VORTEKS TÜPÜNDE AKIŞKAN OLARAK KULLANILAN HAVA İLE OKSİJENİN SOĞUTMA SICAKLIK PERFORMANSLARININ DENEYSEL İNCELENMESİ

Transkript

1 TEKNOLOJİ, Cilt 7, (24), Syı 3, TEKNOLOJİ VORTEKS TÜPÜNDE AKIŞKAN OLARAK KULLANILAN HAVA İLE OKSİJENİN SOĞUTMA SICAKLIK PERFORMANSLARININ DENEYSEL İNCELENMESİ ÖZET Hüseyin USTA* Kevser DİNCER** Volkn KIRMACI* * Gzi Üniversitesi, Teknik Eğiti Fkültesi, 65, Ankr, Türkiye ** Gzi Üniversitesi, Fen Bilileri Enstitüsü, Mkine Müh ABD, Ankr, Türkiye Bu çlışd, hcisel deileri yrlk için ir kontrol vnsı hriç hiçir hreketli prçsı ulunyn vorteks tüpü kullnılıştır Vorteks tüplerden, işteki sınc ğılı olrk iki frklı sıcklıkt kışkn elde edilektedir Deneysel çlışlrd, sıck kışkn çıkış trfındki kontrol vnsı t çık konud ırkılıştır Genellikle vorteks tüpünde sınçlı kışkn olrk hv kullnılktdır Hvd % 789 ornınd Azot, % 295 ornınd d Oksijen (O 2 ) gzı ulunktdır Ypıln deneysel çlışlrd, sınçlı kışkn olrk hv ile hv içinde ulnn O 2 gzı kullnılıştır O 2 gzının kullnılsındki ç, hv içinde ulnn O 2 nin vorteks tüpündeki soğut etkisinin, hvy göre değişiini inceleek oluştur Gösterge sıncı r dn şlyrk 5 r rlıklrl 6 r kdr değişik sınçlrd, O 2 ve Hvy vorteks tüp sistei uygulnıştır Bu çlışd, vorteks tüplerde oluşn enerji yrış olyı iki frklı kışknd deneysel olrk inceleniştir Ypıln deneysel sonuçlr neticesinde, O 2 ve Hvy it grfikler oluşturuluştur Vorteks tüplerde O 2 ve Hvy it soğut sıcklıklrı cinsinden perfornslrı incelenerek yorulnış ve soğut sıcklıklrının düşürülesine yönelik öneriler getiriliştir Anhtr kelieler: Rnque Hilsch vorteks tüp, Enerji yrışıı, Soğut EXPERIMENTAL STUDY OF COOLING-HEAT PERFORMANCE OF AIR AND OXYGEN WHICH ARE USED AS THE FLUID IN THE VORTEX TUBE ABSTRACT In this study, the vortex tue hving no one oving prt, except the control vlve ws used in order to rrnge voluetric flows Fluid in two different het s depending on intke pressure is otined fro vortex tues In the experientl studies, the control vlve on the outlet side of het fluid ws left in full open position Air is usully used s the pressured fluid in the vortex tue 789% of nitrogen nd 295% of oxygen (O 2 ) exist in the ir In the executed experientl studies, ir s pressured fluid nd O 2 in the ir, were used The ojective of using O 2 gs ws to inspect chnge of cooling influence in the vortex tue copred to ir of O 2 in the ir Vortex tue syste ws pplied to the Air nd O 2 s pplying with indictive pressure fro eginning r with 5 periods to 6 rs in the different pressures In this study, energy seprtion cse which occurs in the vortex tues ws inspected experientlly in two different fluids At the end of the experients, the grphics on O 2 nd Air were estlished The perfornces in the cooling hets of O 2 nd Air in the vortex tues were interpreted y inspecting the, nd there were suggestions on reducing the cooling hets Key Words:, Rnque Hilsch vortex tue, Energy seprtion, Cooling 1 GİRİŞ Vorteks tüpü, George Rnque trfındn 1931 yılınd ulunuştur Rudoph Hilsch trfındn geliştiriliştir Vorteks tüpü, hreketli hiç ir prçsı ulunyn sit orudn iret oln sınçlı kışkn kullnılrk

