Çapraz Akışlı Paralel Borulu Boru Demetinde Entropi Üretiminin Analitik ve Deneysel Olarak İncelenmesi

Transkript

1 Çukurova Üniveritei Müenilik Mimarlık Fakültei Dergii, 3(), , Haziran 206 Çukurova Univerity Journal of te Faculty of Engineering an Arcitecture, 3(), pp , June 206 Çapraz Akışlı Paralel Borulu Boru Demetine Entropi Üretiminin Analitik ve Deneyel Olarak İncelenmei Alper YIMAZ, uncay YIMAZ 2 Çukurova Üniveritei, Müenilik -Mimarlık Fakültei, Otomotiv Müeniliği Bölümü, Aana 2 Omaniye Korkut Ata Üniveritei, Müenilik -Mimarlık Fakültei, Makine Müeniliği Bölümü, Omaniye Özet Geliş tarii: Kabul tarii: ıcak atık gazlaran ıvıya ıı tranferine en ok kullanılan ıı eşanjörlerinen biri e apraz akışlı boru emeti ıı eşanjörleriir. Boru ışınan genele gaz ve boru iinen e ıvı akmaktaır. on yıllara ıı eşanjörlerinin boyutlanırılmaına en önemli kriter olarak minimum entropi etimi ea alınmaktaır. Bu alışmaa, abit uvar ıcaklığına boru ışınan akan avanın ıı tranferinen ve baın kaybınan olayı entropi etiminin eaplanmaı iin gerekli eşitlikler ıkarılmış ve ölülen eğerleren em ıı tranferi em e baın kaybınan olayı entropi etimleri belirlenmiş ve bulunan eğerler tartışılmıştır. Anatar Kelimeler: Iı eşanjörü, Boru emeti, Iı tranferi, Baın kaybı, Entropi etimi Analytical an Experimental Invetigation of Entropy Generation for an In-line Cro-flow ube Bank Abtract One of te mot commonly ue eat excanger for wate eat recovery from ot flue gae i croflow tube bank eat excanger. Generally, ga flow outie of te tube an liqui flow inie te tube. In recent year, minimum entropy generation i taken a te mot important criterion for te imenioning of eat excanger. In ti tuy, equation are erive for te calculation of entropy generation ue to bot eat tranfer from ot flue gae tat flow outie of te tube bank an preure loe at contant wall temperature. Generate entropie are etermine bot ue to eat tranfer an ue to preure loe an tey are icue. Keywor: Heat excanger, ube bank, Heat tranfer, Preure lo, Entropy generation Yazışmaların yapılacağı yazar: Alper YIMAZ, Müenilik Mimarlık Fakültei, Otomotiv Müeniliği Bölümü, Aana. alpyil@cu.eu.tr Ç.Ü.Mü.Mim.Fak.Dergii, 3(), Haziran

2 Çapraz Akışlı Paralel Borulu Boru Demetine Entropi Üretiminin Analitik ve Deneyel Olarak İncelenmei. GİRİŞ Çapraz akışlı boru emeti ıı eşanjörleri bilaa ıı geri kazanımına en ok kullanılan ıı eşanjörlerinen biriir. Bu ıı eşanjörlerine gaz tarafı kirlilik oranı egzoz gazlarınan oluğu gibi yükek oluğunan kanatıkız borular terci eilmekteir. Iı eşanjörlerinin optimum taarımı iin eşitli yöntemler önerilmekteir [, 2]. Bu yöntemlere genel olarak verilen bir baın kaybına ve ıı aktarımına minimum ıı eşanjör keit alanı [3-6] veya minimum ıı eşanjör acmi [7-0] eef alınmaktaır. Bazılarına ie verilen bir baın kaybı ve ıı aktarımına minimum eşanjör ilk yatırım ve işletme maliyeti itenmekteir. []. Ancak termoinamik aıan en uygun görülen ıı eşanjörüne ıı tranferi ve baın kaybı aıınan minimum entropi etiminin eeflenmeiir []. Bunun iin bu alışmaa, em ıı tranferi em e baın kaybınan olayı entropi etimi incelenmiştir. 2. DENEY DÜZENEĞİ 2.. Deney Düzeneğinin Şematik Görünümü Deney üzeneği Şekil e şematik olarak göterilmiştir. V vantilatörüyle ışarıan emilen ava, atık ava ile apraz akışlı levalı bir ıı eşanjörü olan E2 e ön ııtmaya tabi tutulmaktaır. Bu ava ıınmış u ile e bir miktar aa ııtılarak ava ııtıcıı (HI) na itenen ıcaklığa getirilerek eney eşanjörü (DE) ne verilmekteir. Buraa oğutma kuleine oğutulmuş ve abit bir ıcaklıkta tutulmak iin u ııtıcıı (I) nan geirilen u avayı oğutmak iin kullanılmaktaır. Buraan ıkan u DE eney eşanjörüne verilerek ııtılmaktaır. Deney eşanjörünen ıkan ava, E2 eşanjörüne ıcaklığı üşülükten onra atmofere atılmaktaır. Deney eşanjörüne ııtılan u a ıcaklığı E eşanjörüne üşülmekte ve onra a oğutma kulei (K) a ıcaklığı tekrar üşülerek, P pompaı vaıtaıyla u ııtıcıına gönerilmekteir. DE Deney eşanjörü F u filtrei DÖ u ebii öler D temiz ava / ıcak u eşanjörü Va Vana Ö ıcaklık öler D2 Atık ava / temiz ava eşanjörü P Pompa BÖ Mutlak baın öler H Hava ııtıcıı D Hava amperi BFÖ Baın farkı öler I u ııtıcıı HF Hava amperi V Vantilatör Şekil. Deney üzeneğinin şematik görünümü 224 Ç.Ü.Mü.Mim.Fak.Dergii, 3(), Haziran 206

