Ak kan Olarak Hava Oksijen Karbondioksit Azot Kullan lan Vorteks Tüpünde Enerji ve Ekserji Analizi

Transkript

1 CÜ Fe-Edebiyat Fakültesi Fe Bilimleri Dergisi (6)Cilt 7 Say Akka Olarak Hava Oksije Karbodioksit Azot Kullala Vorteks üüde Eerji ve Ekserji Aalizi Volka KIMACI GÜ ekik Eitim Fakültesi, 65, Beevler, Akara, ÜKYE vkirmai@gaziedutr eeived: 496, Aeted: 86 Özet: Bu çalmada, haimsel debileri ayarlamak içi bir kotrol vaas hariç hiçbir hareketli arças bulumaya vorteks tüü kullalmr Deeysel çalmalarda, sak akka ç tarafdaki kotrol vaas tam açk koumda braklmr Yalm ola deeysel çalmada, basçl akka olarak Hava ile hava içide bulaa Oksije, Karbodioksit ve Azot gaz kullalmr Hava, Oksije (O ), Karbodioksit (CO ) ve Azot (N ) vorteks tüüe giri basçlar bar da 7 bara kadar bar aralklarla deik basçlarda uygulamr Bu çalmada, vorteks tülerde olua eerji ayrma olay dört farkl akka içi deeysel olarak ielemitir ve erformas termodiamik açda ielemeleri yalmr Ayra, yala ekserji aalizi ile sistemdeki kay i ve verim hesalamr Aahtar kelimeler: aque Hilsh vorteks tü, Eerji ayr, Ekserji Aalizi Exergy Aalysis Ad Eergy Of Air Oxyge Carbo Dioxide Nitroge Whih Are Used As he Fluid I he Vortex ube Abstrat: I this study, the vortex tube, havig o ay movig arts, exet the otrol valve Whih was used i order to arrage volumetri flows I the exerimetal studies, the otrol valve o the outlet side of the hot fluid was ket i oe ositio I the reset exerimetal study, Air, Oxyge (O ), Carbo Dioxide (CO ) ad Nitroge (N ) gases i the air, were used as ressured fluid Air, Oxyge, Carbo 6

2 Dioxide, ad Nitroge were alided to vortex tue for varyig the ilet ressure from bar to 7 bar havig bar itervals I this study, eergy searatio ase whih ours i the vortex tubes was ivestigated exerimetally for four tyes of differet fluids ad hee its erformae was studied thermodymi ivestigatios were studied I additio, the lost work ad the effiiey of the system were alulated by a exergy aalysis Key words:, aque Hilsh vortex tube, Eergy searatio, Exergy aalysis Giri Vorteks tüler, 9 yda metalurjist ve fizikçi ola George Joseh aque tarafda bulumu ve udoh Hilsh tarafda gelitirilmitir [,, ] Vorteks tüü, hareketli bir arças bulumaya basit bir boruda ibaret ola basçl akka kullalarak ay ada hem souma hem de ma ilemi gerçekletirebile bir sistemdir [4] Ebatlar küçük ve hafif olmalar, geikmesiz rejime ulamalar, kimyasal soutkalar gerektirmemeleri ve dolaysyla ekolojik açda zararsz olmalar gibi bir çok özellikleri ile vorteks tüler güümüzde birçok soutma ve tma roblemie çözüm olabilmektedirler [5, 6] Vorteks tüleri deik özellikleri dikkate adda iki aa gruta tolaabilir Bular; ak özellikleri ve tasarm özellikleridir A-) Ak özelliklerie göre; I Kart ak vorteks tüler, II aralel ak vorteks tüler olmak üzere ikiye ayrlmaktadrlar B-) asarm özelliklerie göre; I Adyabatik vorteks tüler, II Adyabatik olmaya vorteks tüler, olmak üzere sfladlmaktadrlar [7, 8] Voteks tüler böyle bir sfladrmaya tabi tutulmalara rame tüm ihazlar çalma resileri ay ilkelere dayar [9] Kart ak ve aralel ak vorteks tüüü çalma resibi ekil a ve b de verilmitir 7

