YATAY YÜZEY ÜZERİ NDE ÇEKİ RDEKLİ HAVUZ KAYNAMASI NDA ISI GEÇİ Şİ NE GÖZENEKLİ KAPLAMANI N ETKİ Sİ. YÜKSEK Lİ SANS TEZİ Ma k. Müh. M.

Transkript

1 İSTANBUL TEKNİ K ÜNİ VERSİ TESİ FEN Bİ Lİ MLERİ ENSTİTÜSÜ YATAY YÜZEY ÜZERİ NDE ÇEKİ RDEKLİ HAVUZ KAYNAMASI NDA ISI GEÇİ Şİ NE GÖZENEKLİ KAPLAMANI N ETKİ Sİ YÜKSEK Lİ SANS TEZİ Ma k. Müh. M. Ke mali SEVER Anabili m Dalı : MAKİ NA MÜHENDİ SLİ Ğİ Progra mı : ENERJİ OCAK 2003

2 İSTANBUL TEKNİ K ÜNİ VERSİ TESİ FEN Bİ Lİ MLERİ ENSTİTÜSÜ YATAY YÜZEY ÜZERİ NDE ÇEKİ RDEKLİ HAVUZ KAYNAMASI NDA ISI GEÇİ Şİ NE GÖZENEKLİ KAPLAMANI N ETKİ Sİ YÜKSEK Lİ SANS TEZİ Ma k. Müh. M. Ke mali SEVER Tezi n Enstitüye Veril diği Tari h : 24 Aralı k 2002 Tezi n Savunul duğu Tari h : 17 Ocak 2003 Tez Danış manı : Di ğer Jüri Üyel eri Yrd. Doç. Dr. İ. Yal çı n URALCAN Prof. Dr. Taner Derbentli OCAK 2003

3 ÖNS ÖZ Kayna ma siste ml eri nde ısı geçiş yüzeyi ni n i ncelendi ği çalış mal ar gerek bili msel gerekse endüstri açısı ndan ol dukça öne mli dir. Bu çalış mal arda değişi k koşullarda deneyl er yapılıp el de edilen sonuçl ara göre yarı-ampiri k modeller geliştirilmekt edir. Burada a maç ısı geçiş katsayısı nı artırarak veri mi n artırıl ması nı sağl a maktır. Isı geçiş katsayısı nı artır mak i çin yüzey üzeri nde çeşitli kat manl ar ol uşt ur mak, yüzeyi kapl a mak yönt e ml erden bazıları dır. Bu koşullarda kayna ma ile ısı geçişi, katı taneci kleri n ısıl özeli kleri ne, yoğunl ukl arı na, boyutları na ve ol uşan t abakanı n kalı nlı ğı na bağlı ol arak, i yileşir veya köt ül eşir. Sunul an çalış mada, gözenekli, çekirdekli havuz kaynaması nda ısı geçişi ne katı taneci kleri n et kisi, İ TÜ Maki na Fakültesi Isı Tekni ği Laborat uarı nda kur ulan deney düzeneği nde i ncelenmi ş ve el de edilen veriler kullanılarak yarı-a mpiri k bir mat e mati k model geliştiril miştir. Sunul an bu t ez çalışması nı n her aşa ması nda yapı cı el eştiri ve yardı ml arı nı esirge meyen, gerek deneysel gerekse t eori k bilgi mi n geliş mesi i çi n zaman ayıran, danış manı m sayı n Yr d. Doç. Dr. İ. Yal çı n URALCAN a t eşekkür ü vazife biliri m. Deney düzeneği ni n hazırlanması nda e meği geçen İ TÜ Maki na Fakültesi çalışanl arı na ve hiçbir zaman destekleri ni eksi k etmeyen aile me teşekkür ederi m. Ocak, 2002 M. Ke mali Sever II

4 İ Çİ NDEKİ LER KI SALT MALAR TABLO Lİ STESİ ŞEKİ L LİSTESİ Sİ MGELER ÖZET SUMMARY VII VIII IX XII XI V XVI 1. Gİ Rİ Ş 1 2. KAYNAMADA TEMEL MEKANİ ZMALAR Havuz Kayna ması Kayna ma Eğrisi Tek- Fazlı Doğal Taşı nı m Çekirdekli Kayna ma Kararsız Fil m Kayna ması Kararlı Fil m Kaynaması Doğal Taşı nı m Kabarcı k Ol uşumu Kı zgı n Sı vı Ho moj en ve Het erojen Kabarcı k Çekirdekl en mesi Yüzeydeki Oyukl arda Kabarcı k Ol uşumu Çekirdekl enme Odakl arı nı n Kararlılığı Et ki n Çekirdekl enme Odakl arı nı n Belirlenmesi Doy muş Çeki rdekli Havuz Kayna ması Ayrı k Kabarcı klı Kayna mada Isı Geçişi Kabarcı ğı n Büyü mesi ve Yüzeyden Ayrıl ması Ayrı k Kabarcı klı Kayna ma Modelleri Çekirdekli Kayna mada Et kili Değişkenl er Ta m Geliş mi ş Çekirdekli Kayna ma Bağı ntıları Çekirdekli Kayna mada Maksi mu m( Kritik) Isı Akısı TAŞI NI MLA ISI GEÇİ Şİ Nİ Nİ Yİ LEŞTİ RİL MESİ Taşı nı ml a Isı Geçişini İyileştir me Yönte ml eri Pasif Yönt e ml er Aktif Yönt e ml er Isı Değiştiricileri Yönünden Taşı nı ml a Isı Geçişi ni n İyileştiril mesi 33 III

5 3. 3 Isı Geçişi ni İyileştirme Yönte ml eri ni n Et kenli ği Isı Değiştiricileri nde Et kenli k Değerlendi r mesi Havuz Kayna ması nda Isı Geçişi ni n İyileştiril mesi İçi n Et kenli k Değerlendir mesi ÇEKİ RDEKLİ KAYNAMADA ISI GEÇİ ŞİNİ N İ Yİ LEŞTİ Rİ LMESİ Kayna mada Isı Geçişi ni İyileştir me Yönte mleri Çeki rdekli Havuz Kayna ması nda Isı Geçişini n İyileştiril mesi Aşı ndırıcılarla Yüzeyi n Pürüzl endiril mesi Ol ukl ar ve Yi vler Giri ntili Oyukl ar Dağl anmı ş Yüzeyl er El ektrolitik Kapl a mal ar Yüzeyi n Deli kli Levhal arla Kapl anması Tel veya Tel Ör gü Tabakal arı Islanmayan Kapl amal ar Gözenekli Yüzeyl er Yapılandırıl mış Yüzeyl er ( Çok Girişli Tüneller) Yapılandırıl mış ve Gözenekli Yüzeyl eri n Bileşi k Uygul a mal arı Kar ma Yüzeyl er İyileştiril mi ş Yüzeylerde Kayna ma Mekaniz mal arı Te mel İlkeler Çok Girişli Tünellerde Kayna mayl a Isı Geçişi ni n Mekani z mal arı Gözenekli Yüzeyl erde Kayna mayl a Isı Geçişi ni n Mekani z mal arı Kayna mada Isı Geçişi ni n İyileştiril mesi ni n Kriti k Isı Akısı na Et kisi Kayna mada Isı Geçişi ni İyileştir me Yönte mleri ni n Değerl endi r mesi GÖZENEKLİ ORTAMDA ÇEKİ RDEKLİ HAVUZ KAYNAMASI : MATE MATİ K MODELLER Yat ay Bi r Yüzey Üzeri ndeki Gözenekli Kaplamada Çeki rdekli Ha vuz Kayna ması Mi kro Tabaka Modeli Di na mi k Model Nakaya ma nı n Di na mi k Modeli Düz Yüzey Üzeri nde Çekirdekli Havuz Kayna ması Modeli n Te mel İlkesi: Isı Geçişi Mekani zmal arı nı n Birleştiril mesi Doğal Taşı nı ml a Isı Geçişi Kabarcı k Et ki n Böl gelerde Isı Geçişi Kabarcı k Ayrıl ma Çapı ve Frekansı Et ki n Çekirdekl en me Odakl arı nı n Yoğunluğu Sunul an Çalış mada Önerilen Mat e mati k Model 63 IV

6 Gözenekli Yüzey Üzeri nde Çekirdekli Havuz Kayna ması GÖZENEKLİ ORTAMDA ÇEKİ RDEKLİ HAVUZ KAYNAMASI : DENEYSEL ÇALI Ş MALAR Hareketsiz Taneci k Tabakal arı DENEYSEL ÇALI ŞMA Deney Düzeneği Isıtıcı Bl ok Öl ç me Silindiri ve Isı Geçiş Yüzeyi Kayna ma Havuzu Yardı mcı Isıtıcılar Paslanmaz Çeli k Ter moel e man Propl arı Yoğuşt urucu Katı Taneci kler Öl ç mel er Uzunl uk Öl ç mel eri Sıcaklı k Öl ç mel eri Deneyl eri n Yapılışı Deney Sonuçl arı nı n Değerl endi ril mesi nde İzl enen Hesap Yönte mi SONUÇLAR Düz Yüzey Üzeri nde Çeki rdekli Havuz Kayna ması Ca m Küreci kl eri n Hareketi ni Sı nırl ayan Tel Kafesi n Isı Geçişi ne Et kisi Küresel Taneci kl erden Ol uşan Gözenekli Ort a mda Çeki rdekli Ha vuz Kayna ması Deneyl er Mat e mati k Model Sonuçl arı 94 KAYNAKLAR 96 EK A BELİ RSİ ZLİ KHESABI 104 EK B DENEY SONUÇLARI 108 ÖZGEÇMİ Ş 110 V

7 KI SALT MALAR İO KBN RRS : İyileştir me oranı. : Kayna ma başlangı ç noktası. : Rosi n- Ra mml er- Sperling. VI

8 TABLO Lİ STESİ Sayfa No Tabl o 3. 1 : İyileştir me yönt e ml eri ve uygul anabil di kleri ısı geçiş düzenl eri [8] Tabl o 6. 1 : Hareketsiz taneci k tabakal arı nı n, kayna mada ısı geçişi ne et kileri ni n incelendi ği araştır mal ar Tabl o 7. 1 : Katı taneci klerle yapılan deneyl erde kullanılan ca m taneci kleri n kütlesi Tabl o 7. 2 : Öl ç me silindiri ndeki termoel e man deli kleri ni n, ısı geçiş yüzeyi ne mesafeleri Tabl o 7. 3 : Ter moel e man ölç me uçları nı n konu ml arı Tabl o A. 1 : Öl ç me silindiri ndeki termoel e man deli kleri ni n, ısı geçiş 104 yüzeyi ne mesafeleri ni n ölçül mesi ndeki belirsizlik... Tabl o A. 2 : Deney verileri ndeki belirsizliği n hesabı nda kullanılan 107 bağı ntılar örnek ve sonuçlar... Tabl o B. 1 : Düz yüzey deney sonuçları Tabl o B. 2 : Taneci k çapı (d t )3 mm, gözenekli kapla ma kalı nlığı 27 mm 109 ol arak yapılan deneyl eri n sonuçları... Tabl o B. 3 : Taneci k çapı (d t )3 mm, gözenekli kapla ma kalı nlığı 54 mm ol arak yapılan deneyl eri n sonuçları VII

9 ŞEKİ L LİSTESİ Sayf a No Şekil 2. 1 : Kayna ma eğrisi ve havuz kayna ması ndaki düzenler... 5 Şekil 2. 2 : Kayna ma eğrisi nde kayna ma düzenl eri... 5 Şekil 2. 3 : Kararsız haller olan, kızgı n sı vı ve aşırı soğut ul muş buhar halleri... 8 Şekil 2. 4 : Te mas açısı =90 O olan koni k bir oyukt aki buhar kabarcı ğı... 9 Şekil 2. 5 : Kabarcı k ol uşumunda gerekli sıcaklı k dağılı mı Şekil 2. 6 : r maks a bağlı olarak kayna ma başlangı ç nokt ası (KBN) Şekil 2. 7 : Kararlı çekirdekl enme odakl arı ol uşt uran giri ntili oyukl ar Şekil 2. 8 : 90 o yüzey-akışkan i kilisi içi n, koni k bir oyukta buhar kabarcı ğı gelişi mi Şekil 2. 9 : Kabarcı k odağı nda sıcaklı ğı n peri yodi k değişi mi ve kızgı n sı vı tabakası nı n sürükl enmesi Şekil : Han ve Griffith i n ayrı k kabarcı klı kayna ma modeli [12, 13] Şekil : Judd ve Hwang ı n mi krotabaka buharlaş ması model [15].. 22 Şekil : Çekirdekli kayna mada et kili değişkenl er arası ndaki ilişkiler [23, 24] Şekil 3. 1 : Taşı nı ml a ısı geçişi ni n iyileştiril mesi nde ilkeler ve a maçl ar [34] Şekil 4. 1 : Çok girişli tünellerde kayna ma ile ısı geçişi mekani z mal arı [61, 62] Şekil 4. 2 : Gözenekli yüzeyl erde kayna ma ile ısı geçişi nin mekani z ması [9] Şekil 5. 1 : Gözenekli tabakalardaki kayna ma içi n önerilen dina mi k model [71] Şekil 6. 1 : Isı geçiş yüzeyi üzeri ndeki taneci k tabakası nda sıcaklı k dağılı mı [108] Şekil 6. 2 : Küresel ca mtaneci kleri n kayna mada ısı geçişi ne etkileri [108] Şekil 6. 3 : Küresel ca mtaneci kleri n kayna mada ısı geçişi ne etkileri [109] Şekil 6. 4 : Küresel al ümi na ( Al 2 O 3 ) taneci kleri ni n kayna mada ısı geçişi ne et kileri [97] Şekil 6. 5 : Küresel ca mtaneci klerin, kayna mada ısı geçişi ne et kileri [97]. 73 Şekil 7. 1 : Deney düzeneği ni n şe mati k res mi Şekil 7. 2 : Deney düzeneği ni n fot oğrafları Şekil 7. 3 Şekil 7. 4 Şekil 7. 5 : Isıtıcı bl ok ve paslanmaz çeli k elektrotları n montaj res mi ( Öl çek: 1/ 1) : Öl ç me silindiri ve kayna ma havuzunun mont aj res mi ( Öl çek: 1/ 1) : a) Yardı mcı ısıtıcı ve b) paslanmaz çeli k ter moele man probu ( Öl çek: 1/ 1) VIII

10 Şekil 7. 6 : Ter moel e man deli kleri nin konu ml arı Şekil 7. 7 : Ter moel e man ölç me uçları nı n, elektri k ark kaynağı ile birleştiril mesi Şekil 7. 8 : Ter moel e man referans ucu ve bakır uzat ma kablol arı nı n bağl antı nokt aları Şekil 8. 1 : Düz yüzey üzeri ndeki çekirdekli havuz kayna ması içi n sonuçl ar Şekil 8. 2 : Zı mpara ile parlatıl mış yüzeyl erdeki çekirdekl enme yoğunl uğu. 90 Şekil 8. 3 : Topl a mısı, doğal taşı nım, kabarcı k et ki n vegi zli ısı bileşenleri Şekil 8. 4 : Tel kafes ile yapılan düz yüzey deneyi Şekil 8. 5 : Düz yüzey, gözenek tabaka kalı nlığı sırası yla 27, 54 mm Şekil 8. 6 deney sonuçl arı : Düz yüzey, gözenek tabaka kalı nlığı sırası yla 27, 54 mm deney ve mat e mati k model sonuçl arı Şekil A. 1 : Öl ç me silindiri ndeki eksenel doğrult udaki sıcaklık dağılı mı Şekil A. 2 : Düşük ısı akısı nda ölç me silindiri ndeki sıcaklı k dağılı mı Şekil A. 3 : Yüksek ısı akısı nda ölçme silindiri ndeki sı caklı k dağılı mı IX

11 Sİ MGELER A : Al an, m 2. Bo : Bond sayısı. c p : Sabit bası nçta özgül ısı, J/kgK. C ya : Yüzey-akışkan i kilisi ne özgü bir katsayı. d k : Kabarcı k ayrıl ma çapı, m. d t : Taneci k çapı, m. f : Kabarcı k frekansı, 1/s. g : Yer çeki mi ivmesi, m/s 2. Gr : Grashof sayısı. h : Isı taşı nı mkatsayısı, W/ m 2 K. h sb : Buharlaş ma gizli ısısı, J/kg. İO : İyileştir me oranı. Ja : Jakob sayısı. k : Isı ileti mkatsayısı, W/ mk. L : Karakt eristik uzunl uk; Topl a mboru uzunl uğu, m. m b : Buharı n kütle akısı, kg/m 2 s. m s : Sı vı nı n kütle akısı, kg/m 2 s. n k : Et ki n çekirdekl enme odakl arı nı n yoğunl uğu, adet/ m 2. N k : Et ki n çekirdekl enme odakl arı nı n sayısı, adet. Nu : Nusselt sayısı. p : Bası nç, N/ m 2. Pr : Prandtl sayısı. q : Biri mza mandaki ısı geçişi, W. q : Isı akısı, W/ m 2. q : Biri muzunl ukt an ısı geçişi, W/ m. q g : Gi zli ısı aktarı mı ile geçen ısı akısı, W/ m 2. q k : Kabarcı k et ki n ısı akısı, W/ m 2. q kt : Za mana bağlı ileti ml e geçen ısı akısı, W/ m 2. q max : Kritik ısı akısı, W/ m 2. r : Yarıçap, m. Ra : Rayl ei gh sayısı. Re : Reynol ds sayısı. r max : Çekirdekl enmeni n başladı ğı en büyük oyuğun ağı z yarıçapı, m. r mi n : Çekirdekl enme olabilecek en küçük oyuğun ağı z yarıçapı, m. R p : Ortala ma yüzey pürüzlül üğü, m. St : Stant on sayısı. T : Sıcaklı k, K. T d : Doy ma sıcaklı ğı, K. T y : Yüzey sıcaklı ğı, K. U : Topl a mısı geçiş katsayısı, W/ m 2 K. v : Özgül haci m, m 3 / kg. x, y, z : Kartezyen koordi natlar. X

12 : Yüzey gerili mi, N/ m. : Oyuk açısı, o. : Gözeneklilik. : Di na mi k viskozite, Ns/m 2. : Yoğunl uk, kg/ m 3. T d : Kı zgı nlı k derecesi ( T y -T d ), K. T o : Ortala ma l ogarit mi k sıcaklı k farkı, K. : Isıl genl eş me katsayısı, 1/ K. : Te mas açısı, o. Al t Si mgel er b : buhar. d : doyma. db : düşük bası nç. dt : doğal taşı nı m. g : gizli. i : indirgenmi ş. k : kabarcı k, kritik. mb : mi kro tabaka buharlaşması. o : oyuk. s : sı vı. yb : yüksek bası nç. XI

