THE EFFECT OF A PROPELLER TYPE TURBULATOR ON HEAT TRANSFER WHICH MOUNTED ON HEAT EXCHANGER

Transkript

1 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sepozyuu (IATS 09, Mayıs 2009, Karabük, Türkiye ISI DEĞİŞTİRİCİSİNE YERLEŞTİRİLEN PERVANE TİPİ TÜRBÜLATÖRÜN ISI TRANSFERİ ÜZERİNDEKİ ETKİSİ THE EFFECT OF A PROPELLER TYPE TURBULATOR ON HEAT TRANSFER WHICH MOUNTED ON HEAT EXCHANGER Rasi BEHÇET a, *, Cuali İLKILIÇ b ve Hüseyin AYDIN c a, * Batan Üniversitesi Teknik Eğiti Fakültesi, Batan, Türkiye, E-posta: rbehcet@dicle.edu.tr b Fırat Üniversitesi Teknik Eğiti Fakültesi, Elazığ, Türkiye, E-posta: cilkilic@firat.edu.tr c Batan Üniversitesi Teknik Eğiti Fakültesi, Batan, Türkiye, E-posta: huseyyinaydin@gail.co Özet Bu çalışada, boru içi akışlarda ısı transferinin iyileştirilesi aacıyla ısı değiştiricinin giriş kısına döneli hava akışını gerçekleştirek için pervane tipi bir türbülatör yerleştirilerek türbülatörün ısı transferi ve basınç kaybı üzerindeki etkileri deneysel olarak inceleniştir. Deney düzeneğinde ısı transfer edilen akışkan olarak su ve suya ısı transfer eden akışkan olarak da hava kullanılıştır. Deneylerde yapılan ölçülerle elde edilen veriler kullanılarak gerekli bağıntılar yardııyla ısı transferi ve basınç kaybı etkileri 8000 ile arasında değişen Reynolds sayıları için hesaplanıştır. Türbülatürlü boru ile boş boru değerleri karşılaştırıldığında; ortalaa olarak ısı transferindeki 4.25 kat artışa karşılık basınç kayıplarında da 5.15 kat civarında artış oluştur. Ayrıca sistein ekserji analizi yapılarak iyileştire tekniğinin terodinaik açıdan avantajlı olup oladığı inceleek için boyutsuz ekserji kaybının Reynolds sayısına bağlı değişii çiziliştir. Yaklaşık aynı Reynolds sayılarında boş boru ile türbülatörlü borudaki ekserji kaybı ukayese edildiğinde boş borudaki ekserji kaybı türbülatörlü boruya nazaran 3 kat daha fazla oluştur. Böylece iyileştire tekniğinin terodinaik açıdan da avantajlı olduğu görülüştür. Anahtar Kelieler: Döneli akış, Isı değiştirici, Isı transferi, Basınç düşüü, Ekserji Abstract In this study, the effects of a propeller type turbulator which was ounted at the entrance of heat exchanger to obtain turbulence flow for the ai of iprove heat transfer by flow in pipes on pressure loss and heat transfer were experientally investigated. In the experients air was used as a fluid which transfers heat to the water. The effects of heat transfer and pressure loss for Reynolds nubers between 8000 and was calculated fro experiental results and by equations. When the values of flow in pipe with turbulator and without turbulator were copared, heat transfer was increased about 4.25 ties while pressure loss was about 5.15 ties higher. Besides, exergy analysis was ade to realize whether this ethod was therodynaically was advantageous by non-diensional exergy losses versus Reynolds nuber. For alost the sae Reynolds nuber, the exergy loss without turbulator was 3 ties higher than that for a propeller turbulator ounted systes. Thus, it was concluded that the iproveent ethod was therodynaically advantageous. Keywords: Swirl flow, Heat Exchanger, Heat transfer, Pressure drop, Exergy 1. Giriş Son zaanlarda belirli tekniklerin kullanılasıyla ısı transferinin arttırılası konusunda birçok çalışa yapılıştır. Bu çalışaların bir kısı da ısı değiştiricisinin iç