Konsantrik Boru Tip Isı DeğiĢtiricilerinde Türbülatörlerin Kanat Delik Geometrisinin Isı Transferine ve Basınç DüĢüĢüne Etkisi

Transkript

1 6th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), May 2011, Elazığ, Turkey Konsantrik Boru Tip Isı DeğiĢtiricilerinde Türbülatörlerin Kanat Delik Geometrisinin Isı Transferine ve Basınç DüĢüĢüne Etkisi Z.Argunhan 1, C. Yıldız 2, M. Z. IĢık 3 ¹³Batman Üniversitesi,Batman/Turkey, zeki.argunhan@batman.edu.tr, mzerrakki.isik@batman.edu.tr ²Fırat Üniversitesi,Elazığ/Turkey,cyildiz@firat.edu.tr The Effect of Wing Holes Geometry of the Vortex Generator on Heat Transfer and Pressure Drop in Concentric Tube Type Heat Exchangers Abstract The effect of wing hole geometry of the vortex generator on heat transfer and pressure drop in concentric tube type heat exchangers has been investigated in this study.for experiments, two type of hole geometry were selected. One has four rectengular hole with 2x7 mm in dimension and the other four circular hole with 5 mm in diameter and applied for degree blade angles. Turbulator diameter is 60 mm and includes 6 blades. Air was used as hot stream, whereas water as cold stream. Experimental results were scrutinized. Heat transfer and pressure drop were found high with usage of circular holes geometry. Keywords Concentric heat exchanger, Turbulator, Heat transfer, pressure drop 1-GĠRĠġ Kullanım alanı çok geniģ olan ısı değiģtirgeçlerinin verimliliği ve kullanılabilirliği giderek önem kazanmaktadır. Bu konuda yapılan çalıģmalarda verimliliğin yanı sıra boyutlarında minimize edilmesi ön planda tutulmaktadır. Isı transferi iyileģtirilerek ısı değiģtirgeçlerinin boyutlarının küçültülmesi, değiģik akıģ profillerinin uyarlanması ile ısıl etkinliğin arttırılıp enerji gereksiniminin azaltılması amaçlanır. Sıcak ve soğuk akıģkanlar arasındaki iģletme sıcaklık farkının azaltılması ve ısı transfer katsayısının iyileģtirilmesiyle de ısı değiģtirgeçlerinin etkinliği arttırılmıģ olur. Isı transferini iyileģtirme amacıyla aktif ve pasif yöntemler uygulanabilir. Aktif yöntemde sistem ek enerji gereksinimi söz konusu iken pasif yöntemde geometrik değiģikliklerle ek enerjiye ihtiyacı söz konusu olmadan iyileģtirme mümkündür. Isı geçiģini arttırmak için mekanik eklentilerle akıģkanın karıģtırılıp, titreģim verilmesi aktif bir yöntemdir. Pasif yöntemde yüzey iģleme, geometrik eklerle akıģkanın yönlendirilmesi söz konusudur. Sınır tabaka incelemelerinden türbülans artıģının sınır tabaka kalınlığını azaltıp ısı geçiģini arttırdığı bilinmektedir. Pasif yöntemle ısı transferinin artırılması yöntemlerinden biri sınır tabakasının parçalanmasıdır. Sınır tabaka akıģ türü ile ilgili olup laminar akıģta kalın, türbülanslı akıģta laminar akıģa nazaran daha incedir. Böylece sınır tabaka kalınlığı inceldikçe akıģkan ile boru arasındaki ısı transferi daha fazla olur. Bu özellikten faydalanmak amacıyla türbülatör kullanmak pasif bir yöntem teģkil eder. Bu çalıģmada, hareketli parçalar olmayıp iç içe borulu ısı değiģtirgeçlerinde iç boru giriģinde akıģkana