13 YATAY YÜZEY ÜZERİ NDE ÇEKİ RDEKLİ HAVUZ KAYNAMASI NDA ISI GEÇİ Şİ NE GÖZENEKLİ KAPLAMANI N ETKİ Sİ ÖZET Havuz kayna ması nda ısı geçişi ni n i yileştir mesi konusunda araştır ma ve geliştir mel er gerek bili msel, gerekse endüstri yel açı dan ol dukça öne mli bir yer tut makt adır. Isı geçişi ni n i yileştirilmesi nde (enhance ment, aug ment ati on, i ntensificati on), en öne mli ilerle mel eri n kaydedil di ği uygul a mal ardan biri de, çekirdekli kayna mayı iyileştiren özel yüzey geometrileri dir. Bu özel yüzey geo metrileri nde çok düşük kı zgı nlı k derecesi nde çekirdekli kayna ma başlayabilir, böyl ece t ek fazlı t aşı nı ml a ol an ısı ileti mi ne oranl a ısı t aşı nı m katsayısı yükselir. Bu da bu t ür yüzeyl erin yüksek veri mli ısı değiştirgeçlerinde kullanıl ması nı çeki ci bir hale getirir. Kayna ma yüzeyi üzerinde gözenekli bir t abaka ol uşt uran durağan taneci kl eri n et kisi ni bir çok araştırmacı i ncele mi ştir. Bu çalış mal arı n çoğunda, taneci kl er üzerleri ne yerleştirilen deli kli bir l evha ile bastırılarak, yüzeye bitişi k har eketsiz gözenekli bir t abaka ol uşturul muşt ur. Bu çalış malarda kayna ma eğrisi ni n birbiri nden ayrı ve dar böl geleri i ncelenmi ştir. Bunun yanı sıra araştır mal ar, çap, yoğunl uk ve ı sı ileti mkatsayısı gi bi taneci k para metreleri bakı mı ndan da ol dukça farklı dır. Bu çalış mada da, hareketi sı nırlandırılan küresel taneci kleri n, yat ay düz bir bakır yüzey üzeri nde, suyun at mosferi k bası nçtaki havuz kayna ması na et kileri deneysel ol arak i ncelenmi ştir. 3 mm çapı ndaki küresel ca m t aneci kleri n kullanıl dı ğı deneyl er, su i çi n ti pi k çekirdekli kayna ma böl gesi ol an k W/ m 2 ısı akısı aralı ğı nda yapıl mıştır. Taneci kler kullanıl madan yapılan ilk deneyl erde, düz yüzeyi n havuz kayna ma eğrisi el de edil miştir. Daha sonra yüzey üzeri ne t opl a m t abaka kalı nlı ğı sırası yla 27 ve 54 mm ol an küresel ca m t aneci kler konul arak, aynı ısı akısı aralı ğı nda deneyl er t ekrarlanmı ştır. Deney sonuçl arı, tanecikl eri n i ncel enen ısı akısı aralı ğı nda et ki n sıcaklı k farkı nı azalttıkları nı, yani ısı geçişi mekani z ması nı i yileştirdi kleri ni göster mekt edir. Deneyl erde özellikle düşük sı caklı k farkları nda 10 kat bir i yileş me el de edil miştir. Bu i yileşme et kisi sıcaklı k farkı değerleri yüksel di kçe azal makt adır. Bu i yileş me oranl arı t aneci k t abaka kalı nlı ğı 27 mm den 54 mm geçil di ğinde düşük XII

14 sıcaklı k farkları i çi n aynı i yileştir me gerçekl eşirken yakl aşı k sıcaklı k farkı 3. 9 K den sonra ısı geçişi ni n iyileşmesi ne kat kısı azal makt adır. Düz yüzeyi n havuz kayna ması eğrisi i çi n yarı-a mpiri k bir mat e matik model geliştirilerek, sonuçl arı deney verileri ile karşılaştırıl mıştır. Isı geçişi ne kat kısı bul unan fizi ksel mekaniz mal ar yor uml anarak model e dahil edil mişlerdir. Isı geçiş yüzeyi ni n kayna mayl a ilgili özeli kleri ni t e msil eden a mpiri k sabitler ise deney veril eri il e el de edil mi ştir. Model sonuçl arı il e deney veril eri arası ndaki uyu m ol dukça i yi dir. XIII

15 EFFECT OF POROUS MATRI X ON HEAT TRANSFER I N NUCLEATE POOL BOI LI NG ON FLAT SURFACE SUMMARY Enhance ment of pool boiling heat transfer is an acti ve area of research and devel poment because of its acade mi c and i ndustrial i mportance. Speci al surface geo metries t hat pr omot e high- perfor mance nucl eate boili ng constitute one of t he most si gnificant advances i n enhanced heat transfer t echnol ogy. On t hese special surfaces geo metries wall superheat of a very s mall degree can st art nucl eate boiling, t hereby raisi ng t he heat transfer coefficient or der of magnit udes hi gher t han t hat of convecti ve heat transfer. Hi gh heat transfer coefficients wit h such s mall t e mperat ure differences make t hese surface struct ure very attractive t o hi gh efficiency heat exchangers. The effect of stati onary particles f or mi ng a por ous bed on a pool boiling surface has been st udi ed by a great deal of researchers. In most of t hese st udi es, the bed i s confi ned by means of a screen pl ate whi ch is pressed on t he bed and a static por ous medi um adj oi ni ng t he surface is f or med. In t hese st udi es, separate and narrow r anges of t he boiling cur ve are covered. St udi es also differ i n t er ms of the particle para met ers, i.e., the dia met er, densit y and t her mal conducti vit y. In t he present st udy, an experi ment al anal ysis of t he effect of confi ned spherical particles on pool boiling of at mospheric wat er above a horizont al s moot h copper surface is perfor med. Tests were carried out wit h gl ass beads of 3 mm di amet er. The heat fl ux range e mpl oyed was 2. 6 t o 190 k W/ m 2 whi ch is t ypi cal for nucl eat e boili ng of wat er. Experi ments were carried out first for surface wit hout particles and boili ng curve f or or di nary pool boiling was obt ai ned. Then, t he surface was covered wit h respecti vel y l ayer of 27 and 54 mm confined spherical gl ass particles and experi ments were carried out f or si milar heat fluxes. Results show t hat particles cause a decrease i n wall superheat for t he consi dered heat fl ux range, t herefore enhanci ng t he heat transfer mechanis m. The enhance ment rati o obt ai ned i n t he experi ments is 10 especiall y duri ng t he l ow superheat val ues. The enhance ment effect decreases when t he superheat val ue XI V

16 increases. These enhance ment effect are nearl y si milar for t he l ayer t hi ckness of 27 and 54 mm i n l ow superheat val ues. Ho wever, the contri buti on of t he increase i n superheat t o heat transfer enhance ment decreases, when t he superheat value exceeds 3. 9 K. A se mi-e mpirical mat he matical model is developed f or or di nary nucl eate pool boiling and its results are co mpared wit h t he experi ment al dat a. Interpretati ons of physical mechanis ms contri buti ng t o t he t otal heat transfer are i ncl uded in t he model and e mpirical constants representi ng t he boiling related characteristics of t he heat transfer surface are derived from t he experi mental dat a. Agree ment bet ween model results and experi ment al dat a are quite satisfact ory. XV

17 1. Gİ Rİ Ş Katı-sı vı ara yüzeyi nde gerçekl eşen kayna ma ve yoğuş ma ol ayl arı, akışkan hareketli ol duğu i çi n, t aşı nı ml a ısı geçişi kapsa mı nda değerlendirilirler. Fakat kendileri ne özgü nitelikleri vardır. Faz değişi mi ol gul arı nda, gi zli ısı et kileri öne mli dir. Kayna ma ve yoğuş ma; ısı geçişi sırası nda akışkan sı caklı ğını n sabit kal ması, düşük sı caklı k farkları nda yüksek ısı akıları na çı kılabil mesi gibi nedenl erle, birçok mühendisli k uygul a ması nda kullanılır. Bu üst ünl ükl eri nedeni yle, kapalı güç ve soğut ma çevri ml eri ndeki t e mel hal değişi ml eri dirler. Petrol, ki mya, gı da, met al urji, el ektroni k, uzay-havacılık endüstrileri nde karşılaşılan çok sayı da mühendislik probl e mi ni n çözü mü, bu ol gul arı n iyi anl aşıl ması nı gerektirir [1-6]. Kayna ma ol arak adl andırılan, katı-sı vı ara yüzeyi nde kabarcı k ol uşumuyl a buharlaş ma ol ayı, çeşitli şekillerde gerçekl eşebilir. Kitlesel bir akışı n ol madı ğı havuz kayna ması nda, yüzey etrafı ndaki hareketler, kabarcı kları n büyü mesi ve ayrıl ması na bağlı karış mayl a ve doğal t aşı nı ml a ol uşur. Zorl anmı ş t aşı nı mlı kayna mada, kabarcı klar ve doğal t aşını ma, dış bir kuvveti n etkisi de ekl enir. Kaynama, sı vı nı n sıcaklı ğı na bağlı ol arak da sı nıflandırılabilir. Aşırı soğut ul muş kayna mada, sı vı nı n sıcaklı ğı doy ma sı caklı ğını n altında, doy muş kayna mada ise biraz üzeri ndedir. Aşırı soğut ul muş kayna mada, ol uşan kabarcı klar sı vı içerisi nde yoğuşabilir. Doy muş kayna mada ise ol uşan kabarcı kları n ta ma mı, sı vı nın serbest yüzeyi ne ulaşır. Kayna ma, sı vı-buhar faz değişi mi yle il gili ısı geçişi ve akış ol ayları nı kapsayan, kar maşı k bir t aşı nı m ol gusudur. Tek fazlı t aşı nımdaki t ürbül ansa geçiş, nonli neerli k ve za manl a değiş me pr obl e ml eri ne, ara yüzeyi n hareketi, kararsız haller ile fazl ar arası ndaki di na mi k et kileş mel er de ekl enir. Kayna ma ol ayı nı n kar maşı klı ğı, ısı geçişi ni modelle mek i çi n kullanılabilecek yönt e mleri n geliştiril mesi ni zorlaştırır. Bu güne kadar yapılan çalışmal ar ile kayna ma ol ayı kıs men anl aşılabil mişse de, hal en açı klana mayan yönl eri de çokt ur. Kayna ma i çi n kor unum denkl e ml eri ni n yazıl ması zor ol duğundan, ı sı geçiş mekani z mal arı nı n daha iyi anl aşıl ması ve deney sonuçl arı nı n genelleştirilmesi a macı 1

18 ile boyutsuz sayılar kullanılarak a mpiri k bağı ntılar t üretilir. Özellikle son yıl da, kayna mayl a il gili çok araştır ma yapıl mı ştır. Yapılan çalış mal ara rağ men, mühendislik t asarı ml arında kullanılabilecek, fizi ksel t e mellere dayanan ve et ki n değişkenl eri n t ümünü kapsayan, t a m ve güvenilir mat e mati k modellere duyul an ihtiyaç henüz karşılana ma mı ştır. Mevcut bağı ntılar ancak özel koşullarda kullanılabil di ği nden, bunlar arası ndan en uygununu seç mek de ol dukça zordur. Kayna ma olayı; a) yüzeyde buhar kabarcı ğını n ol uş maya başla ması, b) büyü mesi c) yüzeyden ayrıl ması mekani z mal arı ile özetlenebilir. Buhar kabarcı ğı nı n di na mi ği, kar maşı k ilişkilerle, ısı akısı na, sıcaklı k farkı na, yüzeyin mal ze mesi ne, geo metrisine, mi kro yapısı na ve akışkanı n ter mofizi ksel özeli kleri ne bağlı dır. Kayna mada ı sı t aşı nı m katsayısı, yüzey ve akışkanı n doy ma sı caklıkl arı arası ndaki farka T d = T y - T d [ o C], sı vı-buhar yoğunl uk farkı ndan kaynakl anan g( s - b ) [ N/ m 3 ] kal dır ma kuvvetleri ne, faz değiştir me gi zli ısısı na h sb [J/ kg], yüzey gerili mi ne [ N/ m], karakt eristik uzunl uğa L [ m] ve sı vı ile buharı n t er mofizi ksel özeli kleri ne ( [ kg/ m 3 ], c p [ kj/ kgk], k [ W/ mk], [ Ns/ m 2 ] ) bağlı dır. h=h[ T d, g( s - b ), h sb,, L,, c p, k, ] (1. 1) Isı değiştiricileri nde, ısıl kapasite sabit t ut ulur ken ısı geçiş yüzeyini n al anı, dol ayısı yla ısı değiştiricini n boyutları küçült ül mek istenir. Bu a maçl a yapılan ı sı geçişi ni i yileştir me çalışmal arı nda, sıcaklı k farkı sabit t ut ul urken yüzey ısı akısı nı n artırıl ması, dolayısı yla ısı taşı nı mkatsayısı nı n yükseltil mesi hedeflenir. Kayna ma ile ısı geçişi nin i yileştiril mesi çabaları, düz yüzeyde havuz kayna ması çalış mal arı yla başla mı ştır. Düz yüzey üzerindeki kayna ma mekani z ması nı n anl aşıl ması yla, kayna manı n i yileştiril mesi i çi n il k fi kirler de doğ muşt ur. Kayna mada tek fazlı taşı nı ma göre daha yüksek ısı t aşı nı m katsayıları gerçekl eş mesi ne rağmen, kayna mada ısı geçişi ni n iyileştiril mesi öne mli bir araştır ma konusudur [8, 9]. Ka yna mada, kabarcı k oluşumunun mekani z maları ve çekirdekl enme odakl arı nı n yoğunl uğu, öne mli değişkenl erdir. Kabarcı k ol uşumu, ısı t aşı nı m katsayısı nı, t ek 2

19 fazlı doğal t aşı nı mı n üzeri ne çı karır. Yüksek ısı akıları nda, et ki n çekirdekl enme odakl arı nı n art ması yl a, ı sı t aşı nı m katsayısı daha da yükselir. Bu nedenl erle, kayna ma ile ısı geçişi ni n i yileştiril mesi i çi n yapılan il k çalış mal arda, düşük sı caklı k farkları nda, çekirdekl enme odakl arı nı n yoğunl uğu artırıl maya çalışıl mıştır. Yüzey pür üzl ül üğü arttıkça, çekirdekl enme odakl arı nı n yoğunl uğu da artar. Ancak yüzey üzeri nde kayna ma başladı ktan kısa bir süre sonra pür üzl ül üğün et kisi kal maz. Buharı n kararlı ol arak tut unabil mesi i çi n çekirdekl enme odakl arı nda bul un ması gereken özeli kler, yılları arası nda anl aşıl mıştır. Kabarcı ğı n yüzeye t e mas açısı, i nce fil m buharlaş ması ve çok girişli t ünellerde gözl enen i ki fazlı t aşı nı m mekani z mal arı da kaynamayı et kile mekt edir. Kayna mada ısı geçişi ni iyileştir mek i çi n çok azı ticari değer t aşı yan, pasif ve aktif yönt e ml er denen mi ştir. Pasif yönt e ml er arası nda, yüzeyi n pür üzl endiril mesi, yüzey üzeri ne açılan ol uk ve kanallar, yüzeyde çok girişli t ünelleri n ol uşt urul ması, yüzeyl eri n farklı mal ze mel er ile kapl anması, sı vı ya yüzey gerili mini azaltan ki myasal kat kı maddel erini n karıştırıl ması v. b. sayılabilir. Aktif yönt e ml er arası nda ise, yüzeyi n titreştiril mesi, döndür ül mesi veya silinmesi, akışkanı n bası nç veya ses dal gaları ile titreştiril mesi, elektri k ve manyeti k alanl ar sıralanabilir. Kayna ma ile ısı geçişi ni i yileştir mek i çi n yapılan çalış mal arı n başlıca uygul a ma al anl arı, soğut ma-i kli ml endir me, hi drokarbon, ki mya, mi kro-elektroni k, uzayhavacılık, geliş mekt e olan ısı borusu ve bir çok diğer sanayilerdir. Sunul an bu çalış mada, yat ay düz bir yüzey üzeri ndeki çekirdekli havuz kayna ması nda ısı geçişine, havuza atılan katı taneci kleri n et kisi deneysel ol arak incelenmi ş ve el de edilen veriler kullanılarak, yarı-a mpiri k bir mat e mati k model geliştiril miştir. Deneysel çalış mada yüzey üzerindeki t aneci k t abakası nın kalı nlı ğı para metre ol arak değiştiril miş ve bu t aneci k para metreleri ni n et kisi, taneci ksi z ve taneci kli havuz i çi n kayna ma eğrileri ol uşt urularak belirlenmi ştir. Bu para metri k et kiler, geliştirilen yarı-a mpiri k model de, fiziksel mekani z mal ara dayanılarak tanı ml anmı ştır. 3

20 2. KAYNAMADA TEMEL MEKANİ ZMALAR 2. 1 Havuz Kayna ması Kayna ma siste ml eri ni n anl aşıl ması a macı yla gerçekl eştirilen çok sayı daki deneysel ve t eori k çalış ma da göz önünde bul undur ul ması gereken değişken sayısını çok aza indir mek mü mkün ol duğu i çi n, havuz kayna ması konu ol arak el e alın mı ştır. Bu nedenden dol ayı, havuz kayna ması nı n mekani z ması da daha i yi anl aşıl mıştır. Fakat, kayna ma düzenl eri ni n en basiti ol an havuz kaynaması ndaki ısı geçişi mekani z mal arı, tek fazlı siste ml erdeki kadar hassas öngör üle mez. Karşıl aşılan belli başlı zorl ukl ar; öne mli yüzey ve akışkan özeli kleri ni n ni celenmesi ve uygul a mada r astlanan kar maşı k geometrilerdeki buhar ve sı vı akışları nı n açı klanması olarak sıralanabilir Kayna ma Eğrisi Havuz kayna ması ndaki davranışları ta m ol arak, ilk defa gözl e ml eyen Nuki ya ma [ 9] ol muşt ur. Kayna mada ı sı geçişi verileri, hal en en anl a mlı sunuş bi çi mi ol an, logarit mi k eksen t akı mı nda, ısı akısı nı n, yüzey kı zgı nlı ğı na ( T d =T y -T d ) bağlı değişi mi ni veren kaynama eğrisi ile gösterilir.(şekil 2. 1). Çözün müş gazl ardan arındırıl mış sı vı nı n doy muş havuz kayna ması na ait veriler, değişken sayısı nı n az olması nedeni yle, kayna ma siste ml eri ni n değerlendiril mesi nde iyi bir öl çütt ür. Doy muş kayna mada, ısı t aşı nı m katsayısı, ısı akısı, sıcaklık farkı na böl ünerek hesapl anabilir ( Ne wt on un soğut ma kanunu). Şekil 2. 1 den de anl aşılacağı gi bi ısı t aşı nı m katsayısı ile sıcaklı k farkı arası ndaki ilişki, çok kuvvetlidir. Sı caklı ğı n kontrol altında t ut ul duğu (ısı kaynağı ol arak sıcaklı ğı yüksek bir akışkan ya da yoğuş makt a olan buhar kullanılarak) bir yüzey ile, kayna ma eğrisi ni n t a mamı ortaya çı karılabilir. Isı akısı nı n kontrol edil diği yüzeyl er ile kayna ma eğrisi ni n ancak bir kıs mı el de edilebilir. 4

21 log (q) çekirdekli kayna ma f kritik ısı akısı ( maksi mu mısı akısı) kavrul ma nokt ası h e iyileştiril miş yüzey a b KBN i tek fazlı doğal taşı nı m d c KBN g buhar ve sı vı jetleri ayrı k kabarcı klar geçiş kayna ması (kararsız fil mkayna ması) g log T d =l og ( T y - T d ) mi ni mu mısı akısı ( Lei denfrost nokt ası) fil mkayna ması Şekil 2. 1 Kayna ma eğrisi ve havuz kayna ması ndaki düzenl er. a-c doğal taşı nı m e-f buhar ve sı vı jetleri c-d çekirdekli kayna manı n başlangı cı f-g geçiş kayna ması d-e ayrı k kabarcı klı kayna ma g-h fil mkayna ması Şekil 2. 2 Kayna ma eğrisinde kayna ma düzenl eri [1]. 5