2 416 Vorteks Tüpünde Akışkn Olrk Kullnıln Hv ile Oksijenin Soğut Sıcklık Perfornsı çlışn ir sistedir [1] Vorteks tüplerinde enerji yrışıı olyı gerçekleşektedir Bu oly oldukç kopleks ir ypıdır [2] Vorteks tüpü, gzlrın içindeki nei l işleleri için de kullnılktdır [3] Vorteks tüpüne sınçlı kışkn teğetsel olrk nozullrdn verilir Bsınçlı kışkn tüp içinde çok yüksek hızlrd döner Vorteks tüpün cidrlrındki kışkn sıck kış, tüpün erkezindeki kışkn ise soğuk kıştır Vorteks tüpler değişik özellikleri dikkte lındığınd iki n şlık ltınd gruplndırılırlr Bunlr; kış özellikleri ve dizyn özellikleridir Akış özelliklerine göre; 1 Krşıt kışlı vorteks tüpler, 2 Prlel kışlı vorteks tüpler olk üzere ikiye yrılktdırlr Dizyn özelliklerine göre; 1 Adytik vorteks tüpler, 2 Adytik olyn vorteks tüpler olk üzere sınıflndırılktdırlr [4] Krşıt kışlı ve prlel kışlı vorteks tüpünün çlış prensii şekil 11 ve şekil 12 veriliştir Hv işi Sıck hv çıkış Kontrol vlfi Nozul Soğuk hv çıkışı Hv işi Şekil 11 Krşıt Akışlı Vorteks Tüpünün Ypısı Bsınçlndırılış kışkn işi Sıck kış çıkışı Soğuk kış çıkışı Sıck kış çıkışı Bsınçlndırılış kışkn işi Şekil 12 Prlel Akışlı Vorteks Tüpünün Ypısı [5] 2 VORTEKS TÜPÜNÜN ÇALIŞMA PRENSİBİ VE SOĞUTMA AMACLI UYGULAMA ALANLARI 21 Vorteks Tüpünün Çlış Prensii Vorteks tüp ile frklı sıcklıklrd kışknlr elde edilesinin teel prensii, frklı çısl hızlrd dönen kışlr rsınd gerçekleşen eknik enerji trnsferidir Bsınçlı ir hv tüpe, tüpün iş ğzınd yer ln nozuldn geçerek şekil 21 de gösterildiği gii teğetsel olrk er Tüp işinde nozul kullnılsının seei, sınc düşürülerek hızın rtsını sğlktır Nozul sonrsı hız tüpe uygulnn sınc ğılı olrk tüpün silindirik

3 TEKNOLOJİ, Cilt 7, (24), Syı ypısındn dolyı döneye şlr Çok yüksek çısl hızlrd dönen kış erkezkç kuvvetin etkisi ile tüp cidrın doğru çıly zorlnır Bu etki neticesinde tüp erkezindeki sınç ile tüp cidrı rsıdki sınç rsınd frk oluşur Nozul Bsınçlı kışkn işi Şekil 21 Bsınçlı Akışın Vorteks Tüpe Teğetsel Olrk Giresi Tüp cidrı ile tüp erkezi rsınd oluşn sınç frkı nedeni ile kış rdyl yönde erkeze doğru genişler Merkeze gelen kışın çısl hızı, çısl oentuun korunuu ilkesi gereğince tüp cidrındki kışın çısl hızındn dh yüksek değerlere ulşır Bu seepten dolyı tüp içerisinde iki frklı hızd dönen iki kış oluşur Merkezdeki kış dh yüksek hız ship olduğundn cidrdki kışı ivelendireye çlışır Bu durud erkezdeki kış cidrdki kış eknik enerji trnsferi gerçekleştirir Meknik enerjisinde zl oln erkez kışı soğuk kış, tüp cidrdki sürtüne etkisi ile ve erkezdeki kıştn ldığı eknik enerjiden dolyı tüp cidrındki kış ise sıck kıştır [4] Krşıt kışlı ir vorteks tüp için şekil 11 den de görüldüğü gii, soğuk kış sıck kışın çıktığı uc yerleştiriliş oln vnnın etkisi ile ir durgunluk noktsındn sonr kış geriye doğru yönlenir Bu syede tüpün ir ucundn sıck kış diğer ucundn ise soğuk kış elde edilir [6] 22 Vorteks Tüplerin Soğut Acıyl Kullnı Alnlrı Vorteks tüplerden he sıck he de soğuk kışkn elde edilektedir Vorteks tüplerin soğut cıyl kullnı lnlrı şğıd ddeler hlinde veriliştir 1 Progrlnilir kine elenlrının, ototik htlrın ve rootize uygullrının elektronik ünitelerinin soğutulsı, 2 Kesici tkılrın ve tşl tşlrının soğutulsı, 3 Terl kerlrın erceklerinin soğutulsı, 4 Sürekli kynk ypn ve ısınn punto kynk cihzlrının uçlrının soğutulsı, 5 Bilgisyr ünitelerinin ve CNC cihzlrının devrelerinin soğutulsı, 6 İp üreten cihzlrd sürtüneden ısınn iplerin ve cihz ekipnlrının soğutulsı, 7 Rigo tezghlrınd ul köşelerinin soğutulsınd [4] 3TERMODİNAMİĞİN 1 KANUNUNUN VORTEKS TÜPLERE UYGULANIŞI Bir iş ve ir çıkışlı sürekli kışlı çık sisteler için enerjinin korunuu denklei; Q W Q = ( h + ke + pe) (1) : Biri znd ısı geçişi, (kw) W : Güç, (kw) : Kütlesel dei, (kg/s)