3 Alper YIMAZ, uncay YIMAZ Deney üzeneği ve ölme itemleri akkına ayrıntılı bilgi aa önceki bir alışmaa verilmiştir [3] Deney Eşanjörü Deney eşanjörü aptırılmış borular şekline olup, görünüm ve boyutları Şekil 2 ve 3 te göterilmiştir Ölümler iteme tüm eşanjörler, ava ve u ııtıcıları ile oğutma kulei giriş ve ıkış ıcaklıklarını belirlemek iin P00 enörleri kullanılmaktaır. Eşanjörlerin giriş ve ıkışlarına baın farkları ölülecek uruma getirilmiştir. Şekil e eney üzeneği akış şemaı üzerine ölüm noktaları göterilmiştir. u ebii ebi eğerine göre rotametre, rotametre 2 ve elektronik ebi öler ile ölülmüşt. Bunların kalibrayon eğrileri ıkarılmış olup, Şekil 4, 5 ve 6 a göterilmiştir. Hava ebii ölümü ie pitot tüpü yarımıyla gerekleştirilmiştir. Buraaki ve eney eşanjörüneki baın farkları baın fark enörleri ve ata logger üzerinen bilgiayara aktarılmıştır. Şekil 2. Deney eşanjörünün (DE) görünümü ve boyutları Ç.Ü.Mü.Mim.Fak.Dergii, 3(), Haziran

4 Çapraz Akışlı Paralel Borulu Boru Demetine Entropi Üretiminin Analitik ve Deneyel Olarak İncelenmei belirlenmiş ve tranfer eilen ıı bunların ortalamaı alınmıştır: olarak a 2 (5) Şekil 3. Deney eşanjörünün (DE) boru izilimi ve evre şemaı 3. DENEY DÜZENEĞİNDE YAPIAN ÖÇÜMERİN DEĞERENDİRİMEİ 3.. ranfer Eilen Iı ve Baın Kaybının Belirlenmei Deney eşanjörüne tranfer eilen ıı M c p () M c p g (2) g Eşitlikleriyle belirlenmiştir. u ve ava ebileri olup, m m g 2 c p M ve ve c p M e ölülen (3) g 2 (4) Şekline eaplanan ortalama ava ve u ıcaklıklarına belirlenen avanın ve uyun özgül ıılarıır. Ölülen ıcaklıklar yarımıyla ve P Deney eşanjörüne baın kaybı baın fark öler tarafınan oğruan ölülmüşt. Deney eşanjörüne akış yönüne borular araı meafe ve akışa ik yöne meafe aşağıaki şekile boru ış apı ile boyutuz ale getirilmiştir: (6) (7) Deney eşanjörüne ilgili eğerler aşağıa verilmiştir. umax 5 ; N 32 ; N 6 ; 2. 5 u 3 ;, 25 (8) Buraa ızı, u u max boru emeti iineki en yükek ava eşanjöre girmeen önceki boruuz N N eşanjöreki ava ızı, ve akış yönüne ve akışa ik yöneki boru ayılarıır Entropi Üretiminin Heaplanmaı Bir akışta entropi etimi, (9) M M g g eşitliğinen belirlenir. Buraa g girişi ve e ıkışı embolize etmekteir. ekli akışta 0 olacağınan, etilen entropi, 226 Ç.Ü.Mü.Mim.Fak.Dergii, 3(), Haziran 206