22 Tek- Fazlı Doğal Taşı nı m Bu böl ümde doy ma sı caklı ğı nda kayna mayı sağla mak i çi n sı vı ile t e mas eden yet erli mi kt arda buhar yokt ur. Isıtılan yüzeyden sı vı ya taşı nı ml a ve ileti ml e ısı geçişi ol ur. Buradan serbest sı vı yüzeyi ne t aşı nı ml a akt arılan ısı enerjisi, ileti m, taşı nı m ve buharlaş ma ile buhar hacmi ne geçer. Kayna manı n başlangı cında ol uşan il k kabarcıkl ar, ısıt ma yüzeyi nden ayrılarak serbest yüzeye yükselirler. Bu kabarcı klarla, yüzey oyukl arı nda kal an hava da sürükl enir. Düşük ısı akıları nda, yardı mcı ısıtıcı kullanıl madan, havuzda doy ma koşulları nı n el de edil mesi zordur. Bu nedenl e, buhar kabarcı kları, serbest sı vı yüzeyi ne ulaşa madan yoğuşabilirler Çeki rdekli Kaynama Bu böl ümde i ki farklı akış düzeni ne rastlanabilir. Şekil 2. 1 de gösterildi ği gi bi (c-e) böl gesi nde kabarcı klanma odakl arı nda ayrı k kabarcılar ol uşur ve yüzeyden ayrılır. Kabarcı klar t ek t ek seçilebilirler ve ko mşu odakl ar arası nda et kileşi m azdır. Bu esnada yüzeye yakı n bölgel erde artan karışı ma bağlı ol arak ısı t aşı nı m katsayısı ve ı sı akısı artar. Bu böl ümdeki ısı alışverişi ni n öne mli bir kıs mı yüzeyden, yüzey üzeri nde hareket eden sı vı ya doğr udan geçiş ile gerçekl eşir. Sı caklı k f ar kı T d arttırıtılıp (e) nokt ası na geli ndi ği nde kabarcı klanma odakl arı, kabarcı klanma art ar ve bu artış kabarcı kları n etkileş mesi ne ve birleş mesine neden ol ur. (e-f) aralığı nda ise buhar j et ve süt unl ar halinde yükselir ve buhar yastıkları ol uşur. Yüksek buharlaş ma debisi sonucunda ol uşan buhar süt unl arı arası ndaki et kileşi m açı kça gör ül ür Kabaracı kları n arası ndaki et kileşi m sı vı nı n yüzey yakı nı ndaki hareketini engeller. Yüzey kıs men ve aralı klarla kur uduğu i çi n, ortal a ma yüzey sı caklı ğı da yükselir (çekirdekli kayna madan ayrıl ma). Buhar debisi arttıkça, sıvı nı n yüzey üzeri ne akışı zorlaşır ve yüzey t a mamen buhar fil mi ile kapl anır. Bu koşullardaki ısı akısı, kritik ısı akısı (ya da maksi mum ı sı akısı) ol arak adlandırılır Kararsız Fil m Kayna ması Sı caklı k farkı T d, kritik ısı akısı na karşı gel en değeri n üzeri nde artırılırsa, yüzey üzeri ndeki kararsız buhar fil mi ni n, t aşı nı m akı ml arı ve yüzey gerili mi ni n et kisi yle, bir ol uşup bir kaybol duğu gözl enir. Sı vı nı n yüzeye t e mas ettiği nokt alardan ve buhar 6

23 fil mi ni n üst yüzeyi nden büyük buhar kabarcıkl arı nı n ayrıl dı ğı gör ülür. Yüzey sıcaklı ğı artırılırken, sı vını n ıslatabil di ği al an ve bununl a orantılı ol arak ısı akısı azalır. Yüzeyi n, sürekli bir buhar fil mi ile kapl andı ğı sıcaklı k farkı nda, en küçük ısı akısı gerçekl eşir ve bu durumli edenfrost nokt ası olarak adl andırılır Kararlı Fil m Kayna ması Yüzey sı caklı ğı daha da yükselirse, yüzey artık kararlı bir buhar t abakası ile kapl anır ve bu fil mi n üst ünden düzenli ol arak, büyük kabarcı klar ayrılır. Yüksek yüzey sıcaklı kları nda, buhar filmi nden ileti ml e ısı geçişine ışı nı mda eklenir. Far klı bası nçlarda yoğuşmakt a ol an buhar kullanılarak, fil m kayna ması nı n il k kıs mı da dahil ol mak üzere, kayna ma eğrisi ni n t a ma mı, el de edilebilir. El ektri kli ısıt mada ol duğu gi bi ı sı akı sı nın kontrol altı nda t ut ulduğu bir yüzeyde, kararsı z fil m kayna ması (f-g böl gesi) gör üle mez. f nokt ası nda ı sı akısı çok az artırılınca ol uşan biri nci derece karası zlık nedeni yl e çalış ma nokt ası ani den h ye kayar ve fil m kayna ması başlar. Bu nokt adaki sıcaklı k, bir çok dur umda met all eri n er gi me sıcaklı kları nı n üzeri ndedir. h nokt ası bu nedenl e, kavr ul ma nokt ası ol arak da adl andırılır. Uygun geri besle meli kontrol ile, f-g böl gesi nde çalışıl ması nı sağl ayan el ektri kli ısıt ma siste ml eri de mü mkün ol makt adır Doğal Taşı nı m Kayna ma eğrisi ni n il k kısı ml arı, (a-c) t ek fazlı doğal t aşı m bağıntıları yla belirlenebilir. Isı t aşı nı m katsayısı, bilinen bağı ntılarla hesapl andı ktan sonra, T d - q eğrisi ol uşt urulabilir. q h T y T d (2. 1) Doğal t aşı nı mdaki ısı taşı nı m katsayısı, aynı za manda, kayna manı n başladı ğı koşulları da belirler. 7

24 p 2. 3 Kabarcı k Ol uşumu Buhar kabarcı ğı nı n katı yüzey üzeri nde ol uş ması, büyü mesi ve yüzeyden ayrıl ması, kayna manı n öne mli aşamal arı dır. Bu aşa mal arı n anl aşılabil mesi i çi n sı vı-buhar faz değişi mi ndeki mekani z mal arı n ve et kenl eri n kavran ması gerekir [1, 2, 4, 5] Kı zgı n Sı vı Şekil 2. 3 te gösterilen p-v di agra mı nda A nokt asında ki bası nç p 1, ve sı caklı k T 2 dir. Bu kararsız dur umda olan kı zgı n sı vı nı n sıcaklığı, aynı p 1 bası ncı ndaki sı vı nı n doy ma sı caklı ğı ol an T 1 in üzeri ndedir. T 2 - T 1 sıcaklı k farkı sı vı nı n kı zgı nlık derecesi ol arak adl andırılır. Buna benzer dur um B nokt ası içi n de geçerlidir ve T 1 - T 3, sıcaklı k farkı buharı n aşırı-soğut ma derecesi dir. Kabarcı k ol uşumu i çi n geliştirilen çekirdekl enme t eorileri ve deneysel gözl e ml er, buharlaş manı n başla ması i çin sı vı nı n kı zgı n ol ması gerekti ği ni göster mekt edir. T 1 T 2 doy ma eğrisi p 1 A B T 1 T 3 v Şekil 2. 3 Kararsız haller ol an, kızgı n sı vı ve aşırı soğut ul muş buhar halleri Ho moj en ve Heterojen Kabarcı k Çeki rdekl enmesi Saf sı vılarda ho moj en buhar çekirdekl enmesi ni tanı ml a mak a macı ile, buhar fazı nı n ol uş ması i çi n çok sayı da mol ekül ün, aynı anda, etki nleş me enerjisi ne sahip ol mal arı gerekti ği kabul u yapılan istatistik esaslara dayanan teoriler geliştiril miştir. Yüksek enerjili mol ekülleri n, çarpış mal arla bir araya gel erek kü mel er oluşt urduğu, bu kü mel eri n de birleşerek, buhar kabarcı kları nı ol uşt urduğu varsayılır. Saf sı vılar içi n yapılan t eori k hesapl ar, ho moj en buhar çekirdekl enmesi ni n başla ması i çi n 8

25 gerekli ol an kı zgı nlı k derecesi ni ol dukça yüksek tahmi n et mekt edir. Ör neği n, 1 at m. bası nçtaki su i çi n gereken kı zgı nlı k derecesi, yaklaşı k ol arak 50 o C hesapl an makt adır. Hal buki deneysel çalışmal arda, 1 at m. bası nçt aki suda kabarcı k oluşu munun başla ması i çi n, 5 o C gi bi çok daha düşük kı zgınlık dereceleri ni n yet erli ol duğu gör ül mekt edir. Kayna ma ol ayı nda kabarcı klar, yüzey üzerindeki belirli odakl arda ol uşurlar. Mi kr oskopl a yapılan i ncel e mel erde odakl arı n, yüzey üzeri ndeki küçük kusurlar ve oyukl ar ol duğu gör ül müşt ür. Uygul a mada da kabarcı k ol uşumu katı yüzeyl er üzeri nde gör ül düğünden, het erojen ya da oyuk çekirdekl enmesi öne mli dir. Gerçek siste ml erde, sı vı ya karışan yabancı zerreler ve çözün müş gaz mol ekülleri de, kabarcı k ol uşumu i çi n odak et kisi yaparlar. Niteki m sı vı i çerisi nde çözün müş gaz bul unması dur umunda, saf sı vılara göre daha düşük t eori k kı zgı nlı k dereceleri hesapl anmakt adır Yüzeydeki Oyukl arda Kabarcı k Ol uşumu 4 3 sı vı 2 1 r r o 2 buhar Şekil 2. 4 Te mas açısı =90 o olan koni k bir oyukt aki buhar kabarcı ğı. Şekil 2. 4 de gör ül düğü gi bi koni k şekilli, i deal bir oyukt a, saf buhar bul unduğu kabul ü ile; t e mas açısı nın 90 o ol ması dur umunda, p s ve p b sı vı ve buhar bası nçları, r ise kabarcı k yarıçapı ol mak üzere, küresel ara yüzeyde mekani k denge yakl aşı k ol arak aşağı daki gi bi yazılabilir: p b 2 ps (2. 2) r 9

26 Ter modi na mi k denge, T s =T b, dur umunda gerçekleşir. Dol ayısı yla, denge dur umunda sonl u bir eğrilik yarıçapını n kor unması, sı vı sıcaklığı nı n, doy ma sı caklı ğı nın üzeri ne çı kması ile mü mkündür. Başka bir deyişle, sı vı ve buhar i çi n verilen özelik t abl oları fazlar arası yüzeyi n düz ol duğu dur uml arda geçerlidir. Çekirdekl enme koşul u ol an kı zgı nlı k derecesi ni veren genel bir bağı ntı el de et mek i çi n, doy ma eğrisi boyunca T- p arası ndaki ilişki t anı ml anmalı dır. Bu a maçla Cl apeyron bağı ntısı nı n en uygun ol duğu düşünül erek, h v sb sb dp T dt (2. 3) d yazılır. T=T d ol duğu dikkat e alı nırsa küçük bir sıcaklı k değişi mi i çi n, h sb /v sb T oranı nı n sabit ol duğu yaklaşı k olarak kabul edilebilir. İntegrasyon ile p h sb ps Tb Td (2. 4) vsbtd el de edilir. Denge dur umundaki kı zgı nlı k derecesi, denkl e m ( 2. 4) denkle m ( 2. 2) de yeri ne koyul up T T v 2 d sb b Td Ts Td (2. 5) hsbr ol arak bul unur. (2. 5) denkl e mi nde belirtilen denge dur umundan iti baren sı caklı k farkı arttıkça, Şekil 2. 4 de gör ül düğü gi bi kabarcı k büyür ve eğrilik yarıçapı azalır. Ar a yüzey ( 1) dur umundan ( 2) dur umuna yer değiştirir. Mi ni mu m eğrilik yarıçapı ise, şekil de gösterilen ( 3) dur umundaki yarı küresel kabarcı kta gerçekl eşir ve oyuk ağzı nı n yarıçapı na eşittir. Bu nokt adan sonra kızgı nlı k derecesi bir mi kt ar daha artırılırsa, kabarcı ğı n kararsız hal e gel di ği gör ül ür. Mekani k denge şartı nı n bozul ması, yarıçapı n büyü mesi ile gerçekl eşir. Kabarcı k çekirdekl enir ve özelli kle etrafı ndaki kı zgı n sı vı dan ısı geçişi ne bağlı ol an bir hı zla, gözl e gör ül ebilecek kadar büyür. Kayna manı n başla ması i çi n gerekli olan kı zgı nlı k derecesi ni et kileyen değişkenl er i çi nde, oyuğa ait t ek geo metri k büyükl ük, ağı z yarıçapı dır. Denkl e m (2. 5) i n geçerliliği deneysel olarak da kanıtlanmı ştır [5]. Isı geçiş yüzeyi ni çevreleyen kabarcı k etrafı ndaki sı vı t abakası nda sıcaklık değişi mi ol duğundan, ( 2. 5) eşitliği, r o yarıçapı na sahi p bir oyukt a kayna manı n başl a ması 10

27 y veya r koşul unu belirleyebil mek i çi n yet erli değil dir. Kabarcı ğı çevreleyen sı vı nı n kı zgı nlı ğı yet eri nce yüksel meden, oyukt a çekirdekl enme başlaya maz. Belirli bir ısı akısı nda et ki n çekirdekl enme odağı na dönüşen oyukl arın yarıçapı ile bu andaki yüzey kı zgı nlı ğı arası ndaki etkileşi mi modelleyebil mek a macı yla, yüzeyi çevrel eyen sı vı daki sıcaklı k dağılı mı ve sı vı ile buhar sıcaklı kları arası ndaki ilişki i çi n bazı t e mel kabulleri n yapıl ması gerekir. Sı vı içerisi ndeki sıcaklı k dağılı mı nı n doğrusal ol duğu kabul edilirse, T s T q y k (2. 6) y s yazılabilir. T b : (2. 4) eşitliği r maks ısıl sı nır tabaka kalı nlı ğı ( ) q r=r o içi n T s =T b ve (2. 6) T d T s : (2. 5) eşitliği T s T y r mi n T r o Şekil 2. 5 Kabarcı k ol uşumunda gerekli sıcaklı k dağılı mı. İlave ol arak kabarcı k yüzeyi ndeki her nokt ada sıvı sıcaklı ğı nı n, buhar sıcaklı ğı nı n üzeri nde ol duğu varsayılıp, Şekil 2. 5 de göz önünde bul undur ularak, aşağıdaki ilişki yazılabilir: T T ve y r o içi n s b dt s dtb (2. 7) dy dr (2. 5), (2. 6) ve ( 2. 7) denkl e ml eri nden, belirli bir ısı akısı nda et ki nleşen oyuğun ağı z yarıçapı, 11

28 log q r 0.5 Td vsb 2k s (2. 8) hsbq olarak ve ısı akısı-sıcaklık farkı arası ndaki ilişki de q h k T T 2 sb s y d (2. 9) 2Td vsb şekli nde el de edilir. denkl e m(2. 9) denkl e m(2. 10) tek fazlı doğal taşı nı meğrisi B KBN g KBN i A r maks r maks,i r maks, g log ( T y - T d ) Şekil 2. 6 r maks a bağlı olarak kayna ma başlangı ç nokt ası ( KBN). Şekil 2. 6 da gör ül düğü gibi, l ogt d -l ogq di yagra mı nda, (2. 9) denkl e mi ile t ek fazlı doğal t aşı nı m eğrisi ni n kesişi m nokt ası ol an A da il k çekirdekl enme odakl arı et ki nleşir ve kayna ma başlar. Deney bul gul arı, denkl e m ( 2. 8) ile A nokt ası ndaki ısı akısı i çi n hesapl anan ağız yarıçapı na sahi p oyukları n, ya uygul a madaki yüzeyl erde mevcut ol madı ğı nı ya da buhar çekirdeği ni t utamayacak kadar büyük oldukl arı nı göster mekt edir. Dol ayısıyl a bu oyukl ar çekirdekl enme odağı ol uşt uramazl ar. Bu dur umda, il k ol arak et kinl eşen en büyük oyuğun yarıçapı r maks ol mak üzere, ( 2. 9) denkl e mi yeri ne 12

29 q k T r T y d d sb (2. 10) maks T v h sb 2k r 2 maks yazılabilir. Kayna ma gerçekt e, doğal t aşı nı m eğrisi ni n ( 2. 9) denkl e mi yerine ( 2. 10) denkl e mi ile kesiştiği, sıcaklı k farkı nı n daha yüksek ol duğu B nokt ası nda başlar. (2. 10) denkl e mi, Şekil 2.6 da kesi kli çizgilerle gösterilen ve r maks artarken sol a doğr u kayan eğrileri verir. Herhangi bir yüzey-akışkan i kilisi içi n en büyük et ki n odak yarıçapı r maks, g dir. Gerçek kayna ma siste ml eri nde, yüzeydeki oyuklarda t ut unmuş ol arak ya da sı vı da çözün müş gaz bul unabilir. Çözün müş gaz derişi kli ği ni n çok yüksek ol duğu dur uml arda, ho moj en çekirdekl enme de gör ül ebilir. Çözün müş gaz genellikl e ısıtılan yüzeyi n yakı nı nda sı vıdan ayrılır. Denkl e m (2. 2) çözün müş gaz bul un ması dur umunda p b 2 ps pg (2. 11) r şekli ni alır. Bu denkl e mde belirtilen p g çözünen gazı n, çekirdekl enme odağı ndaki kıs mi bası ncı dır. Bu durumda denge hali içi n gerekli kızgı nlı k derecesi: Td vsb 2 T b Td pg (2. 12) h r sb ol arak bul unur. (2. 12) denkl e mi nden, çözün müş gazı n kı zgı nlı k derecesi ni düşür düğü gör ül ür. Hatta, doy ma sı caklı ğı nı n altındaki sı caklı klarda da çekirdekl enme gör ülebilir. Fakat p g basıncı nı n belirlenmesi mümkün ol madı ğı i çi n sadece niteli k açısı ndan değerlendir meler yapılabilir Çeki rdekl enme Odakl arı nı n Kararlılığı Yüzey oyukl arı nı n, hangi koşullarda çekirdekl enme odakl arı na dönüşebileceği i yi ce anl aşıl malı dır. Havuz dol durul urken yüzey üzerinde ilerleyen sı vı rastladı ğı bir oyuğun t abanı na ul aş madan önce, oyuk kesitini kapl arsa, oyuğun di bi nde bir mi kt ar hava hapsol ur. Bu dur umun gerçekl eş mesi i çi n öl çüt, t e mas ve oyuk açıları nı n Şekil 2. 4 deki gösteri mi ile, ol arak ifade edilebilir. Ayrılan her kabarcıkla, oyuk içerisi ndeki hava mi kt arı azalır ve kabarcı k ol uşumunun başladı ğı sıcaklı k farkı artar. Oyuğun içerisi nde sadece buhar kal dı ğı za man, sürekli duruma ulaşılır. 13

30 Gerçek kayna ma siste ml eri t ekrarlanan ısı nma ve soğu ma koşulları nda çalışır. Bir oyukt aki hava t ükenir ve sı caklı k doy ma sı caklı ğını n altına düşerse, denge koşulları deva m et mez; ara yüzey hi ç buhar kal mayı ncaya kadar oyuk i çi ne çekilir ve çekirdekl en me odağı etki nli ği ni kaybeder. Doğal ya da yapay ol sun, giri ntili (reentrant) oyukl ar, yüksek aşırı-soğut ma dereceleri nde et ki n kal abilirler. Şekil 2. 7a da gör ülen t ek giri ntili oyuk, ( 2. 5) denkl e mi ne uygun ol arak, giri nti ağzı nı n yarıçapı na bağlı ol an aşırı-soğut ma dereceleri nde buhar t utabilir. Fakat, t e mas açısı küçül dükçe, oyukt a buharı n tut ulabil diği aşırı-soğut ma derecesi de azalır. sı vı sı vı Buhar buhar r o r o r o r buhar a. Tek giri ntili oyuk b. İçiçe giri ntili oyuk Şekil 2. 7 Kararlı çekirdekl enme odakl arı ol uşt uran giri ntili oyukl ar. Te mas açısı çok küçük olan ( 0 o ) soğut ucu akışkanl ar ve al kali sı vı metaller, Şekil 2. 7a da gör ülen oyuğu, her hangi bir aşırı-soğuma dur umunda derhal dol dururlar. İçiçe giri ntili (doubl y re-entrant) oyukl ar ise, Şekil 2. 7b de gör ülen daha büyük bir eğrilik yarıçapı na kadar, aşırı-soğu ma koşulları nda buharı t utabilirler. Bu nedenl e, yukarı da belirtilen akışkanl arda karşılaşılan çekirdekl enme karasızlığı nı yenmek i çi n önerilirler. 4 sı vı 3 1 buhar 2 Şekil o gelişi mi. yüzey-akışkan i kilisi içi n, konik bir oyukt a buhar kabarcı ğı nı n 14

