Akım Ortamına Yerleştirilen Kanatçıkların Isı Transferi ve Ekserji Kaybına Etkisinin Araştırılması

Transkript

1 Fırat Üni. Fen e Müh. Bil. Derisi Science and En. J f Fırat Uni. 18 (3), , (3), , 006 Akı Ortaına Yerleştirilen Kanatıkların Isı Transferi e Ekserji Kaybına Etkisinin Araştırılası İrfan KURTBAŞ e Aydın DURMUŞ Fırat Üniersitesi, Makine Eğitii Bölüü, 379, Elazi-TURKEY ikurtbas@ail.c (Geliş/Receied: ; Kabul/Accepted: ) Özet: Bu alışada; 6 enişliğinde 100 uzunluğunda ebatlara sahip alanizli sac üzerine değişik ap e aralıklarda kesilen direnlere farklı aılar erilerek akı rtaına yerleştiriliştir. Bu türbülatörler sabit ısı akısı uyulanan bir bakır bru ierisine yerleştirilerek ısı transferi e ekserji kaybı üzerindeki etkisi araştırılıştır. Çalışa akışkanı larak haa seiliştir. Altı farklı kütlesel debide, Reynlds sayısının ila aralığında deneyler yapılıştır. Deneysel snularda elde edilen değerler he Nusselt sayısına he de ekserji kaybına öre karşılaştırılıştır. Anahtar kelieler: Isı değiştiricisi, türbülatör, ekserji kaybı. Inestiatin f Effect n Heat Transfer and Exery Lss f Fins Placed in Flw Area Abstract: In this study, alanized plates with diensins f 6x100, n which cut fins in different diaeter and distance, were placed in the flw area. The effect f these turbulatrs n the heat transfer and exery lss was inestiated by placin in a cpper pipe hain cnstant heat flux. Air was used as a wrkin fluid. The experients were perfred fr 6 ass flw rates, Reynlds nuber chaned between and The results btained by experients were cpared t bth Nusselt nuber and exery lss. Keywrds: Heat exchaner, turbulatr, exery lss. 1. Giriş Türbülanslı akışlar, sistein hidrdinaik daranışını belirleyen türbülans üreticilerinin kullanılasıyla karakterize edilir. Bilindiği ibi ta elişiş akışta luşan sınır tabaka e alt sınır tabaka ierisindeki hız dağılıı, akışkanın taşını katsayısını öneli randa değiştirektedir. Bu tür akışlarla; ısı değiştiricileri, az sğutalı reaktör yakıt eleanları, elektrnik sistelerin haalandıra dnanıları ibi sistelerde karşılaşılaktadır [1]. Türbülans üreticilerini iki sınıfta tplayabiliriz. Bunlardan birincisi, sürekli döneli akış üreticileri, diğeri ise sadece bru irişinde döneli akış üreticilerinin kullanılası halidir. Sürekli döneli akış üreticilerinde, bru ierisine belli aralıklarla yerleştirilen türbülatörlerle akışkana sürekli döne etkisi erilektedir. Böylece ısı transferi e basın kaybı, türbülatör sayısı e tipine öre değişektedir. Diğer ettta ise, akışkana sadece bru irişinde döne etkisi erilekte e daha snra akışın bru ierisinde serbest larak ilerleesi e elişesi sağlanaktadır. Verilen döne etkisinin şiddeti istenilen sönülene byuna bağlı laktadır. Sn zaanlarda ühendislik akış sistelerinin ptiu paraetrelerini belirleek iin entrpi üretii e ikinci kanun analizi üzerine bir k alışa yapılıştır. Varas e Bejan [], terdinaiğin ikinci kanununu kullanarak uağın rta kntrl sistei iin kanatlandırılış lan apraz akışlı bir ısı değiştiricisinin terdinaik ptiizasynunu yapışlardır. Birka araştıracı, apraz akışlı bir ısı değiştiricisinde entrpi üretii e analizi üzerine araştıra yapışlardır [3-6]. Bunlar apraz akışlı ısı değiştiricisinin knstrüksiynuna e tipine bağlı larak bağıntılar eliştirişlerdir. Bejan [7], ısı e kütle transferi ierikli entrpi üretiinin ptiizasynu üzerine bir k alışa yapıştır. 49