5 Alper YIMAZ, uncay YIMAZ M M g g (0) Eşitliğinen bulunmalıır. Bu eşitlikte toplam yerine integral yazılarak, Şekil 4 te eney eşanjörüneki ava ve u tarafınaki ıcaklık eğişimleri şematik olarak göterilmiştir. M g g () şekline gelir. Bu eşitliğin iferaniyel yazımı a, M (2) şeklineir. Buraaki entropi farkı ve i enerjiler aşağıa verilen eşitlikler yarımıyla eaplanabilir. Buraa akışkan, eney eşanjörüne e kabul eilebileceği üzere, ieal gaz olarak kabul eilmiştir. u p v u p v u p v v p v p v p p R p (3) (4) (5) (6) (7) (8) Eşitlik 2 entegre eiliğine ve iin Eşitlik 8 kullanılığına, Eşitlik 9 ele eilir: p M R p (9) Bu eşitliğin entegrayonunan a Eşitlik 20 bulunur: M c p P ln R ln (20) g Pg Şekil 4. Deney eşanjörüne gaz ve uvarın ıcaklık eğişimi Kullanılan ıı eşanjörüne (DE) uvar ıcaklığı u ıcaklığına eşit alınabilir. Ayrıca eşanjör boyunca ıcaklık eğişimi e lineer kabul eilebilir. Bu uruma uvar ıcaklığı iin Eşitlik 2 yazılabilir: x wi x (2) Ayrıca ıı tranferinen olayı entropi etimi iin Eşitlik 22 geerliir. 0 (22) Eşanjör iine ıı tranferi katayıı, kolon ayıı N ok oluğu iin (6 aet), abit kabul eilebilir. Böylece e Eşitlik 23 yazılabilir: x x (23) Buraaki boyutuz koorinat tarif eilmiştir: x x / x aşağıaki gibi (24) Eşitlik 22 ve 23 ten Ç.Ü.Mü.Mim.Fak.Dergii, 3(), Haziran

6 Çapraz Akışlı Paralel Borulu Boru Demetine Entropi Üretiminin Analitik ve Deneyel Olarak İncelenmei x x (25) g bağıntıı bulunur. g m g ln g (33) Buraan a (26) a g g tanımlarıyla aşağıaki eşitlikler ele eilir: g x ax 0 (27) (28) g ln a a (29) ln g (30) Ortalama bir uvar ıcaklığı tarifi ile eşt. (3) yazılabilir: (3) m Buraa ortalama uvar ıcaklığı aşağıaki gibi tarif eilmiştir: m ln g (32) Bu eşitliğe göre m eğeri logaritmik ortalama bir uvar ıcaklığıır. Bu eğerlerle entropi etimi Eşitlik 20 en aşağıaki gibi ele eilir: M Buraa R c P p ln R ln (34) g Pg m avanın gaz abiti, P gazın eşanjöre giriş ve ıkış baınlarıır. Ayrıca gg g ve P g M c p (35) oluğunan ln g gg bulunur. Buraa ıcaklığıır: gm gg ln gg g g g m gm m e (36) gm logaritmik ortalama gaz (37) Böylece Eşitlik 20 aşağıaki gibi yazılabilir: P M R ln (38) m gm Pg Ayrıca, eşanjör baın kaybı P ile 228 Ç.Ü.Mü.Mim.Fak.Dergii, 3(), Haziran 206

7 Alper YIMAZ, uncay YIMAZ P (39) P g P oluğunan, Eşitlik 38 aşağıaki uruma gelir: P gm m M R ln (40) gm m Pg Eşitlik 35 kullanılarak Eşitlik 40 aşağıaki gibi yazılabilir: k gm m ln P (4) gm m gg g k Buraaki eğeri izantropik gaz abitiir. Entropi etimi, q, p (42) P k, p ln P (48) gg g Bu eşitliklerle,, q,, p ve bunların birim tranfer eilen ııya göre özgül eğerleri eaplanabilir oplam ve Özgül Entropi Üretimi Şekil 5 te ıı tranferi ve baın kaybınan olayı entropi etimi etimi, q,, p ile toplam entropi eşanjör ava giriş ızının fonkiyonu olarak göterilmiştir. Düşük ızlara baın kaybınan olayı entropi etimi ok üşükt. Eğrileren bu entropi etimlerinin ancak yaklaşık 5 m/ ızına eşit olabilecekleri anlaşılmaktaır. Şekline ıı tranferi ve baın kaybınan olayı olmak üzere ikiye ayrılabilir. Bunların tarifi aşağıa verilmiştir: gm m q (43), gm m m gm M R ln (44) k P ln P, p gg g Birim tranfer eilen ııya göre etilen entropi e k ln P (45) m gm gg g (46), q, p, q m (47) gm Şekil 5. DE ne entropi etiminin eşanjör ava giriş ızı ile eğişimi Şekil 6 a ıı tranferi ve baın kaybınan olayı özgül entropi etimi,, p ile toplam, q özgül entropi etimi eşanjör ava giriş ızının fonkiyonu olarak göterilmiştir. Eğrileren, özgül entropi etimlerinin avranışlarının entropi etimlerininkine benzer oluğu görülmekteir. Ç.Ü.Mü.Mim.Fak.Dergii, 3(), Haziran