dönme etkisi düģük maliyetli türbülatörle verilerek, ısı transferinin artırılması amaçlanmıģtır. Bir boru içindeki dönel akıģ, ısı değiģtirgeçlerinde meydana gelen ısı transferinde önem taģımaktadır. Birçok araģtırmacı dönel akıģın ısı transferine etkisini incelemiģler ve dönel akıģın ısı transferinin artıģında önemli bir etken olduğunu göstermiģlerdir.. Azalan dönel akıģta ısı transferi karakteristiklerini belirlemek için deneysel olarak birkaç araģtırma yapılmıģtır. Isı transferi üzerindeki dönel akıģ parametrelerine ilaveten, dönme sayısının bir fonksiyonu olarak ifade edilen ısı geçiģ katsayısının ampirik bağıntılarını da veren deneysel çalıģmalar mevcuttur. Dönel akıģı, matematiksel olarak incelemenin zorluğunu belirten bilim adamları akıģ hakkında matematiksel veriler elde etmek ve akıģı fiziksel olarak anlamak için deneysel çalıģmalar yapmıģlardır. Bu çalıģmalarda dönel akıģta hız bileģenlerinin duvar ile olan sürtünmesi sonucu akıģ doğrultusunda zayıfladığını ve dönel akıģ yoğunluğunun azaldığını göstermiģlerdir. Fakat dönel akıģ ile ilgili var olan matematiksel modellerin pratikte kompleks akıģları tahmin etmek için yeterli olmadığı ve geliģtirilmesi gerektiği savunulmuģtur[1]. Sparrow ve Chaboki bir boru içindeki hava akıģında ısı transferini incelemiģler. Türbülans oluģumunun boru giriģindeki ısı transferinde önemli olduğu belirlenmiģtir. Bu amaçla giriģ bölgesinde dönme elemanı olarak enjektörler kullanılmıģtır [2]. 248

2 Küçük ve arkadaģları boru giriģine konik yüzey halkalı türbülatör uygulamasını inceleyerek, ısı transferinde ve sürtünme faktöründe artıģ tespit ettiler[3]. DurmuĢ, konsantrik tip çift borulu ısı değiģtirgecin de ısı transferini arttırmak için giriģ kısmına girdap üretici olarak salyangoz uygulaması yapmıģtır. Momentum transferi artıģı ısı transferi artıģı sağlamıģ, Nusselt sayısında % arasında, basınç düģümündeki artıģ ise % 110 oranında olmuģtur[4]. DurmuĢ ve arkadaģları koaksiyel eģanjörün iç borusuna uygulanan pervane tipi türbülatörlerin etkilerini araģtırdı. Pervane tipi türbülatörler mm çapında ve bıçak açıları 10, 20,40 olarak kullanılmıģtır. Bu türbülatörler farklı aralıklarla iç boruya monte edilerek gözlemlenerek maksimum girdap akım mesafesi 30 cm olarak belirlendi. Sonra ısı transferi ve basınç kaybı karģılaģtırıldı. Deneyde, Reynolds sayısında ısı transferinin 2-4 kere ve basınç kaybının 8,5 kez arttığı 10 farlı akıģ hızında belirlenmiģtir[5]. Kavak ve arkadaģları delikli girdap üreticinin, boru tipi ısı değiģtirgecinin iç borusunun giriģ kısmında kullanımının ısı transferine etkisini incelemiģtir. Farklı delik düzenlemeleri uygulanmıģ sonuç olarak Reynolds sayısı aralığında girdap tipi üreticinin kullanılmadığı durumdan % 130 oranında ısı transferinde artıģ gözlenmiģtir [6]. KurtbaĢ ve arkadaģları konsantrik tip çift borulu ısı değiģtirgecinde ısı transferini arttırmak için girdap üretici olarak iç boruda türbülatör kullanmıģ, Nusselt sayısı, ısı transferi, ekserji kaybı ve entropi üretimi incelenmiģtir. Nusselt sayısı boģ boruya göre 3.6 ve 5.09 kat