3 Basçl akka girii Basçl akka girii ak ç Girdal ak balag Souk ç Nozu l ak ç Vaa Souk ç Kotrol valfi (a) (b) ekil Vorteks tüüü ya [, ] ak ç Vorteks üüü Çalma resibi Vorteks tüü ile iki farkl saklkta akka elde edilmesii temel resibi, ekil ve ekil de görüldüü gibi iki farkl açsal hzlarda döe aklar arasda, gerçeklee mekaik eerji trasferidir Basçl bir akka vorteks tüüe, tüü giri da yer ala ozulda geçerek vorteks tüüe teetsel olarak girer ü giriide ozul kullalmas sebebi, bas düürülerek h artmas salamaktr Nozul soras hz, tüe gire basçl akkaa baml olarak tüü silidirik yada dolay dömeye balar Çok yüksek açsal hzlarda döe ak merkezkaç kuvveti etkisi ile tü idara doru açlmaya zorlar [9, ] Bu etki etieside tü merkezideki akka ile tü idardaki akka arasdaki basç fark oluur ak akka b > a a : Sak akka açsal h b : Souk akka açsal h Souk akka b ü idar a ekil Vorteks tüü içideki sak ve souk ak hareketi [] 8

4 Basçl akka Souk çgirii Eerji trasfer yöü ak ç Vaa Döe ak ak ç Akm çizgi ekil Kart ak bir vorteks tüteki ak [4] ü idar ile tü merkezi arasda olua basç fark edei ile ak radyal yöde merkeze doru geiler Merkeze gele ak açsal h, açsal mometumu koruumu ilkesi gereie tü idardaki ak açsal hda daha yüksek deerlere ular Bu sebete dolay tü içeriside iki farkl hzda döe iki ak oluur Merkezdeki ak daha yüksek hza sahi olduuda yüzeydeki ak ivmeledirmeye çalr Bu durumda merkezdeki ak idardaki aka mekaik eerji trasferi gerçekletirir Mekaik eerjiside azalma ola merkezde ki ak souk akka, tü idardaki sürtüme etkisi ve merkezdeki akta ald mekaik eerjide dolay tü idardaki ak sak akkadr Kart ak vorteks tü ekil a da görüldüü gibi, souk ak sak ak çkt ua yerletirilmi ola vaa etkisi ile bir durguluk oktasda sora ak geriye doru yöleir Bu sayede tüü bir uuda sak akka dier uuda ise souk akka elde edilir [7] Deeysel Çalma Deeysel Sistem Bu çalmada, iç ça mm, gövde uzuluu 6 mm ola abyabatik-kart ak bir vorteks tüü kullalmr Yüksek basa kar daya arttrmak içi iç ça 4 mm ola çelik bir boru vorteks tüü üzerie kafes amayla geçirilmitir Vorteks tü, geilii 5 m, yükseklii 6 m, kal mm ola bir levha üzerie kotrol valfi a tarafta olaak ekilde dik koumda ekil 4 de görüldüü gibi yerletirilmitir Vorteks tüüe, gire basçl akka bas ölçmek içi % hassasiyetide maometre, çka souk ve sak akka haimsel debilerii ölçmek içi % hassasiyetideki rotametreler balamr Vorteks tüüde çka souk ve 9