31 Oyuk, ıslanma ması dur umunda ( 90 o ) daha kararlıdır. Şekil 2. 8 deki koni k oyuk, he men t üm aşırı-soğut ma dereceleri nde buhar t utabilir. Yüzeyi ıslat mayan akışkan koşulları nda ( 90 o ) oyuğun kararlılığı çok daha i yi dir. Bu dur umda artı k, oyuk ağzı nı n yarıçapı kayna manı n başlangı cı nı belirleye mez. Çünkü kabarcı k, yarı küresel hal e gel meden önce, kararsızlaşır (3) ve yüzeyi n büyük bir kıs mı nı kapl ama eğili mi gösterir (4). Suyun t efl on ya da yağlı yüzeyl er üzeri ndeki düzensiz kayna ması, bu dur uma örnek verilebilir Et ki n Çeki rdekl enme Odakl arı nı n Belirlen mesi Çekirdekli kayna manı n teori k modelleri nde, et kin odakl arı n boyut dağılı ml arı na ilişki n verilere i hti yaç duyul ur. Kabarcı klar yüzeyi kapl adı ğı i çi n, çok düşük ı sı akıları dışı nda, kayna ma sırası nda yüzeyi n gözlenmesi ile güvenilir bilgiler el de edile me mi ştir. Çekirdekl enme odakl arı etrafında, za manl a ol uşan kalı ntıları n incelenmesi ile el de edilen bil gilere de, ol uşan çökeltileri n odakl ar üzeri ndeki et kileri nedeni yle güvenile mez [10]. Yüzey pür üzl ül üğünün öl çül mesi ya da el ektron t ara ma mi kr oskobu ile el de edilen f ot oğrafları n i ncelenmesi ile de ni cel bil gilere ul aşıl ması ol dukça zor dur. Çünkü hangi oyukl arı n, pot ansiyel çekirdekl enme odakları ol duğu açı k değil dir. Deneyl erde el de edilen ı sı geçişi bil gileri nden ( T d -q) yol a çı karak, yüzeydeki çekirdekl enme odağı yoğunl uğunun ( N/ A, [adet/ m 2 ]) belirlenmesi uygul anan yönt e ml erdendir. Böl üm 5 de açı klanan yarı-a mpiri k modelle mede de böyl esi bir yönt e myürüt ül müşt ür Doy muş Çeki rdekli Havuz Kayna ması Ayrı k Kabarcı klı Kayna mada Isı Geçişi Kayna manı n başla ması i çi n gereken koşullar ol uşt ukt an sonra, ısı geçişi yle kabarcı ğı n büyü mesi hızl anır. Çünkü buhar basıncı, yüzey gerili mi kuvvetleri ile dengel ene meyecek kadar artar. Kabarcı ğı n büyümesi, ısı geçişi ile ilişkili, di na mi k bir pr obl e mdir. Bir t ek kabarcı ğı n davranışı nı incele mek i çi n yapılan çalış mal ar, ancak düşük ısı akıları nda görül en, ayrı k kabarcı kları açı kla mak içi n uygundur. Isı geçişi yle önce kı zgın bir sı vı t abakası ol uşur. Kayna mada çekirdekl enmeni n et kisi yle ol uşan çal kantılar, kabarcı klardan doğr udan et kilenmeyen kısı ml ardaki 15

32 doğal t aşı nı ml a ısı geçişi ni de i yileştirir. Çekirdekl enmeden önce ve sonra, kabarcı ğı n etrafı ndaki kızgı n sı vı t abakası na yüzeyden geçi ci reji mde i leti ml e ısı geçişi ol ur. Kabarcı k, kı zgı n sı vı t abakası ndan ısı geçişi ve özellikl e i yi ıslatan sı vılarda ( 90 o ), yüzeyl e arası nda kal an ince sı vı t abakası nı n (mi crolayer) buharlaş ması ile hı zla büyür. Kabarcı ğı n i çerisinde, alt kısı ml arda buharlaş ma ve üst kısı ml arda yoğuş ma (gizli ısı geçişi) ol ur. Kabarcı k, kal dır ma kuvvetleri ni n et kisi yle yüzeyden ayrılıncaya kadar büyür. Yüzeyden ayrılan kabarcığı n, kı zgı n sı vı t abakasını n öne mli bir kıs mı nı da beraberinde sürükl e mesi, pompal a ma et kisi ya da mi kro t aşı nı m ( mi croconvecti on) olarak adlandırılır. 16

33 Bi r çekirdekl enme odağını n yakı nı na konu ml andırılan çok i nce bir t er moele man çifti veya i nce fil m al gılayıcı ile sıcaklı k çal kalanmal arı nı n kaydı yapılabil mekt edir. Sıradan bir sıcaklı k öl ç mesi ise, çal kantıları sönüml eyi p, yüzeyi n ortala ma sı caklı ğı nı ( T y ) izler. T y Ty (1) (2) (3) (4) t (1) kı zgı n sı vı tabakası (3) yüzeye soğuk sı vı kitlesi ni n hücu mu mi kr ot abaka Şekil 2. 9 Çekirdekl enme odağı nda sı caklı ğı n peri yodi k değişi mi ve kızgı n sı vı tabakası nı n kabarcı k ile sür ükl enmesi. Şekil 2. 9 da, bir çekirdekl enme odağı ndaki sıcaklık çal kantıları ve kabarcı ğı n il gili büyü me aşa mal arı gör ülmekt edir. Çekirdekl enmeni n başlangı cı il k an ol arak alı nırsa, mi kr ot abakanı n buharlaş ması ile kabarcı k büyür ken yüzey sı caklı ğı azalır (1). Mi kr ot abaka t a ma men buharlaşı nca ısı geçişi zorlaştığı ndan, yüzeyin sı caklı ğı yükselir (2). Bu sırada kabarcı k, kı zgı n sı vı t abakası ndan ısı geçişi yle ara yüzeyde deva m eden buharlaşmayl a büyü mesi ni sürdür mekt edir. Kabarcı k yüzeyden ayrıldı ktan sonra yeri ne hücu m eden sı vı kitlesi, yüzeyi n sı caklı ğı nı hı zla düşürür ( 3). Kı zgı n sı vı t abakası yüzeyden ısı geçişi yl e yeni den ol uş maya başlar ve yüzey sıcaklı ğı, çekirdekl enmeni n başla ması i çi n gerekli değere ul aşı ncaya kadar artar (4). Yer el sı caklı k çal kantıları, yüzeyi n mal ze mesi ne de bağlı dır. Ör neği n, ca m yüzeyl erdeki çal kantılar, ı sı ileti m katsayısı yüksek met al yüzeyl ere göre daha şi ddetlidir. 17

34 Anl atılan enerji akt arı m mekani z mal arı nı n bağıl et kileri, kayna ma siste mi ne göre de değiş mekt edir. Ör neği n, mi kr ot abaka buharlaş ması nı n t opl a m ı sı geçişi ndeki oranı, met anol içi n %50, su içi n %25 olarak ölçül müşt ür [5] Kabarcı ğı n Büyümesi ve Yüzeyden Ayrılması Buhar kabarcı kları nı n büyü mesi i çi n güvenilir bir mat e mati k modeli n geliştiril mesi a macı yla, çeşitli girişi mlerde bul unul muşt ur. Kabarcı ğı n şekli ve büyükl üğü ile ol uş ma şekli arası nda kuvvetli bir ilişki vardır. Kabarcı ğı n büyü mesi nde başl angı ç aşa ması nda suyun kaldır ma kuvveti ve hi drodi na mi k sürükl enme kuvvetleri kabarcı ğı yüzeyden ayrıl maya zorlarken yüzey gerili mi ve at alet kuvvetleri de yüzeyden ayrıl maya engel ol maya çalıştığı, daha sonraki aşa mal arda ise, sı vı-buhar ara yüzeydeki buharlaşma ve kı zgı n sı vı t abakası ndan ileti ml e ısı geçişi ni n daha et kiliği ol duğu düşünülmekt edir. At alet kuvvetleri, kabarcı k büyü mesi esnası nda sı vı nı yer değiştir mesi sonucu ol uşan di na mi k kuvvetlerdir. Kabarcı ğı n büyü me hı zı sı vı nı n kızgı nlı k derecesi ile doğru, aktif boşl uk büyükl üğü ile de ters orantılıdır. [1] Havuz kayna ması yla ısı geçişi nde, yüzeyden ayrılan kabarcı ğı n boyut u öne mli bir değişkendir. Kabarcı ğı n denge dur umundaki şekli, kılcallık t eorisi, ayrıl ma çapı ise, kütle çeki mi ve yüzey gerili mi kuvvetleri ni n dengesi ile t anı ml anabilir. Fritz [ 5], bu yakl aşı ml a kabarcı k ayrılma çapı içi n, d k (2. 13) gs b şekli nde bir bağı ntı önermi ştir. Denkl e m ( 2. 13) de gör ül en t e mas açısı nı n ( ) biri mi derecedir. Bu bağı ntı, su içerisi ndeki hi droj en ve buhar kabarcı kları da dahil, bir çok siste mden el de edilen bulgularla doğr ul anmı ştır. (2. 13) denkl e mi ni n kullanıl ması nda karşılaşılan en öne mli sor un, t e mas açısı ndan kaynakl anmakt adır. Çünkü, durağan hal de kol ayca öl çülebilen t e mas açısı yeri ne, öl çül mesi ol dukça zor ol an, hareketli koşullardaki temas açısı nın kullanıl ması daha gerçekçi dir. Yüzey gerili m kuvvetlerini n daha et ki n ol ması dur umunda ol uşan kabarcık küresel, at alet kuvvetleri et ki n olduğunda yarı küresel, eğer her i kisi de eşit derecede et ki n ise sferoi d şekli nde ol ur. 18

35 Kabarcı kları n çekirdeklenme odağı ndan ortalama ayrıl ma frekansı (f), [1/s=Hz] havuz kayna ması nda ısı geçişi i çi n öne mli değişkenl erden kabarcı k ayrıl ma frekansı, kı zgı n sı vı t abakası nı n ol uş ması ve kabarcı ğı n büyü mesi i çi n geçen sürel erden yararlanılarak hesapl anabilir. Ancak bu olayları n odağı n çekirdekl enme özeli kleri nden et kile mesi, ayrıl ma frekansı nı n öngör ül mesi ni zorlaştırır. Zuber [ 11], fd k çarpı mı nı n sabit ol duğunu göst eren deneysel bul gul ara uygun ol arak, kabarcı k ayrıl ma frekansı nı fd k g( ) s b 0.59 s 2 (2. 14) bi çi mi nde tanı ml a mı ştır Ayrı k Kabarcı klı Kayna ma Modelleri Kabarcı ğı n ol uş ması, büyü mesi ve yüzeyden ayrıl ması hakkı nda bili nenl er birleştirilip, kayna mayl a ı sı geçişi ni n öngör ül mesi ne çalışıl mıştır. Te mel ol gul ara dayanan modeller, henüz mühendislik hesapl a mal arı nda kullanıl maya uygun ol masalar da, kayna ma ile ısı geçişi ni n fizi ksel mekani z ması nı n kavranıl ması bakı mı ndan öne mli dirler. Han ve Griffith i n önerdikleri model, alt ol aylar arası ndaki ilişkileri n kavranması için i yi bir örnektir [12, 13]. Model de ısı geçişi ni n; (1) kı zgı n sı vı t abakası nı n kabarcı k beraberi nde sürükl enmesi (bul k convecti on) ve ( 2) doğal t aşı nı m ile gerçekleştiği ve bu mekani z maları n, aynı anda yüzeyi n farklı bölgel eri ni et kiledi ği kabul edil miştir ( Şekil 2. 10). Kabarcı k et ki n böl geleri n konuml arı nı çekirdekl enme odakl arı belirler. Yapılan basit deneyl erde bir kabarcı ğın, ayrıl ma çapı nı n i ki katı çapa sahi p dairesel bir al andaki kı zgı n sı vı t abakası nı sür ükl edi ği gör ül müşt ür. Han ve Griffith, kabarcık ayrıl ma frekansı ile yenilendi ği ni kabul ettikleri sı vı kitlesine geçi ci reji mde ileti mle ısı geçişi ol duğunu düşün müşl erdir. Isı akısı Böl üm 5 de ayrıntıları ile açı klanacağı gi bi her i ki mekani z ma ile geçen ısı akıları kullanılarak q q dt q k (2. 15) belirlenebilir. Kabarcı kları n biri m al andaki n k adet çekirdekl enme odağı ndan, ortala ma d k çapı nda ve f k frekansı ile ayrıl dı kları kabul edilerek, doğal t aşını m et ki n ısı geçişi; 19

36 qdt 1 Nk k dt y d 4 (2. 16) 2 2d h T T ve kabarcı k et ki n ısı geçişi; k k c f d N T T q 2 (2. 17) s s ps k k y d şekli nde hesapl anabilir. 1 R t b t a kabarcı k et ki n böl ge t bekl e me peri yod kı zgı n sı vı tabakası nı n ayrıl ma peri yod 4 Şekil Han ve Griffith i n önerdi kleri ayrı k kabarcı klı kayna ma modeli [12, 13]. Denkl e m ( 2. 16) ve ( 2. 17) ni n kullanılabil mel eri içi n kabarcı k ayrıl ma çapı, frekansı ve çekirdekl enme odakları nı n yoğunl uğu bilinmeli dir. Kabarcı k frekansı, geçi ci reji mde sı vı t abakası na ileti ml e ısı geçişi nden, ayrıl ma çapı ise ortala ma kabarcı k büyü me hı zı nda çekilen f ot oğraflardan öl çülen di na mi k t e mas açısı kullanılarak denkl e m ( 2. 13) ile hesapl anmı ştır. Çekirdekl enme odakl arı nı n yoğunl uğu, ayrı k kabarcı klı kayna mada gözl enen qt d ilişkisi nden yararlanılarak öngör ülmüşt ür. Mi ki c ve Rohsenow [ 14] da bu model de bazı değişi kli kler yaparak, deneysel bul gul arla uyuml u sonuçlar el de et mişlerdir. 20

37 doğal taşı nı m böl gesi # ayrılan kabarcı ğı n iz düşü m al anı kabarcı k et ki n böl ge çekirdekli kayna ma böl gesi q k ısı geçiş yüzeyi q dt q mb Şekil Judd ve Hwang ı n önerdi kleri mi krotabaka buharlaş ması modeli [16]. Judd ve Hwang [15], mi krotabaka buharlaş ması nı da model e ekleyerek ısı akısı nı, q q q q (2. 18) dt k mb şekli nde t anı ml a mı şlardır ( Şekil 2. 11). Denkl em ( 2. 18) deki son t erim il e ancak deneyl er yapılarak belirlenebilen mi krotabaka hac mi de değişkenl ere ekl enmi ştir. Mi kr ot abaka buharlaş ması modeli nde ısı geçişi ni n doğr u öngör ülebil mesi i çi n kabarcı k et ki n böl genin çapı, kabarcı k ayrılma çapı nı n 1. 3 katı na eşit kabul edil meli dir. Kayna mada ısı geçişi ni n fi zi ksel mekani z mal arı nın anl aşıl ması na kat kısı bul unan bu modeller, el de edil mesi çok zor ol an mi kroskobi k verileri n kullanıl ması nı gerektirdi kl eri nden henüz mühendislik hesapl arı içi n uygun değil dirler [1, 2, 5, 6, 16-22] Çeki rdekli Kaynamada Et kili Değişkenl er Akı şkan: Çekirdekli kayna ma ile ısı geçişi nde akışkan özeli kleri; p, v sb, h sb,, k,, c p ve yüzey-akışkan i kilisini n bir özeli ği ol an, öne mli değişkenlerdir. Sı vı içerisi nde çözünmüş gazları n derişi mi de kabarcı k çekirdekl enmesi ni et kilemekt edir. Yüzey koşull arı: Yüzey mal ze mesi ni n t er mofiziksel özeli kleri nden k, ve c p bazı hallerde öne mli dir. Mekani k özeli kler, bir yüzey işle me yönt e mi yl e ol uşacak oyukl arı n boyut dağılı mı hakkı nda fi kir verir. Sistem il k kez çalıştırılırken, oyukl arda tut unan gaz mi kt arı da çekirdekl enmeni n başladı ğı sıcaklı k farkını et kiler. 21

38 Kapl a mal ar, yüzeyi n oksitlenmesi veya kirlenmesi gi bi dur uml ar da ıslatılabilirliği, dol ayısı yla et ki n oyuk boyutları nı belirleyen di ğer et kenl erdir. Yüzeyi n ve havuzun geo metrisi: Bu değişkenler, doğal t aşı nı ml a ısı geçişi ve kabarcı kları n hareketleri üzeri nde et kilidirler. Kütl e kuvvetleri: Yapılan deneyl erde, çok küçük veya büyük yer çeki mi ni n de kayna ma ile ısı geçişi ni etkiledi ği görül müşt ür. Isıt ma yönte mi: Isıt ma yönt e mi ni n kayna maya etkisi, aynı za manda ısı geçiş yüzeyi ol arak da kullanılan dirençlere alternatif akı mı n uygul anması duru mu hariç öne msi zdir. Alternatif akı mı n faz evreleri, çekirdekl enmeyi et kileyebil mektedir. Hyt eresis ve yaşl anma: Isı akısı artırılırken ve azaltılırken kayna ma eğrisi nde gör ülen farklılıklar, çekirdekl enme ol ayı na özgü belirsizliklerden ileri gelir. Hyst eresis et kisi ol arak adl andırılan bu ol gu, ıslatma kabiliyeti yüksek sı vılarda daha belirgi ndir. Isı geçişi nde, za man i çerisi nde oyukl arda hapsol an gazl arı n t üken mesi ve yüzeyi n kirlenmesi gi bi nedenl erle gör ül en değişmel er, yüzeyi n yaşlanması ol arak nitelendiril miştir. Hysteresis ve yaşlanma et kileri, deneysel bulgul arla da kanıtlanmı ştır. Şekil den anl aşılacağı gi bi, çekirdekli kayna ma ile ısı geçişi nde et kili değişkenl eri n ni celenmesi ve araları ndaki ilişkileri n kusursuz ol arak t anı ml an ması i mkansızdır. Bu nedenl e, kayna ma siste ml erini n t asarı mı nda, ısı geçişi ni n öngör ül mesi i çi n a mpirik bağı ntılardan yararlanıl makt adır. Dol ayısı yla kayna ma il e ısı geçişi içi n en güvenilir araştır ma yönt e mi halen kontroll ü deneyl erdir. 22