borusuna değişik tip eleanlar yerleştire ile ilgilidir. Bu aaçla birçok iyileştire tekniği geliştiriliştir. En genel halde konveksiyonla ısı transferinde kullanılan iyileştire tekniği ısı transfer katsayısının artırılasına yardıcı olan dizayn değişiidir. Isı transferini iyileştirici teknikler olarak; ısı değiştirici boyutlarının azaltılası, sıcak ve soğuk akışkanlar arasındaki sıcaklık farkının düşürülesi, ısı üreti hızının sabit olduğu durularda ısı transferi etkinliğinin arttırılası ve akışkana döne hareketi verek aacıyla borular içerisine türbülatör yerleştirilerek döneli akışların eydana getirilesi çalışalarıdır. Döneli akışlar; sarılı teller, spiral kanatçıklar, bükülüş şeritler ve pervaneler gibi cisilerin akış ortaına yerleştirilesiyle eydana getirilektedir. Sönülee özelliğine göre döneli akışlar; sürekli döneli akış ve azalan döneli akış olak üzere iki kısıda incelenektedir. Sürekli döneli akışta döneyi eydana getiren elean kanal içerisine boydan boya yerleştirilekte azalan döneli akışta ise dönede etkili olan elean kanalın girişine yerleştirilektedir. Döneli akış oluşturarak ısı transferini artırak aacıyla helisel olarak bükülüş şeritler kullanılarak değişik Reynolds sayılarında yapılan deneysel çalışalarda ortalaa ısı transferindeki artış % civarında gerçekleşirken basınç düşüünü de % artırıştır[1, 2]. Sürekli ve azalan döneli akışın ısı transferi ve basınç kaybına etkisi Blackwelder ve Kerith[3] tarafından inceleniştir. Seban ve Hunsbedt[4], annular bir boru içerisinde akan suya döneli akış kazandırak için helisel olarak bükülüş kanatcık kullanarak sürekli döneli akış elde edip sürtüne ve ısı transferi karakteristiklerini deneysel olarak inceleişlerdir. Kreith ve Sonju[5]' nun çalışası ta gelişiş türbülanslı döne azalasının teorik ve deneysel incelenesini içerektedir. Radyal kanatlı bir türbülatör ile oluşturulan azlan döneli akış üzerine bir deneysel çalışa da Zaherzadeh ve Jagadish[6]] tarafından yapılıştır. Çalışada, türbülatör genişliği, çapı ve kanat sayısının ortalaa Nusselt sayısına etkileri araştırılıştır. Algifri ve arkadaşları[7] IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye

2 tarafından yapılan çalışada da sabit ısı akısı altında ısıtılan bir boru boyunca, hava için azalan döneli akışta ısı transfer katsayıları belirleniştir. Change ve Dhir[8]'in çalışa ise döneli akış elde etek aacıyla borunun girişine yerleştirdikleri enjektörler ile hava göndererek boru boyunca türbülanslı akıda, hız alanı ve döne yoğunluğunun incelenesi ile ilgilidir. Yılaz ve arkadaşları[9], döneli akış elde etek için radyal kanatlı döneli akış üreteci kullanarak azalan döneli akışın ısı transferi, sürtüne ve perforans karakteristiklerine olan etkisini deneysel olarak inceleiştir. Azalan döneli akışı sağlaak için boru içerisine döner tip türbülatör yerleştirerek türbülatörün ısı transferi ve basınç kaybı etkileri deneysel olarak farklı araştıracılar tarafında inceleniştir[10-12]. Isı transferi işleleri doğal olarak tersinez(sürekli entropi üreten ve yararlı enerjiyi yok eden işlelerdir. Bu nedenle ısı transferi işlelerinin yararlı enerjiyi nasıl israf ettiğini ve bu israfı en aza indirek için nelerin yapılası gerektiğinin bilinesi gerekir[13]. Bu israfı azaltanın yolu da konveksiyonla ısı transferinde entropi üretiini en aza indirektir. Isıl sistelerde