kadar artar, entropi üretimi oranı da 2.8 kat artar, verimlilik 10 bıçak açısında % 30.6 ve % 94.4, 20 ve 40 bıçak açıları için sırasıyla daha yüksektir. Verimlilik %18-72 ye arttığında ekserji kaybı defa azalmıģtır. Deneysel sonuçlar intertürbülatör mesafe (Lt) ve (θ) bıçak açısının ısı transferi ve ekserji kaybı üzerine büyük etkileri olduğu gözlenmiģtir[7]. Sahiti ve arkadaģları iğne kanatlı çift borulu ısı değiģtiricinde ısı transferi ve basınç düģüģü özellikleri deneysel olarak incelemiģtir. Bu analizin amacı eģanjör akıģ uzunluğu ve iğne uzunluğunun entropi üretim hızı üzerinde etkilerini belirlemektir. Optimizasyon modeli farklı eģanjör akıģ uzunlukları ve farklı iğne uzunluğu için entropi üretimi azaltma temelinde geliģtirilmiģtir. Sonuçlarda entropi üretimi sayısı Re fonksiyonu olarak elde edilmiģtir. Kısa akıģ uzunluklarına düģük entropi üretimi, büyük iğne uzunlukları ile yüksek entropi üretimi gözlenmiģtir. DüĢük entropi üretimi termodinamik tercih sebebidir [8]. II. HESAPLAMA METODU Deneysel verilerden faydalanılarak Nusselt Sayıları ve Reynolds Sayıları hesaplanmıģ ve örnek hesaplama metodu aģağıda belirtilmiģtir. Buna göre ısı değiģtirgecinde sıcak akıģkanın verdiği ısı, soğuk akıģkana transfer edilmektedir. Aynı yönlü paralel akıģta türbülatörsüz ısı değiģtirgeci için alınan veya verilen ısı miktarı Q = (m. C p ) 1. ( T 1i T 1o ) = (m. C p ) 2 (T 2i T 2o ) (1) Ģeklinde belirlenebilir. Ayrıca sıcak akıģkandan aktarılan ısı aģağıdaki gibi olur. Q = h. A. (T T s ) (2) Bu ifadeden elde edilen ısı taģınım katsayısı yardımıyla Nusselt Sayısı Nu = (h.d / k) (3) Ġfadesiyle tespit edilir. Reynolds sayısı aģağıdaki bağıntı yardımıyla bulunur. U m.de Re (4) ν Teorik Nusselt sayısı için ise Dittus- Boelter eģitliğinden Nu T = 0,023 Re 0,8. Pr 0,4 (5) faydalanılmıģtır. III. DENEYSEL ÇALIġMA Deneysel çalıģma amacıyla ġekil 1 de görüldüğü gibi bir deney seti tasarlanarak imal edilmiģtir. Dizayn edilen ısı değiģtirgecinin iç boru çapı 60 mm, dıģ boru çapı 90 mm ve uzunluğu 1030 mm dir. GeliĢtirilen ısı değiģtirgecinde dönel akıģ oluģturmak amacıyla iç borunun giriģine galvanizli sacdan yapılan 60 mm çapında sökülüp takılabilen 2x7 mm düzgün sıralı 4 dikdörtgen delikli ve 5mm çapında 4 delikli 55, 65, 75, ve 90 kanat açılı türbülatörler tasarlanmıģtır. (ġekil 5). Gerekli hava debisi bir kompresör yardımıyla sağlanmıģ ve ısıtma iģlemi reostalı bir elektrikli ısıtıcı ile yapılmaktadır. Sabit basınçta akıģın sağlanması için kompresör çıkıģına basınç regülâtörü yerleģtirilmiģtir. Deney düzeneğinde sıcaklık ölçümleri, ölçüm yapılacak her noktaya yerleģtirilen Demir-Constant termokopullarla yapılmıģtır. 249