39 Ma kr oskobi k Çekirdekli kayna ma eğrisi veya bağı ntısı Ma kr oskobi k ve İstatistiksel Çekirdekl enme odakl arı nı n yoğunl uğu Kabarcı k ayrıl ma frekansı Kabarcı klar arası et kileşi m Kabarcı k ayrıl ma çapı Kı zgı n sı vı tabakası nı n ol uş ması Kabarcı ğı n büyü mesi Mi kr oskobi k Çekirdekl enme öl çütleri Kabarcı k büyü me hızı Kabarcı k ayrıl ma ölçütleri İstatistiksel Yüzey koşull arı a. oyukl arı n boyut dağılı mı b. te mas açısı (ıslatılabilirlik) c. ısıl özeli kler Ge nel koşull ar a. aşırı soğu ma derecesi b. yer çeki mi c. yüzeyi n nor mali ne göre yer çeki mi ni n doğrult usu Şekil Çekirdekli kayna ma ile ısı geçişi nde etkili değişkenl eri n ni cel mert ebeleri ve araları ndaki et kileşi ml er [23, 24] Ta m Geliş mi ş Çekirdekli Kayna ma Bağı ntıları Kayna ma eğrisi ni n l ogarit mi k eksen t akı mı nda doğr usal gör ünen çekirdekli kayna ma böl gesi ni n t anı ml anabilmesi i çi n bir çok girişim yapıl mıştır. Bu a maçla geliştirilen bağı ntılardan, yarı analitik yönt e ml er ve boyut analizi ile t üretilenler di ğerleri nden daha i yi sonuçl ar ver mi ştir. Rohsenow [ 25], kaynamada ısı geçişi ni n öne ml i kıs mı nı n doğr udan sı vı ya geçti ğini kabul edi p, t ek fazlı t aşı nı m bağı ntıları nda kullanılan boyutsuz sayılar ile Nu f Re,Pr (2. 19) şekli nde bir ilişki önermi ştir. (2. 19) denkl e mi, en çok bilinen ve beni msenen çekirdekli kayna mayl a ısı geçişi bağı ntısı dır. Rohsenow, yüzey yakı nındaki sı vı kitlesi ni n kabarcı klarla sürükl enmesi ve ol uşan çal kantılar nedeni yle, t ek fazlı zorlanmı ş t aşı nı m bağıntıları nda kullanılan boyutsuz sayı gr ubunu seç mi ştir. 23

40 Reynol ds sayısı, kabarcığa et ki yen eyl e msi zli k kuvvetleri ne, sürt ünme kuvvetleri ni n oranı Re k m d b k (2. 20) s ve karakt eristik uzunl uk ol arak seçilen kabarcı k ayrıl ma çapı, buharı n kütlesel hı zı (m b ) [kg/s m 2 ] ( Kütlenin kor unu mu il kesi gereği nce, sı vı nı n kütlesel hızı na ( m s ) [kg/s m 2 ] eşittir.) ve sı vını n di na mi k viskozitesi ile t anı ml an mı ştır. Buharın kütlesel hı zı, 3 m b dkbfnk (2. 21) 6 şekli nde yazılabilir. Nusselt sayısı da kabarcı k ayrıl ma çapı na göre tanı ml anarak, Nu k q d k (2. 22) (Ty Td )ks yazıl mıştır. Kabarcı klara gi zli ısı geçişi, 3 qg hsb dkfbnk (2. 23) 6 şekli nde hesapl anabilir. Yapılan deneyl er ısı akısı nı n, geniş bir aralı kta çekirdekl enme odakl arı nın yoğunl uğuyl a orantılı olduğunu göster mekt edir: qn k (2. 24) Bu nedenl e ısı akısı, kabarcı klara gizli ısı geçişi ne bağlı olarak, q C q q g (2. 25) yazılabilir. Sı vı nı n Prandtl sayısı, Pr s cp k (2. 26) s da kullanılarak, (2. 19) denkl e mi 24

41 Rek Pr n m CRek Prs (2. 27) Nu k bi çi mi nde yazıl mıştır. Kabarcı k ayrıl ma çapı ( d k ), Fritz bağı ntısı (denkl e m (2. 13)) ile hesapl anırsa, denkl e m(2.27) c s T y h T sb d Cq Cq Cya n q hsb s g s b n m c k s (2. 28) şekli ni alır. Çekirdekli kayna ma ile ısı geçişi i çi n, belirli bir yüzey-akışkan i kilisi ne özgü et kenl eri n t a ma mı, C ya katsayısı ile t e msil edilir. Denkl e m ( 2. 28), doy ma koşulları ndaki özeli kler kullanıl dı ğı ndan, doy muş çekirdekli kayna ma ile ı sı geçişi içi n genel bir bağı ntı dır. Başka bir deyişle çekirdekli kayna ma ile ısı geçişi, akışkan ve yüzey özeli kleri ile doy ma bası ncı ve sıcaklı k farkı nı n bir fonksi yonu olarak, q=f (bası nç, akışkan, yüzey) ( T y - T d ) 1/ n (2. 29) tanı ml anmı ştır. Denkl e m ( 2. 28) de gör ül en n ve m sabitleri i çi n sırası yla, ve 1. 7 sayıları öneril miştir. Değişi k yüzey-akışkan i kilileri i çi n, Rohsenow ve bu konuda çalışan di ğer araştır macıları n deneyl er ile belirledi kleri C ya katsayıları, bir çok kaynakt a bul unabilir. Kayna ma siste ml eri ni n t asarı mı nı n sadece il k aşa mal arı nda kullanıl ması önerilen bu katsayıları n, i ncelenen siste me ait gerçek veriler ile yeni den hesapl anması gerekli dir. Su ile yapılan deneyl erde, doy ma bası ncı ndan bağı msı z ol arak, (2. 28) denkl e mi nde m=1 alı nması nı n daha doğr u sonuç verdi ği görül müşt ür. Bunun nedeni, suyun Prandtl sayısı nı n doyma basıncı yla monot on art ma ması dır. Her hangi bir yüzey-akışkan i kilisi içi n, varol an yönt e ml er ile deneysel bil giler ol maksızı n, kayna mayl a ısı geçişi ni n öngörül mesi mü mkün değil dir [5]. Deneysel bul gul arı n, sadece istatistik yönt e ml er ile değerlendiril mesi yle geliştirilen çekirdekli kayna ma bağıntıları da vardır. St ephan ve Abdelsala m [ 19], kayna ma il e ısı geçişi ni n mekani zması nı et kiledi ği ni düşündükl eri fizi ksel özeli kler ve değişkenl er ile 13 adet boyutsuz sayı t anı ml amı şl ardır. Araştır macılar, boyutsuz sayılar araları ndaki ilişkini n çarpma ol duğunu var sayarak, düzenl edi kleri gr upl arı n çarpan ve üs katsayıları nı en küçük kareler yönt e mi yl e hesapl amı şl ardır. Akı şkanl arı n, su, hi drokarbonl ar, kri yoj eni kler ve soğut ucul ar ol mak üzere dört alt 25

42 gr uba ayrıl dı ğı araştır mada, yakl aşı k 5000 veri nokt ası değerlendiril miştir. Sonuç bağı ntıları nda, t anı ml anan 13 boyut suz sayı dan sadece 8 i kullanıl mıştır. Her bir akışkan gr ubuna ait bağı ntı da ise, bu sayılardan sadece 3-5 t anesi yer al mı ştır. Çekirdekli kayna mada ısı taşı nı mkatsayısı, genel yapısı h=c( p) (q) n (2. 30) bi çi mi ndeki denkl e ml erle t anı ml anmı ştır. Her bir akışkan gr ubu i çi n n üssü sabittir fakat, c(p) bası nç f onksiyonu grafi kler ile verilmi ştir. Su i çi n önerilen ısı t aşı nı m katsayısı ve ısı akısı bağıntıları sırası yla, h=c 1 (p) (q) (2. 31) ve q=[c 1 (p) ( T y - T d )] (2. 32) dir. Denkl e m ( 2. 31) ve ( 2. 32) de gör ülen c 1 (p) f onksi yonu, doy ma bası ncı nı n bağı msı z değişken ol duğu bir grafi k ile ayrıca veril miştir [18]. Yüzey mal ze mesi ni n ve işle me yönt e mi ni n çekirdekli kayna mada ısı geçişi ni et kiledi ği bilinmekl e birlikte, yüzey pürüzl ül üğü sadece kri yoj eni k akışkanl ar için önerilen bağı ntı da kullanıl mıştır. Forster ve Zuber i n [26] geliştirdi kleri ks cps s 1.24 q T y Td P d (2. 33) s h sb b bağı ntı da çekirdekli kayna mada ısı geçişi ni n hesabı i çi n kullanıl maktadır. P d, T d =T y - T d sıcaklı k farkına karşı gel en doy ma bası ncı farkı dır. Denkl e m ( 2. 33) de (k s )[k W/ mk], (c ps )[kj/kgk], ( s ve b ) [kg/m 3 ], ( T y ve T d ) [ K], (P d ) [ Pa], ( s )[ Ns/ m 2 ], ve ( h sb )[kj/ kg] biri ml eri nde kullanılırsa, hesapl anan ısı akısını n ( q ıı ) biri mi [ W/ m 2 ] dir. Borishanski ni n [27] Termodi na mi k benzerlik ilkesi yle geliştirdi ği q 3.33 T T ) F(P ) * 3.33 (A ) y d i (2. 34) 26

43 bağı ntı yla ısı akısı, (q ıı )[ W/ m 2 ] biri mi nde hesapl anabilir. F( P i ), P k, kritik bası nç ol mak üzere i ndirgenmi ş bası ncı n ( P i =P/ P k ) bir fonksi yonudur. Mostinski [29], denkl e m(2. 34) de görülen A * ve F( P i ) içi n sırası yla, A * = P k (P k )[bar] (2. 35) ve F( P i )=1. 8P i P i P i 10 (2. 36) bağı ntıları nı öner mi ştir. Gor enfl o [ 6], çekirdekli kayna ma ile ısı geçişi i çi n, P i0 =0. 1, R p0 =0. 4 [ m] ve q =20000 [ W/ m 2 ] koşulları nda t anı ml adı ğı, referans ısı t aşı nı m katsayısına ( h 0 ) [ W/ m 2 K] bağlı bir hesap yönt e mi öner mi ştir: nf q q R h h (2. 37) 0Fp 0 p R p0 Su i çi n, Denkl e m ( 2. 37) deki bası nç düzelt me katsayısı ( F p ) ve ısı akısı düzelt me üssü (nf), indirgenmi ş bası ncı n (P i =P/ P k ) bir fonksiyonu olarak sırası yla, F p Pi 6.1 Pi 1 P (2. 38) i ve nf P i (2. 39) şekli nde tanı ml anmı ştır Çeki rdekli Kaynamada Maksi mu m( Kritik) Isı Akısı Şekil 2. 1 deki kayna ma eğrisi nde f nokt ası ile göst erilen, çekirdekli kayna mada maksi mu mısı akısı nı n mekani z ması içi n iki ayrı gör üş vardır. Kabarcı k t a mponu modeli: Bu model de, et ki n çekirdekl enme odakl arını n sayısı artınca, komşu kabarcı kları n birleşerek yüzeyi kapl adı kları kabul edilir. Hi dr odi na mi k kararsızlık modeli: Yüksek ısı akıları nda, et ki n çekirdekl enme odakl arı n yoğunl uğu ve buharlaş ma hı zı arttıkça, buhar süt unl arı arası ndan sı vı nı n 27

44 yüzeye doğr u aktı ğı kesitler küçül ür. Sı vı-buhar ara yüzeyi, bağıl hı zı n art ması yl a karasızlaşır ve ısı geçiş yüzeyi buhar fil mi yle ört ülür. 28

45 3. TAŞI NI MLA ISI GEÇİ Şİ Nİ Nİ Yİ LEŞTİ RİL MESİ Taşı nı ml a ısı geçişi ni n i yileştiril mesi (enhance ment, augment ati on, i nt ensificati on), ısı bili mi ni n öne mli bir araştır ma konusudur. Başt a ot omoti v ve soğut ma endüstrileri ol mak üzere, t aşı nı ml a ısı geçişini n ve ısı değiştiricileri ni n kullanıl dı ğı uygula mal arda, iyileştiril miş ısı geçiş yüzeyl eri ne gereksi ni mvardır [8, 29-35]. Taşı nı ml a ısı geçişi ni n i yileştiril mesi, önceli kle enerji ekonomi si i çi n istenir. İl k yatırı m ve işlet me gi derleri ni n düşürül mesi, ısı değiştiricileri ni n boyutları nı n küçült ül mesi ve ağırlıkları nı n azaltıl ması di ğer öne mli a maçl ardır. Yüksek ısıl zorlanma koşulları nda çalışan donanı m ve aygıtları n, (örneği n, el ektronik devre el e manl arı vs) güvenilir ve uzun ö mürl ü ol mal arı nı n istendi ği duruml arda, t aşını ml a ısı geçişi ni n i yileştiril mesi bir zorunl ul ukt ur. ISI AKI SI NI N( q) ARTI RI LMASI ISI TAŞI NI M KATSAYI SINI N( h) ARTI RI LMASI a) Isı taşı nı mkatsayısı nı n (h) artırıl ması q h (T yüzey T akışkan b) Topl a mısı geçiş katsayısını n ( U) artırıl ması q U (T sıcak akışkan ) T soğuk akışkan Şekil 3. 1 Taşı nı ml a ısı geçişi ni n i yileştiril mesi nde ilkel er ve a maçl ar [34]. ) a) Isıl gücün artırıl ması q A h (T T ) Isı geçişi ni n i yileştiril mesinde asıl gaye, daha yüksek ı sı akıları yla çalış maktır. Sı caklı k farkı ve yüzeyi n al anı sabit t ut ul urken ısı akısı nı artır mak i çi n, ısı t aşı nı m katsayısı yükseltil meli dir. Varol an bir ısı değiştiricisi ni n kapasitesi ancak ısı t aşı nım katsayısı yükseltilerek artırılabilir. Isıl kapasiteni n sabit kal dı ğı uygul a mal arda, ı sı geçişi iyileştirilerek sı caklı k farkı düşürül ebilir. İki-akışkanlı ısı değiştiricileri nde kapasite sabit tut ul up ısı geçişi iyileştirilirse, sıcaklı k farkı düşer ve İki nci Kanun veri mi yükselir [34]. b) Boyutl arı n küçültül mesi q A h (T T ) y y a a c) Sı caklı k farkı nı n azaltıl ması q A h (T T ) y a 29

46 Gövde-boru ti pi ısı değiştiricileri ni n boru t arafı nda, gövde t arafı nda veya her i ki t arafta birden t aşı nı ml a ısı geçişi i yileştirilebil mektedir. Ör neği n, buharlaştırıcı ve yoğuşt urucul arı n her i ki tarafı nda ısı geçişi ni n i yileştiril mesi mü mkündür. Isı geçişi ni n iyileştiril mesi i çi n kullanılacak borunun geometrisi, faz değişi mi ni n boru veya gövde tarafı nda ol ması na göre seçilir [8] Taşı nı ml a Isı Geçişi ni İyileştir me Yönte ml eri Taşı nı ml a ısı geçişi ni i yileştir me yönt e ml eri, pasif ve aktif ol mak üzere i ki ana gr uba ayrılabilir. Pasif yönt eml erde, dış bir gücün kullanıl ması gerekmezken, aktif yönt e ml erde mekani k etkiler, el ektri k ve manyeti k al anl ar gi bi değişi k enerji kaynakl arı ndan yararlanılır. Tabl o 3. 1 de t aşı nı ml a ısı geçiş düzenl eri ne uygul anabilen, pasif ve aktif iyileştir me yönt e ml eri görül mekt edir. Tabl o 3. 1 İyileştir me yönte ml eri ve uygul anabil di kleri ısı geçiş düzenl eri [8]. Tek fazlı doğal taşı nı m Tek fazlı zorl anmı ş taşı nı m Çeki rdekli havuz kayna ması Zorl anmı ş taşı nı mlı kayna ma Yoğuş ma Pasif Yönte ml er İşlenmi ş yüzeyl er Çı kı ntılı yüzeyl er Genişletil miş yüzeyl er Sondal ar Çevri ntili-akış araçları Sar mal kı vrıl mış borular Yüzey gerili mi araçları Sı vı akışkanl ar içi n kat kılar Gaz akışkanl ar içi n kat kılar Aktif yönte ml er Me kani k et kiler Yüzeyi n titreştiril mesi Akı şkanı n titreştiril mesi El ektri k ve manyeti k al anl ar Enj eksi yon Emme Akı şkan jeti Bil eşi k yönt e ml er : uygul anabilir, : uygul ana maz 30

47 Pasif Yönte ml er Taşı nı ml a ısı geçişi ni iyileştir mek i çi n geliştirilen pasif yönt e ml erde, peri yodi k ol arak, ya ısıl sı nır t abaka parçalanır ya da akışın yol u veya kesiti değiştirilir. Bu a maçl arla ısı geçiş yüzeyi ni n geo metrisi nde ve akı ş kanalı nda özel düzenl e mel er yapıl makt adır. Pasif yönt e ml er arası nda; yüzeyl eri genişlet mek, kapl a mak, pür üzlendirmek ya da yüzeyl ere yi v, ol uk veya daha kar maşı k geo metrileri işle mek sayılabilir. İç akışlarda taşı nı ml a ısı geçişi ni n i yileştiril mesi i çi n kullanılan pasif yönt e ml ere, bor uları n i çi ne yerleştirilen sondal ar ve bor uları n sar mal şekilde kı vrıl ması ör nek verilebilir. Akı şkanl ara, sı vı veya gaz ol mal arı na ve faz değiştir me dur uml arı na göre, katı taneci kleri n, gaz kabarcıkları nı n, sı vı da ml acı kları nı n ve yüzey gerili mini azaltan ki myasal maddel eri n karıştırıl ması da pasif yönt e ml er başlığı altı nda değerlendiril mekt edir. İşlenmi ş yüzeyl er: Met al veya met al ol mayan yüzey kapl a mal arı nı i çerir. Kayna ma ve yoğuş ma ile ısı geçişini n i yileştiril mesi a macıyl a, üzeri nde t ek fazlı taşı nı ml a ısı geçişi ni et kile meyecek düzeyde değişi kli kler yapılan yüzeyl erdir. Ör nek ol arak tefl on gi bi ıslanmayan kapl a mal arda yoğuş manı n i yileştiril mesi a macı yl a kullanılabilir. Çı kı ntılı yüzeyl er: Tek f azlı t aşı nı ml a ısı geçişi ni n i yileştiril mesi i çin, al anı n geni şl et mesi nden zi yade çal kantıları artırma k a macı yl a, üzerinde ku m taneci kleri nden düzenli çıkı ntılara kadar değişebilen şekil ve boyutlarda pür üzl ükl er bul unan yüzeyl erdir. Boru i çerisi ndeki akışta t el kangal şekli nde bor unun i ç yüzeye sarıl ması da bir örnek olarak verilebilir. Genişletil miş yüzeyl er: Birçok ısı değiştirgeçi nde uygul anan bir yönt e mdir. Çoğunl ukl a ısıl direnci n yüksek ol duğu gaz t arafında, sadece yüzeyi genişlet mek i çi n kullanılan farklı geometrilerde kanatları bul unan yüzeyl erdir. Yüzeyi genişlet meni n yanı sıra ısı t aşı nı m katsayısı nı da artıran kesi ntili kanatları n kullanıl dı ğı uygul a mal ar da vardır. Sondal ar: İç akışlarda zorlanmı ş t aşı nı ml a ısı geçişi ni i yileştir mek i çi n, sı nır tabakaları n peri yodi k ol arak parçalanı p t ekrar geliş mesi ve çal kantıları artır mak i çi n düz bor ul arı n i çi ne yerleştirilen gereçlerdir. Tek ve çift fazlı akışlar i çi n kullanılabilirler. 31