4 418 Vorteks Tüpünde Akışkn Olrk Kullnıln Hv ile Oksijenin Soğut Sıcklık Perfornsı h : Entlpi değişii, (kj/kg) ke : Kinetik enerji değişii, (kj/kg) pe : Potnsiyel enerji değişii, (kj/kg) Deneysel çlışlrıızd kullndığıız vorteks tüp dytiktir Çevresi ile iş ve ısı lış-verişinin oldığı kul edildiğinde 1 no lu denkle yeniden düzenlenirse, (2) nolu denkle elde edilir Q W = ( h + ke + pe) (1) h = ( h h çıı ) (2) Deneysel çlışd kullnıln vorteks tüp 1 işli, soğuk ve sıck olk üzere 2 çıkışlıdır Eşitlik 2, deneysel çlış için düzenlenirse, 3 nolu eşitlik elde edilir h = [ h ( h h )] (3) yukrdki eşitlikteki ; h : Girişteki entlpi h : Sıck çıkıştki entlpi h : Soğuk çıkıştki entlpi dir [7] (1) nolu eşitlik vorteks tüplere uygulnck olurs; h = h + h (4) 4 no lu eşitlikte; h = c p (T T refsıc ) (5) h = c p (T T ) (6) h = c p (T T ) (7) (5) nolu denkle (8) nolu denkle gii yzılır ve T refsıc K dır h = c p T (8) (4) nolu denkledeki h, h, h değerleri (5), (6) ve (7) nolu eşitliklerden fydlnrk yerine yzıldığınd; T : Girişteki kışkn sıcklığı, (K) T : Sıck kışknın sıcklığı, (K) : Soğuk kışknın sıcklığı, (K) T c p Vorteks tüplerinde y c olrk tnılnn eşitlik () nolu denkle ile veriliştir = () y c T = c p ( T T ) + c p ( T T ) (9)