5 ak akkalar saklklar ölçmek içi ± o C hassasiyetide ola dijital termometreler kullalmr Dijital termometreleri roblar vorteks tüüü sak ve souk ç taraflarda m ilerisie mm çada delimi tüü merkezie geleek ekilde yerletirilmi, etraf silikola kaatlarak szdrmazlk salamr Vorteks tüüü sak akka ç uua haimsel debileri ayarlamak içi bir kotrol valfi mote edilmitir Vorteks tüüü giriideki vaa ile hava komresörü arasa yüksek basa dayakl lastik hortum keleçeler yardyla balamr Hava komresörü çallm ve vorteks tüe akka giriideki vaa yardyla deeylerde balagç bas ola, bar lk basç salamr Yala basç ayarlamasda sora vorteks tüüü sak ve souk akka ça mote edile dijital termometrelerdeki okua saklk deerleri sabit oluaya kadar ay basçta hava komresörde göderilmitir Vorteks tüe giriteki basç, sak ve souk akka saklk deerleriyle birlikte haimsel debileri de okumutur Daha sora, bar ola basç deerideki deeye balamada öe vorteks tüüü souk ve sak akka akl ölçe dijital termometre ile ortam sakl ölçe dijital termometreleri it saklk deerie gelieye kadar beklemi ve okua deerler eitledikte sora, bar ola basç deerideki deey yalmaya balamr Yala deeysel çalmalarda,,; 4,; 5,; 6, ve 7, bar basç deerleri içi,, bar daki yala lemler tekrarlamr Vorteks tüüde, bar ve 7, bar arasda basçl hava göderilerek yala deeyler tamamladkta sora hava komresör balat sistemde çkarlarak, yerie rasyla O, CO ve N gazlar muhafaza edildii tüler balamr Vorteks tüüde akka olarak kullala O, CO ve N gazlar içi, bar ve 7, bar basç deeri arasdaki deeysel ilemler hava deeyleride yala ilemler yalmr

6 Dijital termometre Giri maometresi Souk akka ç Orfis Sak akka ç Souk akka Vorteks tü otametre ak akka otametre Dijital termometre ekil 4 Deeysel sistem 4 Bulgular Ve artma Bu çalmada, geellikle oda sakda ve yüksek basçtaki gazda giri aka göre daha sak ve daha souk iki akm elde etmek içi kullala vorteks tüleri ermodiamik aalizi yalmr Çözümü esas aa sistemi geel görüüü ekil 5 de verilmitir [5] ekil 5 Sistemi geel görüüü Bir giri ve bir ç sürekli ak açk sistemler içi kütlei koruumu,

7 ç m gir m () eklide yazlabilir [6] Dek vorteks tüü içi Dek eklide yazlabilir çk m a m b () m Vorteks tüü adiyabatik olduu ve d yüzeyde kayb ihmal edilmitir [7] v v v v mh mgz m Q v W s m h m (4) Giri ve souk ile sak çlar alalar dikkatle ayarla, yaklak yalabilir veya bu hzlar gerçekte de birbiride çok fazla farkl olmayaada, kietik eerji terimlerii katk yaklak sr aabilir ve eerji deklii etali dekliie döüür (Dek 5, 6, 7) [5] m h (5) m h m h m h (6) ( r m ) m ( ) m ) (7) r ( r eferas sakl r = K, adda, Dek 8 yazlabilir [8] m ermodiamii Yasasa göre; m m (8) Vorteks tüler çoulukla gazlar içi uygular deal gazlar içi geçerli ola hal deklemi kullalarak; V (9) ermodiamii yasas geel ifadesi S tolam S sistem Sçevre dr, V, ilk halide V,, so halie gide bir ideal gaz içi;, olarak yazlabilir S () ()

8 S (etroi) de V veya H gibi hal foksiyoudur ekil 5 de gösterile vorteks tü içi; S S S () veya S olam =S Souk akm + S ak akm > () yazlabilir Gire ve çka akmlar saklk ve basçlar dikkate aarak molar birimler iside; S olam () olmalr Kütlesel birimler kullalarak ise; ' ' m m S olam (4) eklide ifade edilebilir iside ifadesii Gelitirilmesi; olarak kabul edilerek Dek yeide düzeleirse; S olam (5) gibi yazlabilir Dek 5 de görüldüü yere olarak yazrsa; (6) (7) Dek 7 deki eitsizlii her tarafda ile bölümü ve Dek 8 oluturulmutur [5, 9] (8) Kütlesel debiler ora;