optiu ialat şartlarına sistelerdeki entropi üretiinin iniizasyonu ile ulaşılabilir[14]. Bu nedenle ısıl sistelerin dizaynında ikinci kanun analizi yapılarak entropi üretii ve onun iniizasyonu kavraıyla ilişkilendirilelidir. Entropi üretiinin iniize edile yöntei son zaanlarda ısı değiştiricileri, enerji depolaa sisteleri ve elektronik soğuta araçları gibi alanlarda uygulanaya başlanıştır. Isı transfer işlelerinin entropi üretiine bağlı olarak terodinaik tersinezlik ile değerlendirilesi gerekir. İşlein tersinezliği ile işlede kaybolan faydalı işin iktarı arasında doğrudan bir ilişki söz konusudur[15]. Bu çalışada da ısı transferinin iyileştirilesi aacıyla ısı değiştiricinin giriş kısına yerleştirilen türbülatör ile döneli hava akışı gerçekleştirilerek türbülatörün ısı transferi ve basınç kaybına yaptığı etkiler deneysel olarak inceleniştir. 2. Deney Düzeneği ve Deneysel Yönte Şekil 1 de deney düzeneğinin şeatik görünüü veriliştir. Şekil 1. de görüleceği gibi Isı değiştirici, içinden sıcak hava geçen, iç çapı 54.7, ve dış çapı 60.3 ve uzunluğu 2 olan bir alüinyu boruya, soğuta aacıyla dıştan spiral bir şekilde 6.2 iç çaplı bakır borudan eydana geliştir. Isı transfer uzunluğu dir. Soğuta, bakır borunun içinden geçen ve şebekeden gelen soğuta suyu ile sağlanaktadır. Şekil 1. Deney düzeneğinin şeatik görünüü Soğutanın hoojen olasını sağlaak aacıyla sarılı bakır boru bir yağ banyosu içinde tutulaktadır. Isı değiştirici, iç çapı 81.5 olan bir galvanizli boru içine yerleştiriliş ve giriş-çıkış flanşları arasında erkezleniştir. Bu dış boru üzerinde yağ koyaya yarayan ve sıcaklık arttığında yağın genleşesine ikân sağlayan atosfere açık bir yağ tapası evcuttur. Isı değiştirici çevreye ısı kaybının önlenesi aacıyla ca yünü ile izole ediliştir. Giriş ve çıkışta kullanılan fiber flanşlar yardııyla da eksenel ısı kaybı en aza indiriliştir. Fiber flanşlara açılan basınç prizlerinden giriş ve çıkışta statik basınçlar ve boru boyunca basınç kaybı 0.1SS hassasiyetli etil alkollü anoetre yardııyla ölçülektedir. Deney düzeneğinde ısı transfer edilen akışkan olarak su ve suya ısı transfer eden akışkan olarak da hava kullanılıştır. Hava, sistede kullanılan hava fanı tarafından ortadan eilerek hava ısıtıcısına gönderilektedir. Siste kararlı reji haline geldikten sonra değişik Reynolds sayılarında ölçüler alınıştır. Deneylerde tü sıcaklıklar NiCr-NiAl terokupl çiftleriyle ölçülüştür. Alüinyu boru üzerine 100 aralıkla 21 adet terokupul yerleştiriliş olup bu terokupulların diğer uçları da bir Data-Loger vasıtasıyla bilgisayara bağlanıştır. Boruya giren havanın sıcaklığı ve debisi kullanılan varyak ile ayarlanabilektedir. Böylece kararlı reji duruu için değişik Reynolds sayılarında deneyler yapılarak gerekli ölçüler alındıktan sonra kullanılan bilgisayar prograı vasıtasıyla belirli zaan aralıklarında boru üzerindeki 21 noktada cidar sıcaklıkları, havanın boruya giriş-çıkış sıcaklıkları, soğuta suyunun giriş-çıkış sıcaklıkları ve çevre sıcaklık verileri aynı anda okunup bilgisayara kaydediliştir. Deneyler, önce boş boru için daha sonra da boru girişine pervane tip türbülatör yerleştirilerek yapılıştır. Deneylerde yapılan ölçülerle elde edilen veriler kullanılarak gerekli bağıntılar yardııyla ısı transferi ve basınç kaybı etkileri 8000 ile arasında değişen Reynolds sayıları için hesaplanıştır.