5 TEKNOLOJİ, Cilt 7, (24), Syı () nolu denkledeki; : Girişteki kışknın kütlesel deisi, kg/s : Sıck kışknın kütlesel deisi, kg/s :Soğuk kışknın kütlesel deisidir, kg/s [8] (9) nolu denkledeki eşitliğin her iki trfı T = (T T ) + Denkle 11 de yeniden düzenlendiğinde, 1 cp ile çrpıldığınd (11) nolu eşitlik elde edilir (T T ) (11) T = (1 y c ) (T T ) + y c (T T ) (12) elde edilir 4 DENEYSEL ÇALIŞMA 41 Deneysel Sistein Hzırlnsı Bu çlışd, iç çpı 11 ve uzunluğu 16 oln krşıt kışlı ir vorteks tüpü kullnılıştır Yüksek sınc krşı dynıını rttırk için iç çpı 14 oln çelik ir oru vorteks tüpün üzerine geçiriliştir Vorteks tüpünün sıck kışkn çıkış ucun hcisel deileri yrlk için ir kontrol vlfi ğlnıştır Vorteks tüp, genişliği 5 c, yüksekliği 6 c, et klınlığı 2 oln ir levh üzerine kontrol vlfi şğı trft olck şekilde dik konud şekil 41 deki gii yerleştiriliştir Vorteks tüpünden çıkn soğuk ve sıck kışknın hcisel deilerini ölçek için rotetreler ğlnıştır Vorteks tüpünden çıkn soğuk ve sıck kışknlrın sıcklıklrını ölçek için ±1 o C hsssiyetinde oln dijitl teroetreler kullnılıştır Dijitl teroetrelerin prolrı vorteks tüpünün sıck ve soğuk çıkış trflrındn 1 c ilerisine 1 çpınd deliniş tüpün erkezine gelecek şekilde yerleştiriliş, etrfı silikonl sıvnrk sızdırzlık sğlnış ve siste deneysel çlış için çlışır konu getiriliştir 42 Deneyin Ypılışı Vorteks tüpünün işindeki vn ile hv kopresörü rsın yüksek sınc dynıklı plstik hortu kelepçe yrdııyl ğlnıştır Hv kopresörü çlıştırılış ve vorteks tüpe kışkn işindeki vn yrdııyl deneylerde şlngıç sıncı oln r lık sınç sğlnıştır Ypıln sınç yrlsındn sonr vorteks tüpünün sıck ve soğuk kışkn çıkışın onte edilen dijitl teroetrelerle okunn sıcklık değerleri sit oluncy kdr ynı sınçt hv kopresörden gönderiliştir Okunn sıck ve soğuk kışkn sıcklık değerleri ve hcisel deilerden sonr vorteks tüpüne sınçlı hv sğlyn kopresör durduruluştur Dh sonr 15 r sınç değerinde deneye şldn önce vorteks tüpünün soğuk ve sıck kışkn sıcklığını ölçen dijitl teroetre ile ort sıcklığını ölçen dijitl teroetrelerin eşit sıcklık değerine gelinceye kdr ekleniş ve okunn değerler eşitlendikten sonr 15 r sınç değerindeki deney ypıly şlnıştır 2, 25, 3, 35, 4, 45, 5, 55 ve 6 r sınç değerleri için ypıln deneysel çlışlrd, 1 r d ki ypıln işleler tekrrlnıştır Vorteks tüpünde r ve 6 r rsınd sınçlı hv gönderilerek ypıln deneyler tlndıktn sonr hv kopresörü sisteden çıkrılrk, yerine oksijen tüpü ğlnıştır Vorteks tüpünde kışkn olrk kullnıln O 2 gzı için r ve 6 r sınç değeri rsındki deneylerindeki işleler hv deneylerinde ypıln işlelerin ynısıdır

6 42 Vorteks Tüpünde Akışkn Olrk Kullnıln Hv ile Oksijenin Soğut Sıcklık Perfornsı Dijitl teroetre Dijitl teroetre Şekil 41 Deneysel Siste 5 BULGULAR ve TARTIŞMA Bu çlışd, hiç ir hreketli prçsı ulunyn ve sıck kışkn çıkış trfınd ki vn ile hcisel deileri yrlnn deneysel sisteinde, sıck kışkn çıkış trfındki kontrol vnsı t çık konud ırkılıştır Gösterge sıncı r dn şlyrk 5 r rlıklrl 6 r kdr değişik sınçlrd kışkn olrk hv ve O 2 gzı kullnılrk deneyler ypılış ve grfikler oluşturuluştur Vorteks tüpüne değişik değerlerde sınçlı hv gönderilerek ypıln deneyler sonucund elde edilen sıck kışknın sıcklık değeri, soğuk kışknın sıcklık değeri, sıck ve soğuk kışknın sıcklıklrı rsındki frk, sıck kışın hcisel deisi ve soğuk kışın hcisel deileri çizelge 51 de veriliştir