3 ġekil 1. Deney Setinin ġematik GörünüĢü A.TÜRBÜLATÖRLERİN İMALİ Türbülatör malzemesi olarak kolay Ģekil verilebilmesi açısından 0.35mm kalınlığındaki galvanizli sac seçilmiģtir. Öncelikle ġekil 3 de görüldüğü gibi türbülatörün dıģ gövdesi imal edilmiģtir. ġekil 5 de görüldüğü gibi gövde içine kolay yerleģtirilip açı verilebilmesi için kanat profili oluģturulmuģtur. Simetrik olacak Ģekilde dörder adet 5 mm çaplı dairesel delik ve 2x7 mm ölçüsünde dikdörtgen delik bulunan kanatlar imal edilip, her türbülatöre 55, 65, 75 ve 90 lik açılar verilerek 6 Ģar adet kullanılarak punto makinesinde parçalar birbirleriyle kaynak yapılmıģtır(ġekil 4). Deney düzeneğinde havanın ısı değiģtirgecine giriģine, havanın ısı değiģtirgecinden çıkıģına, suyun ısı değiģtirgecine giriģine, suyun ısı değiģtirgecinden çıkıģına, çevre sıcaklığının tespiti için dıģ ortama, boru cidar sıcaklığının tespiti için beģ noktadan yüzeye termokopullar yerleģtirilerek sıcaklıklar ölçülmüģtür. Termokopullarla alınan sonuçlar kanal seçiciye, oradan da yapılan bağlantıyla %0,1 hassasiyetli dijital termometreye aktarılarak sıcaklıklar okunmuģtur. Isı değiģtirgecinin çevreye olan ısı kaybını azaltmak için dıģ borunun yüzeyi cam yünü ile yalıtılmıģtır. Zıt ve paralel akıģlar için değiģik Reynolds sayılarında ġekil 3. Türbülatör Gövdesi deneyler yapılmıģtır. Sistemde aynı yönlü paralel ve zıt y. ġekil 2. Aynı Yönlü Paralel AkıĢı ve Zıt Yönlü Paralel AkıĢı Sağlamak Ġçin GeliĢtirilen Tesisat Sistemi önlü paralel akıģ Ģartlarını gerçekleģtirmek için ġekil 2 de görüldüğü gibi akıģ tesisatı kurulmuģtur. AkıĢ devresindeki vanalar vasıtasıyla by-pass devresi oluģturularak aynı yönlü paralel akıģ ve zıt yönlü paralel akıģ hallerine göre düzenekte deney yapılması sağlanmıģtır. ġekil 4. Dairesel ve Dikdörtgen Delikli Türbülatör Kanatları Deney düzeneğine su temini için beģ yüz litrelik bir depo kullanılmıģtır. Suyun sabit sıcaklıkta olması için Ģehir Ģebekesinden gelen su depoda dinlendirildikten sonra düzeneğe gönderilmiģtir. Deney düzeneğinde kullanılan rotametre suyun debisini ölçebilecek aralıkta seçilmiģ ve debi sürekli ölçülerek kontrol altında tutulmuģtur. Deney düzeneğinin giriģinde ve çıkıģında basınç prizleri yardımıyla deney düzeneğinde oluģan basınç kayıpları sürekli olarak ölçülmüģtür. 250

4 ġekil Kanat Açılı Türbülatörlerin GörünüĢü IV. DENEY VERĠLERĠNĠN DEĞERLENDĠRĠLMESĠ Isı değiģtirgecinin deneysel verilerinden yararlanılarak sıcak akıģkan tarafındaki Nusselt Sayısı- Reynolds Sayısı grafikleri, aynı ve zıt yönlü paralel akıģlar için belirlenerek değiģtirgecin türbülatörlü ve türbülatörsüz olma durumuna göre çizilmiģtir. ġekġl-6 Aynı yönlü Paralel AkıĢlı Dört 2x7 mm Dikdörtgen Kanallı Türbülatörlü Isı DeğiĢtirgecinde Nu - Re DeğiĢimi Deney düzeneğinde kullanılan türbülatörlerin dıģ çapı 60 mm, kanat sayısı 6 ve deliklerin sayısı 4, dairsel delik çapı 5 mm, dikdörtgen kanal ölçüleri 2x7 mm olacak Ģekilde sabit tutulup, türbülatörlerin kanat açıları 55, 65, 75 ve 90 olarak değiģtirilmiģ ve elde edilen değerler grafiklerde gösterilmiģtir (ġekil 6-11). Grafiklerden, kanat açısı küçüldükçe ısı transferinin ve basınç düģüģünün arttığı ve maksimum değerin 55 lik kanat açısında elde ediği tespit edilmiģtir Reynolds sayısı aralığında Nusselt sayısının, zıt yönlü akıģta aynı yönlü akıģtan % 9-10 oranında fazla olduğu tespit edilmiģtir. Türbülatör delik geometrisine bakıldığında aynı reynolds sayısı aralığında ( ) dairesel delikli