48 Çevri ntili-akış araçları: Zorlanmı ş t aşı nı ml a ısı geçişi ni i yileştir mek i çi n, düz bor uları n i çi ne yerleştirilen helisel şerit ya da yay benzeri araçlardır. Bunl ar akış içerisi ne he makış yönünü değiştir meyi sağlarlar he mde i ki nci bir akış ol uştur urlar. Sar mal kı vrıl mış bor ul ar: Yay gi bi kı vrılan bor uları n i çi nde gelişen i ki ncil akışlar, akış yol unu uzattıkları gibi çal kantıları da artırarak zorlanmı ş t aşı nı ml a ısı geçişi ni iyileştirirler. Bunl ar da daha veri mli ısı değiştirgeçleri i çi n kullanılabilir. Fakat istenilen i yileştir meni n sağl anabil mesi içi n kangal çapl arı nı küçük t ut ul ması gerekir. Yüzey gerili mi araçları: Akışkanı n yüzey gerili mi nden yararlanarak, akışı yönl endir mek ve faz değişi mi yle ( kayna ma ve yoğuş ma) ısı geçişi ni i yileştir mek içi n, yüzeyl er üzeri ne yerleştirilen/sarılan t eller, tel örgü t abakal arı ve fitillerdir. Aynı a maçl a yüzeyl ere yi v, oluk ve benzeri geometriler de işlenebil mekt edir. Sı vı akışkanl ar i çi n kat kılar: Tek fazlı akışlarda t aşı mı nl a ısı geçişi ni i yileştir mek içi n, sı vılara katı t aneci kler veya gaz kabarcı kları karıştırılabil mekt edir. Kayna mayl a ısı geçişi ni i yileştir mek i çi n ise, sı vı nı n yüzey gerili mi ni azaltan ki myasal maddel erden, katı tanecikl erden ve gaz kabarcı kları ndan yararlanıl makt adır. Gaz akışkanl ar i çi n kat kılar: Tek fazlı t aşı nı ml a ısı geçişi ni i yileştir mek i çin, gazl ara sı vı da ml acı kları ya da katı t aneci kler (süspansi yon veya akışkan yat ak) karıştırılabil mekt edir Aktif Yönte ml er Taşı nı ml a ısı geçişi ni n iyileştiril mesi i çi n ek bir enerji kaynağı ndan yararlanılıyorsa, yönt e m aktif ol arak nitelendirilir. Akışkanı n karıştırıl ması veya titreştiril mesi; yüzeyi n döndür ül mesi, silinmesi veya titreştiril mesi; el ektrostatik, elektromanyeti k veya akusti k al anlardan faydal anıl ması bilinen aktif yönt e ml erden bazıları dır. Gözenekli ısı geçiş yüzeyl eri nden akışkanı n fışkırtıl ması veya çekilmesi ya da yüzeyl ere akışkan j etlerini n çarptırıl ması da t aşını ml a ısı geçişi ni i yileştir mek i çi n kullanılan aktif yönt e ml er arası nda sayılabilirler. Me kani k et kiler: Özellikle yüksek viskoziteli sı vılara t aşı nı ml a ısı geçişi ni n iyileştir mesi i çi n, akışkan, bir kar maç ile veya yüzey döndür ül erek karıştırılır ya da ısı geçiş yüzeyi peri yodik ol arak silinir. Bu mekani k yüzey kar maçl arı ki myasal endüstrilerde kanal i çi nde gaz akışları nda yoğun sı vılara uygul anabilir. Bu t ür mal ze mel eri n ticari uygulamal arı bul unmakt adır. 32

49 Yüzeyi n titreştiril mesi: Genellikle t ek fazlı taşını ml a ısı geçişi ni n i yileştiril mesi a macı yla yüzeyi n düşük veya yüksek frekanslarla titreştiril mesi dir. Akı şkanı n titreştiril mesi: Tek fazlı t aşı nı ml a ı sı geçişi ni i yileştirilmek i çi n titreşi mden yararlanmanın en kol ay yol udur. El ektri k ve manyeti k alanl ar: Gazl ara ve yalıtkanlı k ( dielektri k) katsayısı yüksek sı vılara, alternatif veya doğr u akı m uygul andı ğı za man ol uşan el ektrostatik al anl arı n et kisi yle ısı geçiş yüzeyini n etrafı nda i ki ncil akışlar gelişir. Bu ol gudan, t aşı nı ml a ısı geçişi ni i yileştir mek i çin yararlanıl makt adır. Zorl anmı ş t aşı nı ml a ısı geçişi ni iyileştir mek i çi n, el ektrostatik ve manyeti k al anl ar bir arada kullanılarak, el ektromanyeti k pompal ama et kisi daha da artırılabilir. Enj eksi yon: Sı vılara t aşını ml a ısı geçişi ni i yileştir mek i çi n, gözenekli ı sı geçiş yüzeyl eri nden gaz püskürt ülerek veya ısı geçişini n gerçekl eştiği böl ümün he men önünden akışa karşı sıvı fışkırtılarak yapılır. Emme: Çekirdekli kayna ma ve fil m kayna ması nda buharı n, t ek fazlı t aşını mda i se akışkanı n gözenekli ısı geçiş yüzeyl eri nden i çeri ye çekil mesi ısı geçişi ni iyileştir mekt edir. Akı şkan j eti: Taşı nı ml a ısı geçişi, yüzeyl ere akışkan j etleri çarptırılarak da iyileştirilebil mekt edir. Bil eşi k yönt e ml er: Taşı nı ml a ısı geçişi ni i yileştirmek i çi n birden çok yöntemi n aynı anda kullanıl dı ğı uygul amal ardır. Kaçı nıl maz bazı işlet me koşulları da t aşı nı ml a ısı geçişi ni ol uml u veya ol umsuz et kileyebil mekt edir. Taşını ml a ısı geçişi ni et kileyen kaçı nıla maz işlet me koşulları na; kullanılan i mal at yönt emi ne göre yüzey pür üzlül üğünün değiş mesi, üreti m artı ğı veya daha sonra ol uşan katı t aneci kleri n yüzeyl er üzeri ne çökelmesi, dönel maki nel eri n veya akış darbeleri ni n et kisi yle yüzeyl eri n titreş mesi, pompal a manı n neden ol duğu akış titreşiml eri ve el ektri kli ci hazları n etrafı ndaki el ektrostati k al anl ar ör nek verilebilir Isı Değiştiricileri Yönünden Taşı nı ml a Isı Geçişi ni n İyileştiril mesi Zıt akışlı ısı değiştiricilerinde, L t opl a m bor u uzunl uğu ve T o ortala ma logarit mi k sıcaklı k farkı ol mak üzere biri mboru boyu içi n ısı geçişi, 33

50 UA q T o (3. 1) L [ W/ m] şekli nde yazılabilir. Biri m bor u boyu i çi n ı sıl direnç ( L/ UA) küçüldükçe, ısı değiştiricisi ni n et kenli ği artar. Isı değiştiricisi et kenli ği ni yükselt meni n 3 öne mli a macı vardır: 1-Isı değiştiricisi ni n boyutları nı küçült mek ve ağırlığı nı azalt mak: İ yileştiril miş ısı geçiş yüzeyl eri ile aynı kapasitede, boyutları daha küçük ve daha hafif ısı değiştiricileri üretilebilir. 2- UA çarpı mı nı artır mak: UA çarpı mı nı n artırıl ması iki farklı gaye içi n istenebilir: a- Sı caklı k farkı nı ( T o ) düşür mek: Isı değiştiricisi ni n ısıl kapasitesi ve topla m bor u uzunl uğu sabit t ut ul up, sıcaklı k farkı düşürül erek Ter modi nami k veri myükseltilip, işlet me gi derleri azaltılabilir. b-isıl kapasiteyi (q) artır mak: Topl a m bor u uzunl uğu ve akışkanı n giriş sıcaklı ğı sabit tut ul up, ısı değiştiricisi ni n kapasitesi artırılabilir. 3- Po mpal a ma gücünü azalt mak: Isıl kapasite sabit t ut ul up, i yileştiril miş ısı geçiş yüzeyl eri yle po mpal a ma gücünü azalt mak t eori k bakı mdan ol ası dır. Fakat bunun i çi n iyileştiril miş ısı geçiş yüzeyl eri ni n kullanıl dı ğı ısı değiştiricisi nde, akış hı zları nı düşür mek gerekir. Halbuki, akış hı zı nı n düşür ül mesi, kesiti, dol ayısıyla ısı değiştiricisi ni n boyutlarını büyüt eceği nden genellikle istenmez. Isı değiştiricisi ni n kullanı m yeri ne göre, bu üç hedeften bir t anesi dai ma önceli kli dir. Boyutl arı n küçült ül mesi bir çok dur u mda arzu edil mekl e birli kt e, ilk yatırı m gi derleri ni ve t esis ö mr ü boyunca yapılacak işlet me harca mal arı nı azalt mak daha öne mli dir. Isı değiştiricisini n boyutları nı n küçült ül mesi ancak, gi derleri n azal ması na eşli k ederse ya da haci m ve ağırlığı n öne mli ol duğu t aşıt araçları gi bi uygul a mal arda terci h edilir. Boyutların küçült ül mesi ni n, aynı za manda kullanılacak akışkan mi kt arı nı, dolayısı yla işlet me gi derleri ni de azaltacağı unut ul ma malı dır. 2 ve 3 nu maralı hedefler, işlet me gi derleri bakı mı ndan öne mli dir. Ör neği n, UA çarpı mı nı n artırıl ması, soğut ma siste ml eri ni n kompr esörleri ndeki enerji tüketi mi ni azaltır. Var ol an bir ısı değiştiricisi nde, i yil eştiril miş ısı geçiş yüzeyl eri nden po mpal a ma gücünü azalt mak yeri ne, kapasiteni n artırıl ması i çi n yaralanılabilir. Bu 34

51 sebepl e dai ma, özdeş i yileştir me et kisi ni daha küçük bası nç kaybı yl a gerçekl eştiren yönt e mseçil meli dir Isı Geçişi ni İyileştirme Yönt e ml eri ni n Et kenli ği Isı geçişi ni i yileştir me yönt e ml eri i çi n, genel bir et kenli k değerlendir me ölçüt ünden söz edile mez. Çünkü, alternatif yönt e ml er arası ndan en el verişlisini seç mek a macı yla, çok farklı nicel et kenli k değerlendir me öl çütleri tanı ml anmı ştır [8]. Et kenli k değerlendir mesi çoğunl ukl a, i yileştiril miş yüzeydeki ısı geçişi, aynı koşullarda düz yüzeyden ı sı geçişi ne oranl anarak yapılır. Bu yönt e mde, i yileştiril mi ş ısı geçiş yüzeyl eri nde ısıl kapasite debisi ni n ( ha) [ W/ K], düz yüzeyl ere göre daha büyük ol ması ndan faydalanılır. Bazı kaynakl arda iyileştir me oranı ol arak da geçen en basit nicel et kenli k değerlendir me biçi mi, ha İO (3. 2) ha düz şekli nde ifade edilebilir Isı Değiştiricileri nde Et kenli k Değerlendi r mesi Isı geçişi ni i yileştir me yönt e ml eri ni n, ısı değiştiricileri ni nasıl etkileyeceği bilinmeli dir. Bu a maçl a geliştirilen ni cel et kenlik değerlendir me öl çütleri, seçilen işlet me değişkeni ne göre ve genellikle üç farklı yol izlenerek tanı ml anmaktadır. 1- Önceli kli hedef: Et kenlik değerlendir mesi, Kı sım 3. 2 de açı klanan dört asıl gayeden bir tanesi öncelikli hedef seçilerek yapılabilir. 2-İşlet me koşulları: Etkenli k değerlendir mesi, akışkanı n debisi ve giriş sıcaklı ğı gi bi işlet me koşulları sabit tut ularak yapılabilir. 3- Tasarı m kısıtları: Kullanıl ması düşünül en yönte mi n et kenli ği, izi n verilen bası nç kaybı ( pompal a ma gücü), akış kesiti (veya hı zı) gi bi kısıtlar gereğince belirlenebilir. Böl üm 3. 2 de açı klanan 1 nu maralı hedef, ısı değiştiricisi ni n boyutları nı küçült ülerek ilk yatırı m gi derleri ni azalt maya yöneli ktir. 2 numar alı hedefte, ortala ma l ogarit mi k sıcaklı k farkı düşürülerek ve 3 nu maralı hedefte, varol an bir ısı değiştiricisi ni n 35

52 kapasitesi artırılarak, işlet me gi derleri ni n azaltılması a maçl anır. 2 ve 3 nu maralı hedefler, çoğu za man ilk yatırı m gi derleri ni artırırlar. Çünkü, ısı değiştiricisi nde kullanılacak düz ve i yileştiril miş yüzeyli borul arı n uzunl ukl arı eşit olsa bile, iyileştiril miş yüzeyli borul ar düz yüzeyli borulardan daha pahalı dır. Tek-fazlı ısı değiştiricileri i çi n, geometri yle il gili kısıtlara ve işlet me koşulları na göre, çok sayı da nicel et kenli k değerlendir me ölçütü tanı ml anabil mekt edir [8, 36]. Akı şkanl ardan en az birisini n faz değiştirdi ği ısı değiştiricileri nde, faz değiştiren akıştaki bası nç kaybı, ort ala ma sı caklı k farkı nı et kiledi ği i çi n, t ek-fazlı ısı değiştiricileri i çi n yapılan t anı ml ar kullanıl maz. Güç üreten veya t üketen ya da ı sı enerjisiyle çalışan çevri ml erdeki i ki-fazlı ısı değiştiricileri ni n etkenli kleri hesapl anırken, bası nç kayı pları nı n doy ma sı caklığı na et kisi de di kkat e alınmalı dır. We bb [ 8], i ki-fazlı ısı değiştiricileri içi n, kullanıl dı kları çevri m de göz önünde bul undur ularak geliştirilen ni cel et kenli k değerlendir me öl çütleri ni ayrıntıları yla açı kla mı ştır Havuz Kayna ması nda Isı Geçişi ni n İyileştiril mesi İçi n Et kenli k Değerl endi r mesi Havuz kayna ması nda et kenli k değerlendir mesi, sadece ısı geçişi bakı mı ndan yapılabilir. Havuz kaynaması nda ısı geçişi ni i yileştir me yönt e ml eri ni n etkenli kleri, deney sonuçl arı kullanılarak, özdeş ısı akısı nda (q) İO T d q T (3. 3) düz q veya özdeş sıcaklı k farkında ( T d ) İO q Td q düz Td bi çi mi nde tanı ml anabilir. Buharlaştırıcıları n gövde t arafı nda çekirdekli havuz kayna ması yla ısı geçişi ni iyileştir mek i çi n geliştirilen bor ul arı n et kenli kleri, daha kol ay ol duğundan genelli kle bir t ek bor u ile yapılan deney sonuçl arı yla belirlenmekt edir. Bu şekil de yapılan 36

53 deneyl erde belirli bir akışkan i çi n düz yüzeye göre, özdeş ısı akıları nda 10 kat a ve özdeş sıcaklı k farkl arı nda 50 kat a varan i yileştirme oranl arı bil diril miştir. Her hangi bir i yileştiril miş kayna ma yüzeyi ni n et kenliği, akışkana bağlı ol arak da değişebil mekt edir [7]. 37

54 4. ÇEKİ RDEKLİ KAYNAMADA ISI GEÇİ ŞİNİ N İ Yİ LEŞTİ Rİ LMESİ Kayna mada ısı geçişini i yileştir mek i çi n yapılan araştır mal arda i ncel enen yönt e ml eri n ve yüzey geo metrileri ni n çoğu, ekono mi k değer kazana ma mı ştır. Ancak bu araştır mal arda kaynamada ısı geçişi ni i yileştiren mekani z mal arla il gili i puçl arı el de edil miştir. Kayna mada ısı geçişi ni i yileştirebileceği düşünül en bir yönt e m il ki n, değişken sayısı nı n az ol duğu havuz kayna ması nda i ncelenir. Bu aşa mada, değişkenl eri n iyileştir me mekani z mal arı üzeri ndeki et kileri araştırılır. Yönt e m başarılı bul unursa, gerçek kayna ma siste ml eri ne uyarlanması na çalışılır. Ör neği n, yeni geliştirilen bir yüzey geo metrisi ni n, ısı değiştiricileri nde kullanılan bor ul arı n yüzeyl eri ne i şlenmesi içi n en ekono mi k üreti myönt e mi araştırılır Kayna mada Isı Geçişi ni İyileştir me Yönte mleri Dı ş veya i ç yüzeyl eri kayna mayl a ısı geçişi ni i yileştirecek geo metrilere sahi p bor ular, ticari ol arak üretil mekt e ve gövde-boru ti pi ısı değiştiricileri nde kullanıl makt adır. Bu borul ar, yüzeyi n geo metrisine ve i yileştir meni n yapıldı ğı t arafa göre sı nıflandırılabilir. Dış t arafı kanat çı klarla, i nce gözenekli bir t abakayl a veya çok girişli t ünellerle donatılmı ş, i ç t arafı kanat çı klı, içerisi ne sonda yerleştiril mi ş ya da her iki tarafı nda i yileştirme yapıl mış bor ular bul un makt adır[7] Çeki rdekli Havuz Kayna ması nda Isı Geçişini n İyileştiril mesi Kayna manı n fizi ksel mekani z ması yla il gili edinilen yeni bil giler, ısı geçişi ni n iyileştiril mesi i çi n değerlendiril meye çalışıl mıştır. Buhar kabarcı ğı nı n çekirdekl enmesi ve yüzeyden ayrıl ması, kayna mayl a ısı geçişi nde iki öne mli ol gudur. Bu ol gul arla ilintili çekirdekl enme odakları nı n yoğunl uğu, kabarcı k ayrıl ma çapı ve frekansı değişkenl eri gi zli ısı geçişi ni doğr udan, yüzey yakı nı ndaki çal kantı şi ddeti ile de duyul ur ısı geçişi ni dol aylı ol arak et kile mekt edirler. Yüzey koşulları çekirdekl enmede çok öne mli dir. Bu nedenl e, kayna mayl a ısı geçişi ni i yileştir mek 38

55 içi n yapılan il k araştırmal ar, yüzeyi n yapısı üzeri nde yoğunl aş mı ştır. Yüzey koşulları nı n kayna ma ile ısı geçişi ne et kileri yle il gili te mel araştır mal ar [ 7, 8, 30, 31, 33] nu mar alı kaynakl arda derl enmi ştir. Bu konudaki araştır mal ar hal en deva m et mekt edir [37-39]. Bundan sonraki kısı ml arda, çekirdekli kayna mada ısı geçişi ni i yileştir mek i çi n incelenen yönt e ml er, kronol oji k süreç de göz önünde bul undur ul arak özetlenecektir Aşı ndı rıcılarl a Yüzeyi n Pürüzl endi ril mesi Kayna mada ısı geçişi ni iyileştir mek i çi n yüzeyler, zı mparalanarak veya ku m gi bi aşı ndırıcı t aneci kler püskürt ülerek pür üzlendirilmi ştir. Ancak bu yolla, ı sı geçişi nde sağlanan i yileş me, kaynakl arda yaşlanma ol arak adl andırılan, yüzeyi n oksitlenmesi ve kirlenmesi gi bi nedenlere bağlı bir süreçle ortadan kal kmakt adır [7, 8] Ol ukl ar ve Yi vl er Düz bir yüzeye keski n ve si vri uçl u bir t akı m ile düzenli aralı klarla, paralel ol ukl ar işlenerek, kayna mada ısı geçişi i yileştiril meye çalışıl mıştır. Su ile yapılan deneyl er ol uk adı mı nı n 1. 6, 3. 2, 6. 4, ve 25 mm değerleri i çi ndir. Çalış mal ar sonucunda en i yi sonucun ol uk adı mı nı n 6. 4 mm değeri i çi n bul unmuşt ur. Bu sonuç değerendirilerek; ısı geçişi ni i yileştiren en i yi sonucun ( % 100), ol uk adı mı nı n kabarcı k ayrıl ma çapı nı n katı ol ması hali nde alı ndı ğı bildiril miştir [8] Gi ri ntili Oyukl ar Çekirdekl enmeni n yüzeydeki oyukl arda gerçekl eşti ği anl aşıldı ktan sonra, oyuk geo metrisi ni n kayna mada ısı geçişi ne et kisi araştırıl mıştır. İl k ol arak, i ç yüzeyi ıslatılamayan oyukl arda, çekirdekl enmeni n başla ması i çi n gerekli kı zgı nlı k derecesi ni n düşt üğü görül müşt ür. Oyuğun ağı z çapı nı n, çekirdekl enme i çi n gerekli kı zgı nlı k derecesi ni, oyuk şekli ni n ise odağı n kararlılığı nı et kiledi ği anl aşıl dı kt an sonra, giri ntili oyukl arla il gili araştır mal ar başlamı ştır. Giri ntili oyukl ar, kı zgı nlı k derecesi düşse de buharı t utan ve sı vı yla dol madan, et ki n kal abilen kararlı çekirdekl enme odakl arı dır. Ne var ki, bu konuda yapılan il k araştır mal arda kullanılan bağı msı z giri ntili oyukl arın bor u yüzeyl eri ne işlenmesi i çi n kol ay bir üretim yönt e mi geliştirileme mi ştir. Ancak, giri ntili oyukl arda kayna mayl a ısı geçişi ni n açı klanması 39