2 İ. Kurtbaş e A. Duruş Jhanessen e diğ. [8], yerel entrpi üretiinin bir ısı değiştiricisinde ünifr lası duruunda, bu ısı değiştiricisinde ısı değişiinden dlayı entrpi üretiinin iniu lduğunu kanıtlayan terik bir bağıntı elde etişlerdir. Bu alışada, farklı aılarda e aplarda akı rtaına yerleştirilen kanatıkların ısı transferine e ekserji kaybına etkisi araştırılıştır. Bu aaca uyun larak sabit ısı akısı uyulanan bir ısı değiştiricisi tasarlanıştır. Tasarlanan ısı değiştiricisine uyun bir ekserji kaybı bağıntısı türetilerek deneylerden elde edilen snular karşılaştırılıştır.. Deney düzeneği e yönte Deney düzeneğinin şeatik örünüşü Şekil 1 de eriliştir. Deney düzeneğinde, 65 dış, 6 i apa sahip bakır bru 1,5 byunda piyasadan alınıştır. Bakır brunun 1, lik bölüüne 65 uzunluğunda ısıtıcı rezistans sarılıştır. Rezistans 4 apındaki seraik bncuklara eirilerek iletkenlik izlasynu yapılıştır. Bakır bru üzerindeki rezistansın tpla direnci 171 Ω dur. Bakır bru üzerindeki ısı kntrlü AC ü kaynağı ile sağlanaktadır. AC ü kaynağı aksiu 380V e 8A üretebilekte değiştirilebilektedir. Bakır bru bir karıştıra dasına bağlanıştır. Karıştıra dası 0,4 kalınlığında alanizli sacdan haa kaağı layacak şekilde ial ediliştir. Bru ile fan arasına, akışın ta elişesini sağlaak iin bakır bru ile aynı apa sahip e bakır bru apının yaklaşık 51 katı uzunluğunda bru bağlanıştır (3,). Isıtılacak haayı sağlaak iin 550W ücünde, dakikada 500 deir yapabilen bir fan kullanılıştır. Fanın deri 1000W lık bir dier ile değiştirilerek farklı kütlesel debiler sağlanıştır. Basadan kaynaklanan türbülans etkisini enelleek iin ısıtılacak haa eilerek sağlanıştır. Fan ıkışına bağlanan 100 apındaki LCA 6000 arka hız aneetresi ile haa hızı ölülüştür. Deney düzeneğinde sıcaklıklar 0,5 kalınlığında, T tipi, Bakır- Knstant ısıl ifti ile ölülüştür. Test bölüünde haa iriş e ıkış ile birlikte tpla 1 nktadan sıcaklık ölülüştür. Isıl iftler bir kanal seiciden eirilerek OMEGA HH1 arka ikrltetre ye bağlanıştır. Deney düzeneğinde haa iriş-ıkış e rifis üzerinden basın değişiinin tespiti yapılıştır. Bu aala sulu U-anetresi kullanılıştır. Tabl 1. Türbülatörlerin ölüleri () Lp α r L D Tasarlanan türbülatörler Şekil de eriliştir. Türbülatörler 0,4 kalınlığında alanizli sacdan ial ediliştir. Türbülatörlerin ölüleri Tabl 1 de eriliştir. Türbülatörlerin kanatları alanizli sac üzerinde aılan değişik aplardaki yarı dairelerden luşaktadır. Hata analizi yapılırken, farklı bağısız değişkenlerden dlayı rtaya ıkan w R belirsizliği aşağıdaki eşitlikten elde ediliştir [9]. R R w R w + w x 1 1 x 1/ R w x n n (1) burada R, x 1, x,..x n bağısız değişkenlerinin erilen bir fnksiynudur. w 1, w..w n ise bağısız değişkenlerin belirsizliğidir [10]. Hesaplanan e ölülen değerler iin elde edilen tpla belirsizlikler Tabl de eriliştir. Table 1. Deneysel snularda luşan tpla belirsizlik Paraetre Tpla (%) Sıcaklık Kütlesel debi Basın kaybı Diğer Nusselt sayısı Reynlds sayısı Ekserji kaybı Nusselt sayısı Ölülen Hesaplanan ±3.1 ±.8 ±.8 ±.3 ±3. ±.8 ±4.1 ±3. 430