9 m y (9) m olarak tamlamr [] Molar büyüklükler iside y ve -y Dek eklide yazlmr m y ve (-y)= m Dek 8, Dek ile kullalarak Deklem y) () y () ( elde edilmitir Dek 8 molar büyüklükler iside yaz sakl & iside ifade edilebilir ( y ) () ( y) elde edilir Dek ile Dek birletirilerek y ( y) () ( y ) /( y) yazlabilir Bu ifadeleri tekrar düzelemesiyle de,vorteks tüe giriteki bas souk ç tarafdaki basa oraa göre deimi Dek 4 eklide yazlmr y ( / )( y) ( / ) y ( y) (4) giri saklr ve geellikle ortam saka yakdr ve yie geellikle bata biliir ermodiamii Yasasda balayarak gelitirile yukardaki ifade, belirli bir y deeri içi isteile souk akm sakl ola ye ulamak içi / i e olmas gerektiii vermektedir Vorteks tüler içi ekserji eitlii: Bir sistemde elde edileek e çok i, sistem belirli bir balagç halide, tersiir bir hal deimiyle çevrei buluduu hale (ölü hale) getirilirse elde edilir Bu deer, sistemi verile balagç halide, yararl i otasiyelii veya i yama 4

10 olaa göstermektedir ve kullalabilirlik diye adladr Bir sistemde elde edile i tümüde amaçlarz dorultusuda yararlaamayabiliriz ersiir i belirli iki hal arasdaki hal deimi srasda bir sistemde elde edilebileek e çok yararl i diye tamlar Baka bir deyile, sistemle çevre arasdaki geçiii tersiir olarak gerçekletii, ayra sistem içide tersimezlikleri olmad bir hal deimi söz kousudur So hal ölü hal olduu zama tersiir i kullalabilirlie eittir gerektire hal deimleri içi tersiir i, hal deimii gerçekletirmek içi gerekli e az ii gösterir ümde tersiir bir hal deimi içi gerçek ve tersiir i terimleri ayr, böylee tersimezlik srdr Bu beklee bir souçtur Çükü tümde tersiir bir hal deimi srasda tersimezlikleri bir ölçüsü ola etroi üretimi olmaz üm gerçek hal deimleri srasda tersimezlik srda büyük (art) bir deerdir [7] Dier tüm termodiamik aalizler gibi, ekserji aalizi içi de sürei asl olduuu bilimesi gerekli deildir Sadee sürei balagç-giri oktalar ile biti-ç oktalar içi geçerli ola koullar bilimesi yeterlidir [8] Kay ekserji Dek 5 ile verilmitir I e (5) e çk Vorteks tü içi gire ekserji; ak akm tarafda çka ekserji; e ( o o o e h h s s ) o o ( o (6) h h ) ( s s ) (7) souk akm tarafda çka ekserji; e ( o o o h h ) ( s s ) (8) eklide yazlabilir Vorteks tüler içi sak ve souk olmak üzere ç bulumaktadr Bu edele Dek 7 ve Dek 8 birlikte deerledirilerek Dek 9 elde edilmitir e çk ye ( e (9) y) Bir hal deimi srasda, birim zamada olua tersimezlik h, ile gösterilmi ve Deklem eklide yazlmr m I () Adyabatik sistemler içi, Dek 4 kullalarak Deklem adaki gibi de yazlabilir 5

