha Üzerinden Doğal Taşınımla Isı Geçişi Bu deneysel çalışmanın amacı sabit sıcaklıktaki düşey levha üzerinden doğal taşınımla ısı transferinde ısıtıcı veriminin hesaplanmasıdır. Bu doğrultuda, kanal cidarına yerleştirilen sabit sıcaklıktaki düşey bir levha üzerinden doğal taşınımla ısı transferinde levhanın yüzey sıcaklığı ve hava sıcaklığı deneysel olarak ölçülecektir. Sıcak yüzey üzerinde ortalama Nusselt sayısı ve ısı taşınım katsayısı değerleri hesaplanacaktır. Sıcak yüzeyden havaya taşınımla ısı transferi belirlenecek ve ısıtıcı verimi hesaplanacaktır. Doğal taşınımda boyutsuz bir parametre olarak tanımlanan Rayleigh sayısı

8 (7) şeklinde hesaplanmaktadır. Sıcaklığı sabit tutulan düşey bir levha üzerinden doğal taşınımla ısı geçişinde Nusselt sayısının hesaplanması için aşağıdaki eşitlik önerilmektedir <Ra<10 12 ve 0<Pr< (8) 8 numaralı denklem kullanılarak yüzeyin ısı taşınım katsayısı belirlenebilir. (9) Burada, levhanın karakteristik uzunluğunu temsil etmekte olup; m dir. Yüzeyde ısı taşınım katsayısı belirlendikten sonra ise, Newton un soğuma kanunu yardımıyla sıcak levhadan havaya olan taşınımla ısı transferi belirlenebilir. Burada sıcak levhanın yüzey sıcaklığını belirtmekte olup; ST-8 numaralı termoeleman kullanılarak ölçülmektedir. ise akışkan sıcaklığını temsil etmekte olup formülü ile üç noktadan alınan sıcaklık ölçümlerinin ortalama değeri hesaplanarak bulunmaktadır. Sıcak levhanın yüzey alanı ise m 2 olarak belirlenmektedir. Sistemin soğutma performansı (10) (11) denklemi ile hesaplanır.

9 A-Ölçüm Tablosu Isıtıcı Kapasitesi Kullanma Oranı AR-1(%) 10 % Isıtıcı Tarafından Birim Zamanda Tüketilen Enerji, AR-1=q g,e (W) Plaka Yüzey Sıcaklığı T s =T 8 (C) T 1 (C) T 4 (C) T 7 (C) B-Hesap Tablosu Isıtıcı Kapasitesi Kullanma Oranı AR-1(%) 10 % Isıtıcı Tarafından Birim Zamanda Tüketilen Enerji, AR- 1=q g,e (W) Nu h (W/m 2 K) q (W) eff C-Raporda İstenenler Yapılan sıcaklık ölçümlerine bağlı olarak havanın termofiziksel özellikleri belirlenerek, Rayleigh sayısı hesaplanacaktır. Rayleigh sayısı Nusselt sayısı ifadesinde yerine konarak sıcak yüzey için ortalama Nusselt sayısı hesaplanacaktır. Yüzeyin ısı taşınım katsayısı belirlenerek, sıcak yüzeyden havaya taşınımla ısı transfer miktarı hesaplanacaktır. Son olarak ısıtıcının verimi belirlenecektir. 2.3.Düşey Levha Üzerinden Zorlanmış Taşınımla Isı Geçişi Bu deneysel çalışmanın amacı düşey levha üzerinden doğal taşınımla ısı transferinde teorik ve deneysel olarak belirlenen ısı taşınım katsayısının (h) karşılaştırılmasıdır. Laminer akış rejiminde Nusselt sayısı Reynolds sayısı ve Prandtl sayısına bağlı olarak aşağıdaki formülle hesaplanabilir. (12) (13)

10 Türbülanslı akış koşullarında (14) (15) Sabit sıcaklıktaki levhadan havaya olan taşınımla ısı transferi aşağıdaki denklem yardımıyla hesaplanır: Birim zamanda gerçekleşen ısı transferi ise (16) (17) denklemiyle hesaplanır. Burada, = yoğunluk*hacim/zaman=yoğunluk*sc1 Q/t= havaya transfer edilen ısı c p = havanın özgül ısısı ΔT=T son -T ilk =ST7-ST1 Isı taşınım katsayısı Newton un soğuma yasası kullanılarak hesaplanır. (18) A= m 2 t s =ST8 A-Ölçüm Tablosu Hava Debisi (m 3 /h) Isıtıcı Kapasitesi Kullanma Oranı AR-1(%) Isıtıcı Tarafından Birim Zamanda Tüketilen Enerji, AR-1=q g,e (W) Plaka Yüzey Sıcaklığı T s =T 8 (C) T 1 (C) T 4 (C) T 7 (C)

11 B-Hesap Tablosu Hava Debisi (m 3 /h) Isıtıcı Kapasitesi Kullanma Oranı AR-1(%) Isıtıcı Tarafından Birim Zamanda Tüketilen Enerji, AR-1=q g,e (W) Nu h (W/m 2 K) q (W) eff C-Raporda İstenenler Yapılan sıcaklık ölçümlerine bağlı olarak havanın termofiziksel özellikleri belirlenerek, Reynolds sayısı hesaplanacaktır. Reynolds sayısına bağlı olarak akışın laminer ya da türbülanslı olduğuna karar verilerek, ilgili Nusselt sayısı ifadesinde Reynolds sayısı yerine konarak sıcak yüzey için ortalama Nusselt sayısı hesaplanacaktır. Yüzeyin ısı taşınım katsayısı belirlenerek, sıcak yüzeyden havaya taşınımla ısı transfer miktarı hesaplanacaktır. Son olarak ısıtıcının verimi belirlenecektir. Tablo 1. Havanın atmosfer basıncındaki fiziksel özelliklerinin sıcaklığa göre değişimi Sıcaklık T, (C) Kinematik Vizkozitesi,m 2 /s x10-5 Isı İletim Katsayısı k,w/m.k Yoğunluk Özgül Isı, kg/m 3 C p, J/kg.K Prandtl Sayısı Pr