3 Akı Ortaına Yerleştirilen Kanatıkların Isı Transferi e Ekserji Kaybına Etkisinin Araştırılası Rtetre Fan Rezistans e izlasyn AC Gü kaynağı Orifis Mikr ltetre Bakır bru U anetresi Şekil 1.Deney düzeneğinin ftğrafı Akış yönü r L R α Akı Çizisi L b Şekil. Türbülatörlerin örünüşü 3. Bulular Şekil 3 de 60 kanat aısına sahip türbülatörlerde Nusselt sayısının Reynlds sayısına öre değişii eriliştir. Değişkenler hesaplanırken yğunluk, özül ısı, iskzite ibi değerler, haanın iriş-ıkış sıcaklıklarının aritetik rtalaasına öre alınıştır. Her bir türbülatör deneyinde farklı sıcaklık farkı lduğu iin aynı kütlesel debilerde Reynlds sayısında küük değişiler eydana eliştir. Bu değişiler rafiklerde de dikkate alınıştır. Reynlds sayısı atalet kuetlerinin iskz kuetlere ranı larak tanılanır. ρ.v.d H Re () µ Nusselt sayısı, yüzeydeki byutsuz sıcaklık radyanına eşittir e yüzeyde luşan taşınıla ısı eişinin bir ölüsünü erir. h.d Nu H k (3) burada D H eşdeğer (hidrlik) aptır e; 4.A k D H.R (4) P şeklinde tanılanır. Haanın rtalaa taşını katsayısı; 431

4 İ. Kurtbaş e A. Duruş h Q A.LOSF y ( T T ).Cp. A.LOSF y (5) Bir ısı değiştiricisinin etkinliği; kazanılan ısının kazanılabilecek aksiu ısıya ranı larak tanılanır e; Q ε (6) Q seklinde ifade edilir. Ekserji analizi, enerji ile ilili sistelerin perfrans analizi e dizaynı iin alışaeliş ısı-denesi etdundan daha fazla aantaja sahiptir. Sistedeki etkin lan e layan yerleri daha erek bir dğrulukla sağlar. Ayrıca kpleks sistelerde siste etkinliğinin dğru bir şekilde ölülesine yardıcı lur [1]. Yani ekserji; tersinir bir süre snucunda ere ile dene sağlandığı taktirde, terik larak elde edilecek lan aksiu iş iktarıdır [11]. Burada, ısı değiştiricisinin yüzeyine uyulanan ısı akısının bir kısı ereye kayblacaktır. Buna öre ısının ekserjisi (kullanılabilirliği), sürekli reji aık siste iin; E ısı Q ( 1 ( T Tk )) (7) şeklinde yazılabilir. Akışkanın ekserjisi ise; E kütle.. ψ ψ (8) lur. Burada akış ekserjisi; sürekli reji, kinetik e ptansiyel enerji farklarının ihal edildiği aık siste iin; ( h h ) T.( s s ) ψ (9) W + Q ( 1 ( T T )).( h T.s ).( h T.s ) k T S en (10) larak elde edilir. Haanın ideal az kabul edilesi duruunda; ( h h ) Cp. T h (11) yazılır. Denkle 10 da erilen entrpi üreti ranı S en iin; S en - Q.s / T k 0.s (1) bağıntısı kullanılır. Terdinaik tersinezlik byunca kayıp iş (W re -W), ekserji kaybı (E k ) larak adlandırılır [1]. Burada tersinir iş; W re + Q ( 1 ( T Tk )).( h T.s ) ( h T.s ). (13) şeklinde yazılır. Bu alışada byutsuz ekserji kaybı (E kb E k /Q ), ekserji kaybının kazanılan ısıya ranı larak belirleniştir. Bu tanılaaya öre denkle 10, 1 e 13 düzenlenirse; E kb T 4.St. [( T.T )/ D ].L ( T / T )(. L / D) [ 1+ 4.St ] V.f.T +.Cp.St. ( T) T x ln 1+ 4.St.. T L D (14) şeklinde yazılabilir. Denkle 7, 8 e 9 yeniden düzenlenirse; 43