3 Ayrıca sistein ekserji analizi yapılarak iyileştire tekniğinin terodinaik açıdan avantajlı olup oladığıı inceleiştir. 3. Hesaplaa Yöntei Isı transfer hesaplaalarında, ince cidar yaklaşıından boru kalınlığının ısıl direnci ihal edilerek yalnızca akışkan sıcaklığından yararlanılış olup kullanılan havanın fiziksel özellikleri, ısı değiştiricisine giren-çıkan havanın aritetik ortalaa sıcaklıklarına göre alınıştır. Her bir duru için, havanın suya verdiği ısı iktarı, hava için Reynolds sayısı, logaritik ortalaa sıcaklık farkı, havanın ısı taşını katsayısı, Nusselt sayısı, basınç kayıp katsayısı ve ekserji kaybı değerleri için hesaplaalar yapılıştır. Terodinaiğin birinci kanununa göre; sıcak akışkanın verdiği ısı soğuk akışkan tarafından transfer edildiği kabul edilerek paralel akışlı ısı değiştiricisi için alınan veya verilen ısı iktarı, Q h Ph hg hç s Ps sg sç = C ( T T = C ( T T (1 bağıntısı ile hesaplanıştır. Hava için Reynolds sayısı U.d e Re = (2 ν eşitliği ile hesaplanıştır. Ortalaa ısı transferi katsayısı, akışkanlar arasında transfer edilen ısı iktarının akış kesiti ve logaritik ortalaa sıcaklık farkına bölünesi ile bulunuştur. h Q = (3 A T Buradaki A, sıcak akışkanın geçtiği kesit alanını ve T ise hava ile duvar arasındaki logaritik ortalaa sıcaklık farkı olup şu şekilde ifade edilektedir. ( Tw Thg ( Tw Thç T (4 ( Tw Thg ln ( T T w hç Ortalaa Nusselt sayısı, ince cidar yaklaşıından boru kalınlığının ısıl direnci ihal edilerek ve yalnızca akışkan sıcaklığından faydalanılak suretiyle h Nu d e = (5 ν eşitliği ile hesaplanıştır. Boş boruda soğuta duruu için Nusselt sayısı, Gnielinski[16] tarafından aşağıdaki şekilde veriliş olan bağıntı ile hesaplanıştır Tc ( f / 2(Re 1000 Pr Nu = ( Th ( f / 2 (Pr 1 Burada f, Filonenko sürtüne faktörü olup aşağıdaki şekilde verilektedir[17]. 2 f = (1.58ln Re 3.28 (7 Deneysel olarak sürtüne faktörü ise, ölçülen basınç düşüşü Ρ 'nin oentu değişii dolayısıyla düzeltildiği f d h P ( ( A ρ hç ρ hg = (8 4L ρ hu D 2 eşitliği ile verilektedir[17]. Bu eşitlikteki h, havanın kütlesel debisini; ρ, akışkan yoğunluğunu; A, boru kesit alanını ve U, ortalaa akışkan hızını gösterektedir. Isı değiştiricilerinin iç borusuna türbülatör yerleştirek suretiyle bu cihazların etkinliği incelenirken yalnızca enerji bilançosu açısından değil aynı zaanda enerjinin kullanılabilirliliği de dikkate alınalıdır. Bu da ısıl sistelerin Terodinaiğin II. Kanununa göre analiz edilesiyle ükündür. Bu nedenle boyutsuz ekserji kaybı, γl ( 1 e 1+ τe f ReSBr 1+ τe ln (9 1+ τ 8Nu ( 1+ τ e Ψ = τ + ln + bağıntısı yardııyla hesaplanıştır[18]. Burada SBr,τ ve µ U 2 T γ değerleri sırasıyla SBr = 1 hw τ =, γ = λt w T w c P bağıntılarıyla tanılanaktadır. 4.Sonuçlar ve Değerlendire Nusselt Sayısı Glieniski[16] Türbülatörlü Boru Şekil 2. Nusselt sayısının Reynolds sayısına bağlı olarak değişii