türbülatörde ki nusselt sayılarının dikdörtgen delikliden % 5-9 oranında yüksek olduğu tespit edilmiģtir. ġekġl-7 2x7mm Dört Dikdörtgen Delikli Isı DeğiĢtirgecinde Re Sayısına Göre Basınç DüĢüĢü Türbülatörsüz ısı değiģtirgecine göre ısı transferi, dikdörtgen delikli türbülatörde 1,2 ile 1,8 kez dairesel delikli türbülatörde 1,1 ile 2 kez artıģ göstermiģtir. V. SONUÇ Yapılan çalıģmada iç içe borulu ısı değiģtirgeçlerinde iç borunun giriģ bölümüne, kanatlarında aynı sayıda, farklı geometride delikler bulunan türbülatör kullanılarak akıģkana dönme etkisi verilerek ısı transferi ve basınç düģüģü incelenmiģtir. Deneyler sonucunda aynı Reynolds sayısı aralığında, dairesel delikli türbülatördeki ısı transfer artıģının dikdörtgen delikli türbülatörden % 5-9 oranında daha iyi olduğu, buna karģılık basınç düģüģündeki artıģın %15-50 olduğu tespit edilmiģtir. Reynolds sayısının artıģıyla basınç düģüģündeki fark artmaktadır. Delik geometrisinin basınç düģüģündeki etkilerinin daha fazla olduğu tespit edilmiģtir. ġekġl-8 Aynı yönlü Paralel AkıĢlı 5mm Delik Çaplı Dört Dairesel Delikli Türbülatör Re Nu değiģimi 251

5 SEMBOLLER ġekġl-9 5mm Dairesel Delikli Türbülatörlü Isı DeğiĢtirgeçlerinde Re Sayısına Göre Basınç DüĢüĢü A: Alan(m 2 ) C p : Özgül ısı (kj/kg K) d e : Etkin Çap(m) h: Isı taģınım katsayısı(w/m 2 K) k: AkıĢkanın ısı iletim katsayısı(w/mk) ṁ: AkıĢkanın kütlesel debisi(kg/h) Nu: Nusselt Sayısı Pr: Prandl Sayısı Q: Isı değiģim miktarı(w) Pr: Prandl Sayısı Re: Reyold Sayısı U m : Ortalama hız(m/s) T : Ortam Sıcaklık T s : Yüzey Sıcaklığı T i : GiriĢ Sıcaklığı T o : ÇıkıĢ Sıcaklığı : Kinematik viskozite(m 2 /s) ġekġl-10 Zıt yönlü Paralel AkıĢlı Dört Dairesel Delikli 5mm delik çaplı Türbülatörlü Isı DeğiĢtirgeçlerinde Nu- Re DeğiĢimi KAYNAKLAR [1] Klein, S. J.Cantwell, B. J. And Lilleey, G. M., 1981, Afosr -HTTM-Stanford Conference on Complex Turbulent Flows. [2] Sparrow Chaboki Turbulent Fluid Flow and Heat Transfer in a Circular Tube", ASME Journal of Heat Transfer. 106 (1984) [3] Küçük, H., Bali, T. ve Ayhan, T., Boru GiriĢine YerleĢtirilen Konik Yüzey Halkalı Türbülatörlerin Isı Transferi ve Sürtünme Faktörüne Etkilerin Deneysel Ġncelenmesi, ULIBTK. Sakarya [4] A.DurmuĢ, Heat Transfer And Exergy Loss In A Concentric Heat Exchanger With Snail Entrance Int. Comm. Heat Mass Transfer, Vol. 29, No. 3, Pp ,2002 [5] A.DurmuĢ, I. KurtbaĢ, F. Gulcimen and E. Turgut Int. Comm. Heat Mass Transfer, Vol. 31, No.1, pp , 2004 [6] E.Kavak, Y.Biçer,C.Yıldız,D.Pehlivan Heat Transfer Enhancements In A Concentric Double Pipe Exchanger Equipped With Swirl Elements Int. Comm. Heat Mass Transfer, Vol. 31, No. 6, 2004 [7] Irfan KurtbaĢ, Aydın DurmuĢ, Haydar Eren Emre Turgut Effect of propeller type swirl generators on the entropy generation and efficiency of heat exchangers 2006 [8] N.Sahiti, F. Krasniqi, Xh. Fejzullahu, J. Bunjaku, A. Muriqi Entropy generation minimization of a double-pipe pin fin heat exchanger 2008 ġekġl-11 Zıt yönlü Paralel AkıĢlı Dört 2x7 mm delikli Türbülatörlü Isı DeğiĢtirgeçlerinde Nu- Re DeğiĢimi 252