5 Akı Ortaına Yerleştirilen Kanatıkların Isı Transferi e Ekserji Kaybına Etkisinin Araştırılası Nusselt sayisi α60 tip 1 (r5) tip (r15) tip 3 (r1) Bs bru Dittus-Belter 0.03.Re 0.8.Pr 04 A (L10) B (L90) C (L60) terik 0 Reynlds sayisi Şekil kanat aısına sahip türbülatörlerde Nusselt sayısının Reynlds sayısına öre değişii E serji kaybi (W ) α60 ο tip 1 (r5) tip (r15) tip 3 (r1) A (L10) B (L90) C (L60) Bs bru Reynlds sayisi Şekil kanat aısına sahip türbülatörlerde ekserji kaybının Reynlds sayısına öre değişii Bş bru deneylerinden elde edilen snular terik Dittus-Belter bağıntısıyla lduka yakın değerlere sahiptir. Şekil 3 de örüldüğü ibi r/r0.8 lduğunda L/L b 0.05 iin ısı transferi bş bruya öre.9 kat, L/L b 0.07 iin.7 kat, L/L b 0.1 iin.5 kat artaktadır. r/r0.48 lduğunda sırasıyla.4,.3 e. kat artaktadır. r/r0.38 lduğunda ise bu değerler;., e 1.98 kat laktadır. Ayrıca 60 kanat aısı iin r/r ranı 0.38 den 0.48 e ıkarıldığında 433 ısı transferi rtalaa 1.09 kat, 0.8 e ıkarıldığında ise 1.36 kat artaktadır. Byutsuz ekserji kaybi α60 ο tip1 (r5) A (L10) tip (r15) B (L90) tip3 (r1) C (L60) Bs bru 0.11 Reynlds sayisi Şekil kanat aısına sahip türbülatörlerde byutsuz ekserji kaybının Reynlds sayısına öre değişii Nusselt sayisi α45 Bs bru 60 Dittus-Belter 0.03.Re 0.8.Pr 04 tip 1 (r5) A (L10) tip (r15) B (L90) tip 3 (r1) C (L60) terik 0 Reynlds sayisi Şekil kanat aısına sahip türbülatörlerde Nusselt sayısının Reynlds sayısına öre değişii Şekil 4 te ise 60 kanat aısına sahip türbülatörlerde ekserji kaybının Reynlds sayısına öre değişii eriliştir. Entrpi üretii enel bağıntısı öz önüne alındığında, ısı transferinin artası ile entrpi üreti ranının dlayısıyla ekserji kaybının arttığı örülecektir. Buna bağlı larak aksiu ısı artıında (α60, L/L b 0.05 e r/r0.806) aksiu ekserji kaybı lakta e 17 W a kadar ıkaktadır.

6 İ. Kurtbaş e A. Duruş Şekil 5 de ise 60 kanat aısına sahip türbülatörlerde byutsuz ekserji kaybının (E kb E k /Q q ) Reynlds sayısına öre değişii eriliştir. r/r0.8 lduğunda L/L b 0.05 iin byutsuz ekserji kaybı bş bruya öre rtalaa 1.1 kat, L/L b 0.07 iin 1.41 kat e L/L b 0.1 iin 1.46 kat azalaktadır. r/r0.48 e 0.38 değerleri iin bu değerler sırasıyla 1.33, 1.7, 1.6 kat e 1.4, 1.1, 1.6 kat azalaktadır. Yine r/r0.38 den 0.48 e ıkarıldığında ekserji kaybı rtalaa 1.01 kat, 0.8 e ıkarıldığında ise 1.16 kat artaktadır. Burada byutsuz ekserji kaybının, ekserji kaybının kazanılan ısı iktarına ranı lduğuna dikkat edilelidir. Yani, iniu Reynlds sayısında ekserji kaybı kazanılan ısının 1.49 katı kadardır. Byutsuz ekserji kaybi α45 ο tip1 (r5) A (L10) tip (r15) B (L90) tip3 (r1) Bs bru C (L60) 0.11 Reynlds sayisi Şekil kanat aısına sahip türbülatörlerde byutsuz ekserji kaybının Reynlds sayısına öre değişii Şekil 6 da 45 kanat aısına sahip türbülatörlerde Nusselt sayısının Reynlds sayısına öre değişii eriliştir. Türbülatörlerde kanat aısı 60 den 45 ye düşürüldüğünde aksiu kanat apında ısı transferi bş bruya öre.7 