4 Şekil 2 de ortalaa Nusselt sayısının Reynolds sayısına bağlı değişii gösteriliştir. Şekilden de görüldüğü gibi pervane tipi türbülatörün kullanılası sonucu oluşturulan döneli akış ve türbülans nedeniyle sınır tabaka incelerek ısı transferinde içi boş ısı değiştiricisine göre; ortalaa olarak 4.25 kat artış sağlanıştır. Düşük Reynolds sayılarında türbülatörün ısı transferi üzerindeki etkisi az olakta ancak bu etki giderek artakta yüksek Reynolds sayılarında bu etki aksiu değere ulaşaktadır. Sürtüne Faktörü(f 0,05 0,045 0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 Flinenko[17] Türbülatörlü boru Şekil 3. Sürtüne Faktörünün Reynolds sayısı ile değişii Şekil 3 de Reynolds sayısının fonksiyonu olarak türbülatörün ısı değiştiricisi boyunca sürtüne katsayısında eydana getirdiği artış çiziliştir. Tütbülatörlü boru ile türbülatörsüz borunun basınç kayıpları karşılaştırıldığında, aynı Reynolds sayılarında basınç kayıplarında ortalaa olarak 5.15 kat artış oluştur Ekserji Kaybı 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Türbülatörlü Boru Şekil 4. Boyutsuz Ekserji Kaybının Reynolds sayısı ile değişii Bir ısı değiştiricisi incelenirken ikinci kanuna dayanan entropi üretii ve ekserji kaybı birileri ile açıklanası, enerjinin verili bir şekilde kullanılası açısından yararlı olur. Şekil 4'de ekserji kaybının Reynolds sayısına bağlı olarak değişii çiziliştir. Düşük Reynolds sayılarında ekserji kaybı fazla olup Reynolds sayısının artasıyla ekserji kaybı da azalakta ve den sonraki Reynolds sayılarında iniu seviyede bir ekserji kaybı olaktadır. Türbülatörlü boru ile boş boru karşılaştırıldığında, türbülatörlü borudaki ekseji(kullanılabilir enerji başlangıçta(re=8000 de boş boruya göre 3 kat daha fazla olakta ve Reynolds sayısının artasıyla aradaki bu fark giderek azalıp Re=24000 de birbirine eşit hale gelektedir Sonuç olarak; Isı değiştiricisinin iç borusu içerisine pervane tip türbülatör yerleştirilerek yapılan deneysel çalışa sonucunda elde edilen verilerle Reynolds sayısına bağlı olarak çiziliş olan grafikler (Şekil 2, 3, 4 incelendiğinde, boş boruya göre ısı transferinde 4,25 kat bir artış sağlanıştır. Bu iyileşe, boru içerisine yerleştirilen türbülatörün eydana getiriş olduğu türbülans etkisi ile sınır tabaka kalınlığı parçalanak suretiyle ısı transfer katsayısının artırılası ile sağlanıştır. Bununla birlikte sürtüne kayıplarında da 5,15 artış oluştur. Sistein ekserji kaybı dikkate alındığında yapılan iyileştire tekniği terodinaik olarak avantajlı olduğu söylenebilir. 5. Seboller C p Sabit basınçtaki özgül ısı(j/kgk d e Eşdeğer boru çapı ( D Boru çapı( T Logaritik ortalaa sıcaklık farkı ( C f Sürtüne katsayısı h Ortalaa ısı transfer katsyısı (W/2 K k Isı ileti katsayısı (W/K L Isı değiştiricisi boyu( Kütlesel debisi (kg/s Nu Nusselt nuber P Basınç düşüü (SS Q Transfer olan ısı (W Pr Prandtl sayısı Re Reynolds sayısı T Akışkan sıcaklığı ( C U Ortalaa akışkan hızı(/s ν Kineatik viskozite(2/s Ψ Boyutsuz Ekseji kaybı İndisler ç Çıkış g giriş h Hava s Su d deneysel ortalaa w duvar Kaynaklar [1] Eiasa, S., and Provonge, P., Enhanceent of heat transfer in a tube with regularly-spaced helical tape swirl generators, İnternational Journal of Theral Sciences, Solar Energy, Vol. 78, pp , [2] Yıldız, C., Biçer, Y., and Pehlivan, D., Effect of twisted strips on heat transfer and pressure drop in heat exchanger, Energy Conversion and Manegeent, Vol. 39, pp , [3] Blacwelder, R. and Kreith, F., "An Experiental Investigation of Heat Transfer Pressure Drop in a Decaying Swirl Flow" Augentation of Convective Heat and Mass Transfer ASME, pp , 1970.