11 ' ' o Solam o m m () Vorteks tüler içi yalm ola ekserji aalizide ise ikii kau verimi Deklem de tamlamr [5, 9] eçk o Solam II () egir m e 5 Souç ve Öeriler Vorteks tülerde, sak ak ç tarafda bulua vaa aç kaamas ile y ora demektedir Yalm ola bu deeysel çalmada, vaa tam açk koumda braklarak deeyler yaldda y ora sabittir ekil 6 de hava, O, CO ve N e ait sak ve souk akka haimsel debilerii vorteks tüüe giri basa göre deim deerleri gösterilmitir Hava, O, CO ve N i souk ve sak akkalar haimsel debileri Vorteks tüe giri bas artkça lieer bir doru eklide artmr Haimsel debi, m /h Hava, Qa Hava, Qb O, Qa O, Qb CO,Qa CO, Qb N, Qa N, Qb gir, bar ekil 6 Hava, O ve CO ti vorteks tüüde çka souk haimsel debilerii vorteks tüüe giriteki basa göre deimi ekil 7 de hava, O, CO ve N gazlar, sak akka sakl ( sk ) ve souk akka sak ( so ) giriteki basç ile deimi verilmitir Sak akka sak e fazla havada, e az ise CO de olutuu görülmektedir Aak, CO i e az masa rame, e fazla souma olay CO gazda olutuu deeysel olarak tesit edilmitir (ekil 7) 6

12 ekil 7 Hava, O, CO ve N gazlar sk ve so vorteks tüü giriteki basç ile deimleri ekil 7 de görüldüü gibi 7 bar giri basda, hava, Azot, Oksije ve Karbodioksit gazlar, vorteks tüü sak ç tarafdaki saklk deerleri rasyla 8,7 o C; 8,5 o C; 6,7; o C; 5 o C, vorteks tüü giri bas 7 bar olduuda, Karbodioksit, Azot, Oksije ve hava, vorteks tüüde çka souk saklklar srasyla -9,7 o C; -7,4 o C; -6,4 o C ve -, o C dr Vorteks tüe giriteki basç bar da balayarak bar aralklarla 7 bar a kadar yükseltilerek yalm ola deik giri basdaki deik gazlarla vorteks tüüde yala deeyi deeysel verileri kullalarak, ekserji aalizi yalmr Ekserji aalizi içi gerekli ola etali, etroy deeri Coolak bilgisayar rogramda yararlalmr Elde edile souçlar dorultusuda e fazla gire ekserji, e fazla ka ekserji, kay ekserji ve kii kau verimi hesalamr Deeysel çalmada vorteks tüüde kullala Hava, O, CO ve N giri bas artmasyla giriteki ekserjide sürekli art göstermitir Ay basç da, vorteks tüleri giri ekserjileri birbiri ile mukayese edildiide, e fazla gire ekserjii, N ; e az gire ekserji ise CO olmutur (ekil 8) egir, J/kgK Hava O CO 8 N gir, bar ekil 8 Hava, O, CO ve N gazlar e gir deerlerii vorteks tüü giriteki basç ile deimleri 7

13 Vorteks tüüde kullala Hava, O, CO ve N giri bas artmasyla ç ekserjide sürekli art göstermitir Aak Hava 6 bar da sora ç ekserjide azalma olmutur Hava, O, CO ve N ç ekserjileri birbiri ile mukayese edildiide, e fazla ç ekserjii, CO ; e az çka ekserji ise Hava olmutur (ekil 9) eçk, J/kgK 5 5 Hava O CO N gir, bar ekil 9 Hava, O, CO ve N gazlar e k deerlerii vorteks tüü giriteki basç ile deimleri Bas yükselmesi ile e gir sürekli art göstermitir Bua kark e çk, e gir e göre çok düük deerlerde kalmr Bu durum kau verimii etkilemitir (ekil ) kau verimii çok düük deerler almas edei, vorteks tülerde gerçeklee süreçleri tersimez olmasr Vorteks tülerde, faydal i eerjiside (slm akka eerjiside) yararlalarak oktasal olarak tma veya soutma yalmaktadr,5, %,5 Hava O CO N, gir, bar ekil Hava, O, CO ve N gazlar deerlerii vorteks tüü giriteki basç ile deimleri ekil de tersimezlik h ola i vorteks tüe giri basa göre deimi verilmitir ersimezlik h, gir i yükselmesi ile artmr 8