kat artaktadır. örüldüğü ibi r/r0.8 iin kanat aısı 45 den 60 ye ıktığında Nusselt sayısı 1.1 kat artaktadır. Aynı şartlarda byutsuz ekserji kaybı ise 1.1 kat azalaktadır (Şekil 7). Bununla birlikte 60 kanat aılı türbülatörde L/L b ranı ısı transferini rtalaa 0. ranında etkilerken 45 kanat aılı türbülatörde yaklaşık 0.08 ranında etkileektedir. Aynı şekilde r/r ranı bu değişii sırasıyla 0.3 e 0. ranında etkileektedir. Bunun birlikte r/r ranı ekserji kaybını yaklaşık 0.06 kat değiştirektedir. Bu değişiler Tabl 3 de erilen apirik bağıntılarda değerler yerine kyularak elde edilebilir. Nusselt sayısı e byutsuz ekserji kaybı iin elde bu bağıntılar incelendiğinde, Nusselt sayısının kanatlar arası esafe ile, byutsuz ekserji kaybının ise kanat apı e kanat aısı ile ters rantılı lduğu örülektedir. Nusselt sayisi α30 Bs bru 60 Dittus-Belter 0.03.Re 0.8.Pr 04 tip 1 (r5) A (L10) tip (r15) B (L90) tip 3 (r1) C (L60) terik 0 Reynlds sayisi Şekil kanat aısına sahip türbülatörlerde Nusselt sayısının Reynlds sayısına öre değişii Yapılan tpla 16 deney snucunda her bir değişken iin elde edilen değer kullanılarak bağısız değişkenleri ieren Nusselt sayısı e ekserji kaybı iin apirik früller elde ediliştir. Bu apirik bağıntılarda değişkenlerin katsayıları klu rerasyn yöntei kullanılarak elde ediliştir. Elde edilen bu bağıntılar Nusselt sayısı iin ± %1, ekserji kaybı iin ± %8 hata ile deneysel snuları karşılaaktadır. 434

7 Akı Ortaına Yerleştirilen Kanatıkların Isı Transferi e Ekserji Kaybına Etkisinin Araştırılası Tabl 3. Deneysel snulardan elde edilen apirik bağıntılar Nusselt sayısı Byutsuz ekserji kaybı (E kb E k /Q ) Türbülatörlü Re (r/R) 0.40.(L/L b ) (1+tanα) Bş bru Re Terik Re 0.8.Pr 0.4 Türbülatörlü 0.01.Re 0.4.(r/R) (L/L b ) (1+tanα) Bş bru Re Byutsuz ekserji kaybi α30 ο tip1 (r5) A (L10) tip (r15) B (L90) tip3 (r1) Bs bru C (L60) 0.1 Reynlds sayisi Şekil kanat aısına sahip türbülatörlerde byutsuz ekserji kaybının Reynlds sayısına re değişii Nusselt sayısı r/r0.806 r/r0.483 * r/r0.387 L/Lb0.1 L/Lb0.075 L/Lb0.05 Yapılan deneylerde örüldü ki; türbülatörlerin kanat aısı ısı transferini e ekserji kaybını öneli randa etkileektedir. 60 kanat aısına sahip türbülatörde, aksiu kanat apında e iniu kanatlar arası esafede Nusselt sayısı yaklaşık 6 lurken 45 de 34, 30 de 7 laktadır. Byutsuz ekserji kaybı ise ayını sıraya öre 0.18, e laktadır. Byutsuz ekserji kaybı Reynlds sayısına bağlı larak bş bruda, kazanılan ısının 0.16 ila 0.19 katı arasında değişektedir. Türbülatörlü duruda ise etkinliğe bağlı larak kazanılan ısının 0.1 katına kadar düşektedir. Byutsuz ekserji kaybi L/Lb0.1 L/Lb0.075 L/Lb0.05 Re r/r0.806 r/r0.483 * r/r Kanat acisi Şekil 11. Byutsuz ekserji kaybının kanat aısına öre değişii Kanat aısı Re35000 Şekil 10. Nusselt sayısının kanat aısına öre değişii Şekil 8 e 9 da 30 kanat aısına sahip türbülatörlerde Nusselt sayısının e ekserji kaybının Reynlds sayısına öre değişii eriliştir. Şekil 10 e 11 de Nusselt sayısının e byutsuz ekserji kaybının kanat aısına öre değişii eriliştir. örüldüğü ibi Nusselt sayısı kanat aısı e kanat apıyla dğru rantılı larak değişektedir. Şekil 10 da örüldüğü ibi kanat yarı apının artası ile Nusselt sayısı rtalaa 1. kat artaktadır. Bununla birlikte byutsuz ekserji kaybı rtalaa 1.03 kat azalaktadır. 435