5 [4] Seban, R.A., and Hunsbedt, A., "Friction and Heat Transfer in the Swirl Flow of Water in an Annulus" Int. J. Heat&Mass Transfer, Vol. 16, pp , [5] Kreith, F. and Sonju, O.K., "The Decay of a Turbulent Swirl in a pipe" J. Fluid Mechanic, Vol. 28, pp , [6] Zaherzadeh, N.H. and Jagadish, B.S., "Heat Transfer in a Decaying Swirl Flows" Int. J. Heat&Mass Transfer, Vol. 8, pp , [7] Algifri, A.H., Bhardwaj, R.K. and Rao, Y.V.N., "Heat Transfer in a Turbulent Decaying Swirl Flow in a Circular Pipe" Int. J. Heat&Mass Transfer, Vol. 31, pp , [8] Chang, F. and Dhir, V.K., "Turbulent FlovField in Tangentially Injected Swirl Flows in Tubes" Int. J. Heat&Mass Transfer, Vol. 15, pp , [9] M. Yilaz, O. Coakli, S. Yapici, O.N. Sara, Heat transfer and friction characteristics in decaying swirl flow generated by different radial guide vane swirl generators, Energy Convers. Manageent 44( [10] Ayhan S. B., and Bali, T., An experiental study on heat transfer and pressure drop characteristics of decaying swirl flow through a circular pipe with a vortex generator Experiental Theral and Fluid Science 32 ( [11] Bali, T., and Ayhan, T., Experiental investigation of propeller type swirl generator for a circular pipe flow, Int. Coun. Heat Mass Transfer 26 (1 ( [12] Kurtbaş, I., Duruş, A., Eren H. and Turgut, E. Effect of propeller type swirl generators on the entropy generation and efficiency of heat exchangers, International Journal of Theral Sciences 46 ( [13] Behçet, R., ve İlkılıç, C., İç İçe Borulu Isı Değiştiricisine Yerleştirilen Helisel Yayların Isı Transferi ve Basınç Düşüü Üzerindeki Etkisinin Deneysel Olarak İncelenesi, Fırat Üniv. Fen ve Müh. Bil. Dergisi, 18 (4, , 2006 [14] Bejan, A. The Concept of Irreversibility in Heat Exchanger Design: Counterflow Heat Exchanger for Gas-Gas Aplications, J. Heat Transfer, 99, , [15] Çakak, G., ve Yıldız, Cengiz, Boru Girişinde Enjektörlü Türbülans Üreticisi Bulunan Isı Değiştirgecinde II. Kanun Analizi, 8. Uluslar arası Yana Sepozyuu, 8-9 Eylül, 2004 [16] Gnielinski, V., "New Equations for Heat and Mass Transfer in Turbulent Pipe and Channel Flow" Int. Cheical Engng., Vol. 16, pp , [17] Junkhan, G.H., Bergles, A.E., Niralan, V. and Ravigururajan, T.," Investigation of Turbulators for Fire Tube Boilers" ASME J. of Heat Transfer, Vol. 107, pp , [18] Prasad, R.C. and Shen, J., "Perforance Evaluation of Convective Heat Transfer Enhanceent Devices Using Exergy Analysis" Int. J. Heat&Mass Transfer, Vol. 36, pp , 1993.