56 içi n yapılan araştır maları n, gözenekli yüzeyleri n ve çok girişli tünelleri n geliştiril mesi nde kat kısı öne mli dir Dağl anmı ş Yüzeyler Met al yüzeyl er, asitler kullanılarak da pür üzlendirilebilir. Vachon ve arkadaşları [40], dağl a ma ol arak adl andırılan bu yönt e mle hazırlandı kları ve parlattıkları paslanmaz çeli k yüzeyl erin kayna mayl a ısı geçişi et kenli kleri arası nda öne mli bir fark ol madı ğı nı bil dir mişlerdir El ektroliti k Kapl amal ar Kayna mada ısı geçişini i yileştir mek i çi n, yüzeyl eri n el ektroliz yönt e mi yl e kapl anması da denen mi ştir. Bliss ve ar kadaşları [41], paslanmaz çeli k borul arı mm kalı nlı ğı nda kad mi yu m, bakır ve kr oml a kapl a mı şlar ve bunun kayna mada ı sı geçişi ni % mertebesi ne i yileştirirdi ği ni sapt arken, kal ay, çi nko ve ni kel ile kapl anmanı n köt üleştirdiği ni açı kla mı şlardır Yüzeyi n Deli kli Levhal arl a Kapl anması Pal m [ 42], ısı geçiş yüzeyi ni 3- boyutl u ol arak şekillendirilen deli kli met al fol yol arla kapl a manı n, kayna mada ısı geçişi ni iyileştirdi ği ni göster mi ştir Tel veya Tel Örgü Tabakal arı Bor ul arı n dışı na t el sarılması ve yüzeyl eri n üzerine t el örgü t abakaları veya met al fitiller yerleştiril mesi, kayna mayl a ısı geçişini i yileştir mek i çi n denen mi ş yönt e ml erdendir. Araştırmal arda, t el örgü t abaka sayısı nı n, gözenek boyut unun ve teması i yileştir mek i çi n yüzeye bastırıl mal arı nın, kayna mayl a ısı geçişine et kileri incelenmi ştir. Hasega wa ve ar kadaşları [ 43], parlatıl mış bakır yüzeyl er üzeri ne t el örgü tabakaları yerl eştirerek, su il e deneyl er yap mı şl ardır. Tel ör gü t abakal arı nı yüzeye ca m çubukl arla bastıran araştır macılar, bir t abakanı n i ki t abakadan, büyük gözenekli tabakaları n da küçük gözenekli t abakal ardan daha et ken ol duğunu açı kla mı şlardır. Düz yüzeye göre ısı t aşı nı m katsayısı nda ancak %50, kritik ısı akısı nda ise %35 artış sağlayabilen tel örgü tabakal arı nı n et kenli ği yeterli bul unma mı ştır. Cor man ve Mc Laughli n [44], kalı nlıkları mm arası nda değişen met al (ni kel ve bakır) keçel er ve fitillerle düşük ısı akıları nda ( 60 k W/ m 2 ) yaptı kları deneyl erde, ısı 40

57 taşı nı m katsayısı nda %70 e varan artışlar bil dir mişlerdir. Ancak kayna ma eğrisi eği mi ni n, düz yüzeyi n kayna ma eğrisi ne göre daha küçük ol duğu ve 155 k W/ m 2 ı sı akısı nda i ki eğri ni n kesiştiği, yani iyileştir me et kisini n ortadan kal ktı ğı açı klanmı ştır. Asakavi ci us ve ar kadaşları [45], üst üste yerleştirdi kleri bakır t el örgü t abakal arı ile (8-12 t abaka) yaptı kları deneyl erde, düşük ısı akıları nda %100 ün üzeri ne çı kan iyileştir me et kisi ni n, yüksek ısı akıları nda öne mi ni kaybettiği ni gör müşl erdir. Özellikle geliş mekt e ol an ısı bor usu endüstrisi için öne mli ol an bu konuda, deneysel ve teori k araştır mal ar sürmekt edir [46, 47] Isl anmayan Kapl amal ar Oyuk i ç yüzeyi ni n, ıslanmayan bir mal ze meyl e (parafi n, t efl on vs) kapl an ması nı n, yüzey gerili mi büyük sıvılarda, çekirdekl enmenin başla ması i çi n gerekli kı zgı nlı k derecesi ni düşürdüğü, 2. Böl üm de açı klanmı ştı. Islanmayan kapl a ma, çekirdekl enme odağı nı n kararlılığı nı artırarak, daha düşük sı caklı k farklarında et ki n kal abil mesi ni de sağl amakt adır. Yüzeyi n t a ma mı nı n ıslanmayan bir mal ze me yl e kapl anması hali nde, ko mşu odakl ardaki kabarcı klar birleşerek buhar fil mi ol uşt ur makt a ve ısı geçişi köt üleş mekt edir mm ve daha küçük çaplı t efl on nokt acı klarla kapl anan ( [ nokt a/c m 2 ] yoğunl ukt a) paslanmaz çeli k yüzeyl er üzerinde su ile yapıl an deneyl erde, çekirdekl enme i çi n gerekli kı zgı nlı k derecesi ni n 0. 5 K e kadar düşt üğü bildiril miştir. Doğal çekirdekl enme odakl arı nda ol uşan kabarcı kları n, t efl on ile t emas etti ği nokt ada eğrilik yarıçapı daha büyükt ür. Bu nedenl e, kabarcı ğı n çekirdeklen mesi ve büyü mesi i çi n gereken kızgı nlı k derecesi düşer. Islanmayan nokt acı ğı n dışı na t aşan kabarcı k, küresel bir şekil alır ve altında kal an i nce sı vı fil mi ( mi kro t abaka) buharlaşırken büyü meye deva m eder. Su gi bi t emas açısı büyük akışkanlarda et kili ol an yönt e m, yüzey gerili mi ve t e mas açısı küçük soğut ucu akışkanl arda i yi sonuç ver me mi ştir. İyileştir me et kisi ni n kirlilikten çok fazla et kilenmesi ve t efl on nokt acı kları n za manl a yüzeyden ayrıl mal arı, yönt e mi n endüstri yel uygula mal arda kullanıl ması nı engelle mi ştir [7, 8] Gözenekli Yüzeyl er Gözenekli yüzeyl erle il gili il k çalış ma, Milt on [ 48] t arafı ndan yapıl mıştır. Gözenekli tabakaları n üreti mi nde kullanılan en yaygı n yönte m, met al t aneci kleri n sint erlenerek 41

58 düz yüzeye bağl anması dır. Gottz man ve O Neill [ 49] dış yüzeyi gözenekli bor ul ar ( Hi gh- Fl ux TM ) ile yaptı kları deneyl erde, özdeş ısı akıları nda, sıcaklı k farkı nı n düz yüzeyli bor ulara göre yakl aşı k on kat düştüğünü bil dir mişlerdir. Gözenekli yüzeyl erde, pür üzl endiril miş yüzeyl erde gör ülen yaşlanma et kisi ni n de i hmal edilebilecek mertebede olduğu açı klanmı ştır. Gözenekli t abakanı n kalınlı ğı, kullanılan t aneci kleri n çapı ( d t ) veya çap dağılı ml arı, şekilleri ve di ziliş düzenl eri, ol uşacak oyukl arın geo metrisi ni ve t abakanı n boşl uk oranı nı et kiler. Bu güne kadar yapılan araştırmal arda, çapl arı d t 1. 0 mm arası nda değişen t anecikler kullanılarak üretilen, mm kalınlı ğı ndaki gözenekli tabakal arı n kayna mayl a ısı geçişi ne et kileri incelenmi ştir. Ni shi ka wa [ 50] 0. 1d t 0. 5 mm çaplı küresel bakır t aneci klerle üretilen gözenekli yüzeyl er ile t abaka kalınlı ğı nı n et kisi ni i ncele miş ve opti mu m t abaka kalı nlı ğı nı n taneci k çapı nı n 4 katı ol duğunu açı klanmı ştır. Taneci k mal ze mesi ni n ısı ileti m katsayısı da öne mli ol makl a birlikte, bakır ve al ümi nyu m t aneci klerle üretilen gözenekli t abakal arı n et kenli kleri arası nda öne mli bir fark tespit edile me mi ştir [8]. Gözenekli t abakaları n, bor u dış yüzeyi nde çok girişli t üneller ol uşt urul ması na göre iki üst ünl üğü; bor u i çerisi nde kayna ma t arafından bağı msı z ol arak iyileştir me yapılabil mesi ve gözenekli t abakanı n, kor ozyon sıkı ntısı yoksa, bor u mal ze mesi nden daha ucuz farklı bir mal ze meyl e üretilebil mesi dir. Ti cari a maçl a üretilen borularda kullanıl makt a ol an bu yönt e m, güncel bir araştır ma konusu ol ma niteliği ni de korumakt adır [51-60] Yapıl andı rıl mış Yüzeyl er ( Çok Gi rişli Tüneller) Isı değiştiricileri nde kullanılan bor uları n dış yüzeyl eri nde, met alleri n soğuk şekillendirilebil me özelliği nden yaralanılarak, birbirleri ile bağl antılı giri ntili oyukl ar (çok girişli t üneller) oluşt urulabil mekt edir. Bu bor ul ar, buharlaştırıcıları n gövde tarafı nda kayna mayl a ısı geçişi ni iyileştir mek içi n kullanılırlar. Çok girişli t ünellerde en öne mli geo metri k değişken ol an gözenek çapı nın opti mu m değeri akışkanı n yüzey gerili mi ile doğru orantılı artar [8]. 42

59 Ti cari a maçl a üretilen ve kaynakl arda en fazla bilgi bul unan i yileştiril mi ş kayna ma yüzeyl eri ol an çok girişli t ünellerdeki kayna ma mekani z mal arı nı n anl aşıl ması i çi n deneysel ve teori k araştırmal ar deva met mekt edir [61-78] Yapıl andı rıl mış ve Gözenekli Yüzeyl eri n Bil eşi k Uygul a mal arı Ma ve ar kadaşları [79], yüzeye işlenen di kdört gen kesitli paralel ol ukl arı n üzeri ni t el ör gü t abakal arı ve deli kli met al pl akal ar ile kaplayarak yaptı kları araştırmada, çok girişli tünellerdeki ne yakın iyileştir me oranları el de ettikleri ni açı kla mı şlardır Kar ma Yüzeyl er Isı ileti m katsayıları farklı mal ze mel erle üretilen kar ma yüzeyl eri n, kayna mada ı sı geçişi ni i yileştir me et kenli kleri, deneysel ve t eorik araştır mal arla i ncelenmi ştir [80-83]. Bu araştır mal arda, bakır ve al ümi nyu m gi bi ısı ileti m katsayısı büyük met allere (ana mal ze me), ısı ileti m katsayısı daha büyük ( 1200 W/ mk) grafit lifleri karıştırılarak üretilen kar ma yüzeyl er denen mi ştir. Bakır-grafit kar ma yüzeyl er üzeri nde, R- 113 ile yapılan deneyl erde, saf bakır yüzeyl ere göre düşük ısı akıları nda 6, yüksek ısı akıları nda 3 kata varan i yileş me ol duğu açı klanmı ştır. Paslanmaz çeli k ana mal ze me i çerisi ne, küçük çaplı bakır silindirleri n yerleştiril mesi yle ol uşt urul an kar ma yüzeyl er üzerinde su ile yapılan deneyl erde, saf paslanmaz çeli k yüzeyl ere göre %50 i yileş me ol duğu bil diril miştir [84] İyileştiril mi ş Yüzeylerde Kayna ma Mekaniz mal arı Dı ş t arafları nda i yileştirilmi ş kayna ma yüzeyl eri bul unan bor ul ar, gövde-boru ti pi ısı değiştiricileri nde kullanılmal arı na rağmen kaynamada ısı geçişi ni i yileştiren fizi ksel mekani z mal ar henüz t am ol arak kavrana ma mı ştır. Tek bor uyl a yapılan deneyl erde, düz yüzeyli bor ulara göre özdeş düşük ısı akıları nda kat a, özdeş sı caklı k farkları nda ise 100 kat a varan i yileş mel er bil diril miştir [7]. Isı geçişi ndeki aşırı iyileş me, t ek başı na yüzeyi n genişle mesi ile açıkl ana maz. Çünkü, ıslatılan yüzeyi n al anı en fazla 4 katı na çık makt adır. Kayna mayl a ısı geçişi ndeki i yileş me ancak, et ki n fizi ksel mekani z manı n değiş mesi yle yor uml anabilir. Zat en, i yileştir me etkenli ği ni n bir yüzey geo metrisi nden di ğeri ne çok fazla değişmesi de bu gör üşü doğr ula makt adır [8, 85]. 43

60 Te mel İl keler Açı k kaynakl ar da, i yileştiril mi ş yüzeyl er deki kayna manı n mekani zması nı t ü m yönl eri yle açı klayabilen bir model yokt ur. Geo metri k boyutları bili nen yapılandırıl mış yüzeyl erdeki kayna manı n mekani z ması, düzensiz ve geo metrisi tanı ml ana mayan gözenekli yüzeyl ere göre daha kol ay açı klanabilir. Nit eki m, yapılandırıl mış yüzeyl erdeki kayna manı n fizi ksel mekani z ması nı açı kla mak i çi n ü mit verici girişi ml er vardır [8]. Kayna mada ısı geçişi ni n iyileştiril mesi nde rol oynayan te mel et kenl er: 1. Yüzeyi n altında, girintili veya içiçe girintili tünel yapıları nı n bul unması. 2. Bu oyukl arı n doğal oyuklardan daha büyük boyutlu ol mal arı. 3. Yüzeydeki gözenekl erden t ünellere giren sı vı nı n, et ki n çekirdekl enme odağı na ul aşı ncaya kadar geçti ği kılcal kanallarda sıcaklı ğını n yüksel mesi ( T s T d ). 4. Yüzeyi n altındaki kılcal kanallarda ol uşan sı vı-buhar ara yüzeyl eri nde, mi kr o tabaka buharlaş ması nı n kesi ntisiz deva m etmesi. Kabarcı klar yüzeyden ayrıldı ktan sonra da, sı caklı ğı düşük sıvı kitlesi kılcal kanalları dol dura madı ğı ndan, sıvı-buhar ara yüzeyl eri varlıkl arı nı sürdürürler. 5. Çekirdekl enme odakl arı ndan bir t anesi et ki nleştikten sonra, buharlaş manı n kılcal kanallarla di ğer odakl ara da hızla yayıl ması Çok Gi rişli Tünellerde Kayna mayl a Isı Geçişi ni n Mekani z mal arı Nakaya ma ve ar kadaşlarını n [ 61, 62], çok girişli tünellerde kayna mayl a ısı geçişi i çi n önerdi kleri üç mekani z ma Şekil 4. 1 de görül mektedir. a) Islak çalış ma b) Emme- buharlaş ma c) Kur u çalış ma Şekil 4. 1 Çok girişli tünellerde kayna mayl a ısı geçişi mekani z mal arı [62, 63]. Düşük ısı akıları nda, t ünelleri n büyük böl ümü sıvı ile dol udur ve et ki n gözenekl er bağı msı z çekirdekl enme odakl arı gi bi çalışırlar (a). Daha yüksek ısı akılarında, et ki n gözenekl erde büyüyen kabarcı kları n at aletine bağlı po mpal a ma etkisi yle atıl gözenekl erden t ünellere sı vı e milir (b). Tüneli n iç yüzeyi ne yayılan sı vı, köşelerdeki 44

61 mi kr o t abakalarda buharlaşır. Isı akısı daha da yükselirse, sı vı t ünellere gire mez ve buharlaş ma t ünelleri n dışında gerçekl eşir (c), ki bu da ısı taşı nı mkatsayısını düşürür Gözenekli Yüzeyl erde Kayna mayl a Isı Geçişi ni n Mekani z ması Gözenekli yüzeyl erde kayna mayl a ısı geçişi i çin farklı mekani z mal ar öneril mekl e birlikte, çok girişli t ünellerdeki e mme- buharlaş ma mekani z ması nı n kesi ntisiz işledi ği ni kabul eden gör üş daha çok beni msen mi ştir. Bu mekani z mada sı vı nı n, küçük çaplı kılcal kanallardan geçerken sı caklığı nı n yüksel di ği ( T s T d ) ve et ki n çekirdekl enme odağı ndaki mi kro t abakada buharlaştığı düşünül mekt edir (Şekil 4. 2). Ol uşan buharı n ise daha büyük çaplı kanallardan yüzeye ul aştığı varsayıl makt adır [8]. buhar taşı yan kanallar sı vı taşı yan kılcal kanallar öl ü gözenekl er et ki n odak Şekil 4. 2 Gözenekli yüzeyl erde kayna mayl a ısı geçişi ni n mekani z ması [8] Kayna mada Isı Geçişi ni n İyileştiril mesi ni n Kriti k Isı Akısı na Et kisi Kriti k ısı akısı, kullanılan yönt e me bağlı ol arak düz yüzeye göre artar veya azalır. Gözenekli kapl a mal arda ve çok girişli t ünellerde kritik ısı akısı, düz yüzeyl ere göre daha yüksektir. Yat ay düz bir yüzeydeki kritik ısı akısı nı n t eorisini Zuber [ 86], birbiri ne çok yakı n buhar j etleri ni n hi drodina mi k kararsızlığı ile t anı ml a mı ştır. Bu t eoriye göre, yüzeyden gi zli ısı yı uzakl aştıran buhar j etleri nin ortadan kal kması yla çekirdekli kayna ma sona erer. u b, buhar jetini n hızı ve A j kesit alanı ol mak üzere kritik ısı akısı, A j qk ıa bhsbu b (4. 1) A 45