7 TEKNOLOJİ, Cilt 7, (24), Syı Çizelge 51 Hv İle Ypıln Deneylere Ait Sonuçlr P, r T, o C T, o C (T -T ), o C Q, 3 /h Q, 3 /h ,1 3, ,7 4, ,4 5, ,9 5, ,7 7, ,3 7, ,8 8, ,3 9, ,8 9, ,5, ,1,9 Vorteks tüpüne değişik değerlerde sınçlı Oksijen gzı gönderilerek ypıln deneyler sonucund elde edilen sıck kışknın sıcklık değeri, soğuk kışknın sıcklık değeri, sıck ve soğuk kışknın sıcklıklrı rsındki frk, sıck kışın hcisel deisi ve soğuk kışın hcisel deileri 52 de veriliştir Çizelge 52 Oksijen Gzı İle Ypıln Deneylere Ait Sonuçlr P, r T, o C T, o C (T -T ), o C Q, 3 /h Q, 3 /h ,3 3, ,8 4, ,5 5, ,1 5, ,7 6, ,2 7, ,8 8, ,3 9, ,7 9, ,2, ,6,8 Vorteks tüpe işteki sıncın r dn şlyrk 5 r rlıklrl 6 r kdr rtırıldığınd hv ile oksijenin hcisel deileri kıyslndığınd; soğuk kışknlrın hcisel deilerinde, hvnın dh düzgün ir lineer doğru oyunc rttığı görülürken, Oksijenin lineer doğru çizgisinden zı noktlrd sp olduğu gözleleniştir Şekil 51 de hvy it soğuk ve sıck kışknlrın hcisel deilerinin vorteks tüpüne iş sıncın göre değişi değerleri gösteriliştir

8 422 Vorteks Tüpünde Akışkn Olrk Kullnıln Hv ile Oksijenin Soğut Sıcklık Perfornsı Hcisel dei, 3 /h Sıck kışkn Soğuk kışkn P, r Şekil 51 Soğuk Ve Sıck Akışknlrın Hcisel Deilerinin Vorteks Tüpüne Girişteki Bsınc Göre Değişii (Hv) Şekil 52 de ise oksijen gzın it soğuk ve sıck kışknlrın hcisel deilerinin vorteks tüpüne iş sıncın göre değişi değerlerinin krşılştırılsı veriliştir 12 Hcisel dei, 3 /h Sıck kışkn Soğuk kışkn P, r Şekil 52 Soğuk Ve Sıck Akışknlrın Hcisel Deilerinin Vorteks Tüpüne Girişteki Bsınc Göre Değişii (Oksijen) Vorteks tüpe işteki sıncın r dn şlyrk 5 r rlıklrl 6 r kdr rtırıldığınd hv ile oksijenin soğuk çıkıştki kışknın sıcklıklrı dikkte lınrk ukyese edilirse; Oksijenin hvy göre dh fzl soğuduğu deneysel olrk gözleleniştir Hvnın 6 r gösterge sıncınd 21 o C e kdr soğurken ynı sınçt Oksijen gzının sıcklığı 164 o C y kdr soğuduğu gözleleniştir Şekil 53 de soğuk hv sıcklığının, vorteks tüpüne en çeşitli sınçlrd ki değişii veriliştir

9 TEKNOLOJİ, Cilt 7, (24), Syı T, o C y = Ln(x) R 2 = P, r Şekil 53 Soğuk Akışknın Sıcklığının Girişteki Bsınc Göre Değişii (Hv) Şekil 54 de ise vorteks tüpünden çıkn soğuk kışkn sıcklığının, vorteks tüpüne en çeşitli sınçlrdki değişii veriliştir 15 5 y = Ln(x) R 2 = 9924 T, o C P, r Şekil 54 Soğuk Akışknın Sıcklığının Girişteki Bsınc Göre Değişii (Oksijen) Vorteks tüpe işteki sıncın r dn şlyrk 5 r rlıklrl 6 r kdr rtırıldığınd hv ile oksijenin sıck kışknın sıcklığı ile soğuk kışknın sıcklıklrının frklrı cinsinden perfornslrı dikkte lınrk ukyese edilirse; Hvnın 48 o C, Oksijenin ise 431 o C olduğu deneysel olrk tespit ediliştir Şekil 55 ile Şekil 56 dn d görüldüğü gii, Oksijen gzının sıck kışknın sıcklığı ile soğuk kışknın sıcklıklrının frklrı cinsinden perfornslrı hvy göre dh yüksektir