8 İ. Kurtbaş e A. Duruş 5. Snular Elde edilen rafiklerden örüldüğü ibi ısı transferi e ekserji (kullanılabilirlik) kaybı ters rantılıdır. Isı transferi; kanatlar arası esafe ile, ekserji kaybı ise kanat yarıapı e kanat aısı ile ters rantılıdır. Bu paraetreler kendi aralarında öne sırasına öre; türbülatör kanat apı, kanatlar arası esafe e kanat aısı şeklinde sıralanabilir. 4. Referanslar 1. Reikuar, T. S., Suanthi, L., Anand, A. S. (1998). Exery analysis f slar assisted duble effect absrptin refrieratin syste. Renewable Enery, 1 4, Varas, J. V. C., Bejan, A. (001). Therdynaic ptiizatin f finned crssflw heat exchaners fr aircraft enirnental cntrl systes, Int. J. Heat and Fluid Flw,, Oulata, R. T., Dba, F., Yilaz, T. (000). Irreersibility analyses f crss flw heat exchaners, Enery Cnersin and Manaeent, 41, Yuan, P., Ku, H. S., (001). Entrpy eneratin n a three-as crssflw heat exchaner with lnitudinal wall cnductin, Int. C. Heat Mass Transfer, 8, Oulata, R. T., Dba, F. (1998). Experients and entrpy eneratin iniizatin analyses f a crssflw heat exchaner, Int. J. Heat Mass Transfer, 41, Shiba, T., Bejan, A. (001). Therdynaic ptiizatin f eetric structure in the cunter 5. Sebller A k Bru kesit alanı ( ) A y Bru ısıta yüzey alanı ( ) C p Özül ısı (kj/k.k) D H Eşdeğr ap () f Sürtüne katsayısı (-) h Özül entalpi (J/k) L Kanatlar arasındaki esafe () L b Bru byu () Nu Nusselt sayısı (-) Pr Prandtl sayısı (-) Q Isı kazancı (W) Q. Kazanılabilecek aksiu ısı (W) R Bru yarı apı () r Kanat yarı apı () St Stantn sayısı (-) s Özül entrpi (J/k.K) Entrpi üreti ranı (W/K) S en flw heat exchaner fr an enirnental cntrl syste, Enery, 6, Bejan, A. (1996). Entrpy eneratin iniizatin: the new therdynaics f finite-size deices and finite-tie prcesses, J. Appl. Phys., 79, Jhannessen, E., Nuedal, L., Kjelstrup, S. (00). Miniizatin the entrpy prductin in heat exchane, Int. J. Heat Mass Transfer, 45, Hlan, J. P. (1994). Experiental Methds fr Enineers (6 st Ed.),McGraw-Hill, Sinapre, s. 10. Hepbasli, A., Akdeir, O. (004). Enery and exery analysis f a rund surce (etheral) heat pup syste, Enery cnersin and Manaeent, 45, Durus, A. (00). Heat transfer and exery lss in a cncentric heat exchaner with snail entrance, Int. C. Heat Mass Transfer, 9, Bejan, A. (1988). Adanced Enineerin Therdynaics. Jhn Wiley&Sns, Canada, 113s. T T k T, Orta sıcaklığı (K) Isıtıcı (Rezistans) sıcaklığı (K) Haanın ıkış e iriş sıcaklığı (K) Re Reynlds sayısı (-) V Haanın rtalaa hızı (/s) E k Ekserji kaybı (W) LOSF Laritik sıcaklık farkı (K) P Islak ere () k Haanın ileti katsayısı (W/.K) W İş transfer ranı (W) W re tersinir iş ranı (W). Kütlesel debi (k/s) Ψ Ekserji (W) ρ Haanın yğunluğu (k/ 3 ) µ Dinaik iskzite (Pa.s) h Ortalaa taşını katsayısı (W/.K) α Kanat aısı (derece) ε Etkinlik (-) 436