8 Çapraz Akışlı Paralel Borulu Boru Demetine Entropi Üretiminin Analitik ve Deneyel Olarak İncelenmei Şekil 6. DE ne özgül entropi etiminin eşanjör ava giriş ızı ile eğişimi 4. ONUÇAR Çapraz akışlı paralel boru emeti ıı eşanjörüne üşük ızlara baın kaybınan olayı entropi etimi ok üşük olup ıı tranferinen olayı gerekleşen entropi etimi toplam entropi etimine cii yer kaplamaktaır. Entropi etimlerinin ancak yaklaşık 5 m/ ızına eşit olabilecekleri anlaşılmaktaır. Özgül entropi etimlerinin avranışlarının entropi etimlerininkine benzer oluğu görülmekteir. 5. EŞEKKÜR Bu alışma EYDEB nolu proje kapamına azırlanmış olup, übitak ve Barış eknolojik eiat i. İnş. an. ve ic. t. şirketine katkılarınan olayı teşekk eeriz. 6. KAYNAKAR. Zukauka, A., 987. Convective Heat ranfer in Cro Flow, in Hanbook of ingle Pae Convective Heat ranfer, e.. Kakac, R. K. a, W. Aung, pp. 6/-6/45,Wiley, New York. 2. Gai, E.., 200. Preure Drop of ube Bunle in Cro Flow, in VDI Heat Atla, e. VDI, pp pringer Verlag, Berlin- Heielberg. 3. Gnielinki, V., 200. Heat ranfer in Cro Flow Aroun ingle Row of ube an roug ube Bunle, in VDI Heat Atla, e. VDI, pp pringer Verlag, Berlin- Heielberg. 4. Bejan, A., E., ciubba, E., 992. e Optimal pacing of Parallel Plate Coole by Force Convection, International Journal of Heat an Ma ranfer,vol. 35,pp Yılmaz, A., Yılmaz,., Büyükalaca, O., Optimum ape an Dimenion of Duct for Convective Heat ranfer in aminar Flow at Contant Wall emperature, International Journal of Heat an Ma ranfer.vol. 43, pp Yılmaz, A., Optimum engt of ube for Heat ranfer in urbulent Flow at Contant Wall emperature, International Journal of Heat an Ma ranfer, vol. 5, pp Yılmaz A., Yılmaz., 205. Optimum Deign of Cro-Flow in-ine ube Bank at Contant Wall emperature, Heat ranfer Engineering, Accepte for Publication. 8. Yılmaz, A., 205. Dimenioning of Duct for Maximal Volumetric Heat ranfer aking Bot aminar an urbulent Flow Poibilitie into Conieration, Heat an Ma ranfer, Volume 5(4), Bejan, A., 995. e Optimal pacing for Cyliner in Croflow Force Convection, AME Journal of Heat ranfer, vol. 7, pp Fowler, A. J., eezma, G. A., an Bejan, A., 997. Optimal Geometric Arrangment of taggere Plate in Force Convection, International Journal of Heat an Ma ranfer, vol. 40, pp Mato, R.., Varga, J. V. C., auren,. A., aboya, 200. F. E. M., Optimization tuy an Heat ranfer Comparion of taggere Circular an Elliptic ube in Force Convection, International Journal of Heat an Ma ranfer, vol. 44, pp Mato, R.., Varga, J. V. C., auren,. A., Bejan, A., Optimally taggere Finne Circular an Elliptic ube in Force Convection, International Journal of Heat an Ma ranfer, vol. 47, pp Muralikrina, K., Heat Excanger Deign arget for Minimum Area an Cot, Intitution of Cemical Engineer, ran. I CemE, vol. 78, Part A, pp Ç.Ü.Mü.Mim.Fak.Dergii, 3(), Haziran 206