10 424 Vorteks Tüpünde Akışkn Olrk Kullnıln Hv ile Oksijenin Soğut Sıcklık Perfornsı (T-T), o C y = 15151Ln(x) R 2 = P, r Şekil 55 Sıck Akışknın Sıcklığı İle Soğuk Akışkn Sıcklığı Arsındki Frkın Vorteks Tüpüne Girişteki Bsıncın Göre Değişii (Hv) (T-T), o C y = 15783Ln(x) R 2 = P, r Şekil 56 Sıck Akışknın Sıcklığı İle Soğuk Akışkn Sıcklığı Arsındki Frkın Vorteks Tüpüne Girişteki Bsıncın Göre Değişii (Oksijen) 6 SONUÇ ve ÖNERİLER Bu çlışd, hcisel deileri yrlk için ir kontrol vnsı hriç hiçir hreketli prçsı ulunyn vorteks tüpü kullnılıştır Deneysel çlışlrd, sıck kışkn çıkış trfındki kontrol vnsı t çık konud ırkılıştır Bu deneylerde r sıncındn şlyrk 5 r rlıklrl 6 r kdr değişik sınçlrd, Hv ve O 2 gzı vorteks tüp sisteine uygulnıştır Vorteks tüplerde oluşn enerji yrıştır olyı frklı iki kışknd inceleniştir Ypıln deneysel çlış sonuclrı doğrultusund şekiller oluşturuluştur Oluşturuln u şekiller dikkte lınrk yorulr getiriliştir Vorteks tüpünde ypıln deneyler sonucund kışkn olrk O 2 gzı kullnıldığınd, soğuk kışknın sıcklık perfornsının hvy göre dh yüksek olduğu deneysel olrk tespit ediliştir Vorteks tüpüne en kışknın iş sıncı rttırıldıkç, soğuk kışkn sıcklığınınd perfornsı yükseliştir Deneysel olrk ypıln çlışd y c ornı sit tutuluştur Sit y c ornın göre, vorteks tüpün hv ve O 2 gzının değişik sınçlrdki perfornslrı deneysel olrk inceleniştir O 2 nin hvy göre soğuk

11 TEKNOLOJİ, Cilt 7, (24), Syı kışknın sıcklığının dh yüksek olduğu görülüştür Hvnın içinde ulunn O 2 gzı iktrı rtırılırs, vorteks tüplerindeki soğut perfornslrının dh d rtcğı önerilektedir KAYNAKLAR 1 Özkul N, Uygullı Soğut Tekniği, Mkine Mühendisleri Odsı Yyın No:115, Ankr, Cockerill T, The Rnque Hilsch vortex Tue, PhD Thesis, Cridge University Engineering Deprtent, Susderlnd, Bruno T, Lortory Applictions of Vortex Tue, Journl of Cheicl Eduction, 64 (11), pp , Özgür A E, Vorteks Tüplerin Çlış Kriterlerine Etki Eden Fktörlerin ve Endüstrideki Kullnı Alnlrının Tespiti, Yüksek Lisns, Isprt Üniversitesi Fen Bil Enst,Isprt, Ock 21 5 Althouse A D, Turnquist C H, Brccino A F, Modern Refrigertion nd Air conditioning, The Goodhert-Willcox Copny Inc, South Hollnd, Bler R T, Chorotogrphie Cryoforcusing Cryotrpping With The Vortex Tue, Journl of Chrotogrphic Science, 32, pp , Çengel Y, Boles M, Mühendislik Yklşııyl Terodinik, Litertür Yyıncılık Ltd, İstnul, Stephn K, Lin S, Durst M, Hung F, Seher D, An Investigtion of Energy Seprtion In A Vortex Tue, Journl of Het Mss Trnsfer, vol 26, No 3, pp , 1983