14 , W gir, bar Hava O CO N ekil Hava, O, CO ve N gazlar deerlerii vorteks tüü giriteki basç ile deimleri 5 Simgeler sabit basçtaki özgül, J kg - K - sabit basçtaki özgül, J mol - K - e ekserji, kjkg - h etali, kj kg - K - I kay ekserji, kj kg - tersimezlik h, kw m kütle debisi, kg s - molar hz, mol s - bas, bar ' gaz sabiti, 87 J kg - K - s etroy, kj kg - K - o r Q çevre sakl, K referas sakl, K giriteki akka sakl, K souk akka sakl, K sak akka sakl, K sak ak sakl ile souk ak sakl arasdaki fark, K geçii, kj V haim, m 9

15 II y ekserji verimi souk ak kütle debisii giriteki ak kütle debisie ora -y sak ak kütle debisii giriteki ak kütle debisie ora disler çevre hali giri souk ç ak ç deim k ç gir giri sk sak so souk 6 Kayaklar [] M Ylmaz, Ö Çomakl, M Kaya, S Karsl, Mühedis ve Makie, 6, 47, 554, 4-5 [] N Özkul, Uygulamal Soutma ekii, 5 Bask, Makie Mühedisleri Odas Yay No:5, Akara, 999, s 79 [] romvoge, S Eiamsa-ard, SieeAsia, 5,, 5- [4] AD Althouse, CH urquist, AF Braiao, Moder efrigeratio ad Air Coditioig, he Goodheart-Willox Comay I, South Hollad, 979 [5] Balmer, Joural of Fluids Egieerig-ras of Asme, 988,,, 6-64 [6] AE Özgür, Selba, Üçgül, V Ulusal esisat Mühedislii Kogresi ve Sergisi,, [7] A E Özgür, Vorteks üleri Çalma Kriterlerie Etki Ede Faktörleri ve Edüstrideki Kullam Alalar esiti, Yüksek Lisas ezi,, Isarta Üiversitesi Fe Bil Est,Isarta, s 85 [8] H Usta, V Krma, BAÜ Fe Bil Est Dergisi, 6, 8, [9] W Fröhgsdorf, H Uger, Iteratioal Joural of Heat ad Mass rasfer, 999, 4,

16 [] CD Fulto, efrig Eg, 95, 5, [] Coerill, hermodyamis ad Fluid Mehais of a aque Hilsh Vortex ube MS hesis, 998, Uiversity of Cambridge [] H Usta, V Krma, K Dier, ekoloji, 5, 8, 4, -9 [] B Hajdk, M Lorey, J Stele, K homas, Oil-Joural, 997, 76-8 [4] U Behera, J aul, S Kasthurirega, Karuaithi, SN am, K Diesh, S Jaob, Iteratio Joural of Heat ad Mass rasfer, 5, 48, [5] K Dier, BZ Uysal, Bakaya, M Sivriolu, Üçgül, ULIBK 5 5 Ulusal Is Bilimi ve ekii Kogresi, 5, rabzo [6] Y Çegel, M Boles, Mühedislik Yaklayla ermodiamik, Literatür Yayk Ltd, stabul, 996, 78 [7] H Usta, K Dier, V rma, ekoloji, 4, 7,, [8] H Usta, K Dier, V Krma, H Variyeli, CÜ Fe-Edebiyat Fakültesi Fe Bilimleri Dergisi,, 4,, 8-9 [9] K Dier, BZ Uysal, Bakaya, M Sivriolu, Üçgül, 4 Iteratio Advaed ehologies Symosium, 5, Koya [] MH Saidi, MS Valiour, Alied hermal Egieerig,,,