62 şekli nde t anı ml anabilir. Denkl e m ( 4. 1) de gör ülen u b buhar hı zı, H 1- boyutl u Tayl or karasızlığı nı n dal ga boyu ol mak üzere, 2 u b (4. 2) bh şekli nde t anı ml anmı ştır. Düz yüzey üzeri ndeki kritik ısı akısı nı, yüzey gerili mi ni n eyl e msi zli k ve kal dır ma kuvvetleri ile dengel endiği, H dal ga boyu belirler. İyileştiril miş bir yüzeyde, aynı t e mel geo metri ye sahi p düz bir yüzeye göre daha büyük kritik ısı akıları na çı kılabil mesi, buhar j etleri arası ndaki mesafeleri n farkı ndan kaynakl anır. İyileştirilmi ş yüzeyl erde buhar j eti ni n hı zı (4. 2) denkl e mi ile hesapl anabilir. Ancak j etleri n konu ml arı nı, buharın yüzeye çı ktı ğı büyük gözenekl er belirler. Gözenekli yüzeyl erdeki kritik ısı akısı, Pol ezhaev ve Koval ev [ 87] tarafı ndan, gözeneklilik ol mak üzere, q kıa b 0.52 hsb (4. 3) rkır şekli nde ifade edil miştir. Denkl e m ( 4. 3) de r kır, kırıl ma bası nç farkı na karşı gel en eğrilik yarıçapı dır ve buhar ile dol u en küçük gözeneği n çapı ndan %30 daha büyükt ür. Çok girişli t üneller i çi n benzeri bir çalış ma yapıl ma makl a birlikte, buhar jetleri ni n konu munu t ünelleri n yüzeye açıl dı ğı gözenekl eri n belirleyeceği açı ktır [8] Kayna mada Isı Geçişi ni İyileştir me Yönte mleri ni n Değerlendi ril mesi Uygul a mal arda kullanılan bor ul arı n dış t arafı nda, çekirdekli kayna mayl a ısı geçişi ni iyileştir mek i çi n, sadece çok girişli t üneller ve gözenekli t abakal ardan yararlanıl makt adır den bu yana yapılan araştır mal arı n sonuçl arı ndan, soğut ma siste ml eri nde yararlanılmakt adır. Geliştirilen iyileştiril miş kayna ma yüzeyl eri ni n temel özellikleri; a-girintili oyukl ara (çekirdeklenme odakl arı), b- oyukl ar arası bağl antılara ve c-kritik boyut aralı ğı ndaki gözenekl ere sahi p ol mal arı dır. Giri ntili oyukl ardan bir t anesi et ki nleşi nce, di ğerleri nde de buharlaş ma başlamakt adır. Buharlaş manı n öne mli kıs mı, t ünellerdeki mi kro t abakal arda gerçekl eşir. Buharı n kararlı ol arak t ut unabil diği giri ntili oyukl ar, ol dukça düşük kı zgı nlı k derecel eri nde dahi et ki n kal abilirler. Gözenekli kayna ma yüzeyleri korozyon pr obl e mi yoksa, çok 46

63 girişli t ünellere göre daha ucuza üretilebilir. İyileştiril miş kayna ma yüzeyleri ndeki ısı geçişi mekani z mal arı nı açı kla mak i çi n kur ul an modellerdeki geliş mel ere rağmen, daha yapılacak çok şey vardır. İyileştiril miş yüzeyl erdeki büyük oyukl arı n et ki nleş mesi i çi n, daha yüksek kı zgı nlı k dereceleri gerekmekt edir. Bu yüzeyl erde, özellikle kayna manı n başlangı cı nda gör ülen hysteresis et kisi (artan ve azal an ı sı akıları nda kayna ma eğrisi ni n farklı yol i zle mesi) öne mli dir. Soğut ma siste ml eri nde ko mpresör il k çalıştırıldığı nda yet erli kı zgı nlı k derecesi ne ul aşıldı ğı ndan kayna manı n başla ması bir sı kı ntı ol uştur maz. Ancak, el ektronik devre el e manl arı nı n soğut ul ması gi bi uygul a mal arda ilk çalıştır madaki hysteresis et kisi ol dukça öne mli bir pr obl e mdir. 47

64 5. GÖZENEKLİ ORTAMDA ÇEKİ RDEKLİ HAVUZ KAYNAMASI : MATE MATİ K MODELLER Kayna ma ile ısı geçişinde et kili değişkenl eri n çokl uğu, araları ndaki ilişkileri n kar maşı klı ğı ve ol ayı n fizi ksel mekani z mal arı nın henüz i yi anl aşıla mamı ş ol ması nedenl eri yle, t üm değişkenl eri para metre ol arak göz önüne al an modeller henüz geliştirileme mi ştir. Bili nen modeller, değişkenleri n çoğu sabit t ut ul up, yal nı zca birkaçı para metre alı narak değerlendirildi ği i çin, fizi ksel ol ayı n genel davranışı açı klaya mazl ar. Dol ayısıyla bu modeller, uygul a madaki hesapl a mal arda kullanıl makt an çok, değişkenl eri n, t ek t ek, fizi ksel ol ay üzeri ndeki et kileri ni açı kla mak a macı na yöneliktir. Çekirdekli kayna mayl a ısı geçişi ndeki en et kili değişkenl erden, kabarcı ğa ait ol anl ar (kabarcı ğı n ayrıl ma çapı ve frekansı), yüzeyi n özeli kleri (çekirdekl enme odakl arı nı n bi çi ml eri, boyutları ve dağılı ml arı) ve akışkanı n fizi ksel özeli kleri, arası nda kar maşı k bir ilişki vardır. Di ğer yandan, bu kar maşı k ısı geçişi ol ayı nı n fizi ksel mekani z ması, sadece faz değişi mi ter modi na mi ği ne de dayan ma makt adır. Çekirdekl enme odakl arı nı n uzağı nda sıvı ya doğal t aşı nı ml a ısı geçişi, kabarcı ğa yüzeyden ve etrafı ndaki kı zgı n sı vı dan ileti ml e ısı geçişi ve odakl arı n yakı nı nda çekirdekl enme et kisi ndeki çal kantılı alanda sı vı ya t aşı nı ml a ısı geçişi mekani z mal arı nın göreceli et ki nli kleri, ısı akısı na bağlı ol arak değişebil mektedir. Bu nedenl e, mekani z mal ar ve değişkenl er arası ndaki ilişkileri açı kla mak a macı yla geliştirilen modellerde, genellikle, mekani z mal ardan ve değişkenl erden bazıları i h mal edilerek el de edilen ve mutl aka, en azı ndan yüzeye ait değişkenl er içi n, deneyl ere dayanan a mpiri k katsayıları içeren bağı ntılar ve hesapl a ma yönt e mleri kullanılır. Kaynakl ara yansı yan deney sonuçl arı arası ndaki uyu msuzl ukl ar ve özellikle yüzey değişkenl eri ndeki belirsizlikler nedeni yle, katsayıları n geçerliliği de, t e mel alı nan deneysel çalış manı n yarı belirgi n şartları ile sınırlı kalır. Bu kar maşı k ol ayı n genel yapısı nı açı kla mak ve uygul anabilir hesap yönt e ml eri geliştir mek yol unda atılabilecek en öne mli adı m, şu anda ul aşılan bil gilerden yaralanarak, yukarı da sayılan küçük öl çekli mekani z mal ar ile, çekirdekli kayna manı n 48

65 gözl enebilen büyük öl çekli davranışı arası nda istatistik ilişkileri n kur ulması dır. Bu büyük öl çekli davranışı n, konu ile il gili çevrelerde en çok kabul gör müş ve t anı nan sunuş bi çi mi, et ki n sı caklık farkı na ( T d =T y T d ) bağlı ol arak yüzeydeki ısı akısı nı ( q) gösteren kayna ma eğrisi dir. Sözü edilen ilişki ni n kur ul ması, ısı geçişi mekani z mal arı nı n göreceli et ki nli kleri ni n, çekirdekl enme odakl arını n yüzey üzeri ndeki dağılı mı nı n ve kabarcı kları n ayrıl ma çapl arı nı n ve frekansları nın, sı caklı k farkı ci nsi nden t anı ml anması ile mü mkün ol abilir. Burada, deney verileri nin istatisti k değerlendir mesi ile el de edilen bazı a mpiri k katsayıları n kullanıl ması kaçı nıl mazdır Yat ay Bi r Yüzey Üzeri ndeki Gözenekli Kapl a mada Çeki rdekli Havuz Kayna ması Havuz kayna ması nda ısı geçişi ni n i yileştir mesi konusunda araştır ma ve geliştir mel er gerek bili msel, gerekse endüstri yel açı dan ol dukça öne mli bir yer t ut makt adır. Son yıllarda değişi k çalış ma şartları nda çok sayı da i yileştir me t ekni kleri geliştiril mi ş ve test edil miştir. Bunl ardan bazıları GE WA- T yüzeyl eri ( Wi eland Wer ke AG, Al manya), ECR- 40 ( Furukuwa Met al CO. Japonya) ve Yüksek Akı Al anları ( Uni on Car bi de, ABD) dır. Bu kayna ma yüzeyl eri gözenekli ol up, gözenekli kapl a manı n içi ndeki boşl ukl ar sürekli dur gun çekirdekli alanlar gi bi davranırlar. Gözenekli orta ml ar met al parçacı klardan ol uş makt adırlar ve ya pl as ma püskürt ülerek ya da si nterlenerek yapıl mışlardır. Bu t ür yüzeyl eri kullanmanı n yararı belirli ısı akısı ndaki yüzey kı zgı nlı k derecesini ol dukça düşür mek ve düz yüzeye kı yasla kritik ı sı akısı nı iki-üç kat arttır maktır. Tho me ( 7), St ephan ( 18) ve Webb ( 8) t arafı ndan gözenekli orta mda kayna ma konusunda yapıl mış çalış mal ar mevcutt ur. O Neil (88) gözenekli yüzey üzeri ndeki ısı akısı nı t ahmi n edebilmek i çi n bir mat e matik modeli geliştir miştir. Parçacı k dizili mi ne bağlı geo metrik para metrelere dayanan bu model daha sonra Webb ( 8) t arafı ndan analiz edil mi ştir. Bu geo metri k para metreler düzgün di zili me bağlı geliştirilmi ş ifadelerden belirlenip gerçek di zili me göre t ahmi nl er yapıl mıştır. Koval ev ( 89, 90) kılcalları n i çi ndeki sı vı ve buhar akışları i çi n mo ment um ve enerji denkl e ml eri ni kullanarak gözenekli orta mdaki ı sı geçişi mekani z ması nı modellemi şl erdir. Nakaya ma ( 61, 62) gözenekli orta mda kaynama çalış mal arı nda ortamı n yüksek mi kt arda hareketli ol duğu sonucuna var mı ştır. Bunl ar, gözenekli orta mdaki ısı geçişi ni birbiriyle t e mas hali nde bul unan ve gözenekli kapl a manı n dışı ndaki sı vı ya 49

66 açılan boşl uk di zileri ile modelle mi şlerdir. İ ç t araftaki boşl ukl ar gözenekli kapl a manı n yüzeyi ni n altı na uzanan kanall ar şekli ndedir. Bu model de e mmebuharlaş ma mekani z ması esas alınmı ştır. Aşağı da, gözenekli ortamdaki çekirdekli havuz kayna ması i çi n geliştiril mi ş ol an başlıca yarı ampiri k mat emati k modeller açı klanmıştır Mi kro Tabaka Modeli Czi kk ve O Neill in [ 91], gözenekli t abakal arda kayna manı n mekaniz ması i çi n önerdi kleri model de, buharlaş manı n t aneci kleri n arası ndaki oyukl arda gerçekl eşti ği kabul edil miştir. Taneci kleri kapl adı ğı varsayılan ince sı vı fil mi ni n buharlaş ması i çi n gerekli ısı nı n, ileti ml e aktarıldı ğı düşünül müşt ür. Gözenekli t abaka i çerisinde sı vı ve buhar hareketleri ni, oyukl ar arası ndaki bağlantıları n sağl adı ğı da yapılan varsayı ml ardandır. Bu model de gözenekli t abakadaki oyukl ar, boyut ve işlevl eri ne göre dört gruba ayrıl mıştır: 1. Et ki n odakl ar, girintili oyukl ardır ve sürekli buhar ile dol udurlar. 2. Gi ri ntili oyuk ol a mayacak kadar büyük boyutlu gözenekl erden, et ki n ko mş u odakl arda üretilen buhar yüzeye taşı nır. 3. Et ki n odakl ara kı zgı n sıvı akışı, giri ntili oyuk ola mayacak kadar küçük boyutl u gözenekl erde gelişir. 4. Ko mş u oyukl ar ile bağlantısı ol mayan öl ü gözenekl erde, ne buhar ne de sı vı bul unmaz. Yukarı da yapılan gr upl andır ma ve daha önce açıkl anan kabullere göre kayna manı n mekani z ması; et ki n odakt a buhar bası ncı yüzey gerili mi ni yenecek kadar yüksel di kten sonra, büyük boyutl u ko mşu oyuklardan yüzeye doğr u buhar akışı ve küçük boyutl u oyukl ardan aktif odağa kızgı n sı vı akışı şekli nde özetlenebilir Di na mi k Model Mi kr o t abaka yakl aşı mı, gözenekli t abaka i çerisindeki akışı n di na mi ği ve yüzeyden ayrılan kabarcı klara ait değişkenl er (ayrıl ma çapı, frekansı ve kabarcı k odakl arı nı n yoğunl uğu) göz ardı edildi ği içi n gerçekçi değil dir. 50

67 X s b () x= p sı vı buhar x 1 b (x 1 ) x 1 2 R min s s - b 2 R(x 1 ) T y Şekil 5. 1 Gözenekli tabakal arda kayna manı n di nami k modeli [71]. x 1 x Pol ezhaev ve Koval ev [ 71], gözenekli t abakadaki akışı ve buharlaş manı n dina mi ği ni de kapsayan, daha gerçekçi bir model öner mi şlerdir. Model de buharlaş manı n, kalı nlı ğı ndaki gözenekli tabaka i çerisi nde ve eğrilik yarıçapı r m ol an hareketsiz sı vıbuhar ara yüzeyi nde gerçekl eştiği kabul edil miştir ( Şekil 5. 1). Ara yüzeyin buhar ve sı vı t arafları arası ndaki bası nç farkı, (p b -p s )=2/r m dir. Gözenekli t abaka i çerisi nde katı sıcaklı ğı nı n, üst yüzeye yakl aştı kça azal dı ğı ve herhangi bir nokt ada sı vı ve katı sıcaklı kları nı n eşitlendi ği düşünül müşt ür. Yarıçapı r m den küçük kılcal kanallardan sı vı nı n aktı ğı ve burada ol uşan buharı n da yarıçapı r m den büyük kanallardan geçerek gözenekli t abaka dışı na çı ktı ğı varsayıl mıştır. Büt ün bu akışları n, t abakanı n alt tarafı na doğr u arttığı düşünül en, (p b -p s )=2/r m bası nç farkı ile gerçekl eştiği kabul edil miştir Nakaya manı n Di na mi k Modeli Nakaya ma t arafı ndan gözenekli orta mda ısı geçişini n sayısal ol arak hesaplanabil mesi içi n geliştirilen mat e mati k modeli aşağı da özetlenmekt edir. Bu denkl e ml eri n kullanılabil mesi i çi n yüzeyi n geo metri k özeli klerini n, akışkanı n fizi ksel özeli kleri ni n, siste mbası ncı nı n ve yüzey sıcaklı ğı nı n bilinmesi gerekmekt edir. Burada düşünül en yüzeyi n yapısı birçok kanal ve gözenekl erden ol uş makt adır. Boşl ukl ar arası bağl antılar mevcut ol up yüzey ile t e ması n ol duğu nokt alar da boşl uk çapl arı azal makt adır. Bu denkl e m i çi n yapılan kabullerde havuzdaki akışkanı n doy ma bası ncı na karşılık gel en doy ma sı caklı ğı nda ol duğu, yüzeyi n her böl gesi ndeki sıcaklı ğı nı n eşit ol duğu, kanallarda ve kabarcı klarda bul unan buharı n doymuş ol duğu kabul edil mekt edir. Yapılan bu çalış mada kayna ma üç ana başlık altında topl anmı ştır; 51

68 1- Bası ncı n yüksel mesi; kanallarda kabarcı klanmaya başlayana kadar bası ncı n yüksel mesi 2- Bası ncı n azal ması; 1. fazda artan bası ncı n kabarcı ğı n büyü meye başlaması yl a azal ması. Bu fazda kabarcı ğı n il k büyü mesi, kabarcı kta bul unan yüksek i ç bası nçtan, daha sonraki kısı m i se kabarcı ğı n çevresi ndeki sı vı nı n at aleti nden kaynakl anmakt adır. 3- Sı vı nı n i çi ne gir mesi; bu böl ümde kabarcı ğı n büyü mesi ni sağl ayan sı vı at aleti, kabarcı k i çi ve kanal i çindeki bası ncı n havuz bası ncı nı n altına düş mesi ni sağl ar. Bu bası nç düş mesi sonrası kabarcı k yüzeyden ayrılır. 1. aşa mada; başlangı ç aşa ması nda (t =0) kanal i çi ndeki bası nç sı caklı k ve yoğunl ukl ar Cl apeyron denkl e mi nden dp h sb (5. 1) dt v sbo T do şekli nde yazılır. Bu aşa manı n sonunda (t = 1 ) p b 2 p (5. 2) b1 r 0 T g(2 r )T 0 b0 b1 Tb0 (5. 3) b0hsb g(2 r )(1 RT / h ) 0 b0 sb b1 b0 (5. 4) b0tb0 ifadesi yazılır burada R gaz sabiti ol up yüzey gerili mi dir. Kanal daki ısı ileti m katsayısı ve ısı ileti m al anları sırası yla h t ve A t ile gösterilirse ısı denge denkl e mi; h t A t ( T y T b ) = h sb d mb /d t (5. 5) şekli nde yazılır. Burada d mb /d t buharı n kütlesi ndeki artış ol up ; d mb /d t = V b d/d t + b m1 dv b /d t (5. 6) 52

69 denkl e mi ile bul unur. Bu denkl e m i çerisi ndeki V b buhar kütlesi dir. Denkl em ( 5. 6) da bul unan b m1 değeri aşağıdaki gi bi hesapl anır. b m1 =( b m0 + b m1 ) (5. 7) Kanallardan ısı ileti mi içi n bazı kabuller yapılır; (1) t anı ml anan sı vı nı kütlesi çok küçük ol duğu i çi n ısı kapasitesi öne msen meyecek boyuttadır. (2) buharlaş ma köşelerde bul unan sı vıları t utan yerlerden gerçekleşir. Akışkanı n ısıl ilet kenli ği k s ve s sı vı nı n t ut ul ma kalı nlığı ol mak üzere k s (T y T b )/ s ile orantılıdır. (3) Gerçek ı sı ileti m yüzey al anı kanal yüzey al anı ndan daha küçükt ür. (2) ve ( 3) nu maralı kabullerden; h t A t =k s C t1 (5. 8) hesapl anır. Burada C t1 zamandan bağı msı z deneysel bir sabittir. Denkl e m ( 5. 8) ve denklem ( 5. 6) denkl e m ( 5. 5) de yeri ne yazılıp denkl e m ( 5. 1) kullanılırsa 1. faz peri yodu 1 aşağı daki gi bi bul unur. Vbmh 1 k C s sb t1 bm1 h RT sb 2 b0 RT b0 Tb T ln Ty T b0 b1 T bm1 t1 V ln V v1 t1 (5. 9) Denkl e m ( 5. 9) da t opl am kanal hac mi V t dir. Topl a m adı m ve gözenek sayısı sırası yla N ve o,t opla m kanal yüzey al anı A c olmak üzere V t =N o A c. Bur ada t =0 anı nda V v =V t, t = 1 anında V v =V v1 V t + N( d o ³/12), V vm = ( V t +V v1 )/ 2, T t1 =T y (T b0 +T b1 )/ 2 dir. Buradan 1 za manı içerisi nde buharlaşan akışkanı n kütlesi m 3 d 0 bm1 s1 Vvm( b1 b0) N 12 (5. 10) denkl e mi ile hesapl anır. 2. ve 3. fazlar içi n * 2 boyutsuz peri yod ol mak üzere aşağı daki gi bi hesapl anır. 3 * d bm C 0 d (5. 11) s Buradan 2 peri yodu; * 2 ³ (5. 12) 2 s r o 53

70 denkl e mi ile bul unur. * 2 denkl e mi i çersi nde bul unan d aktif ol an gözenekt eki kabarcı ğı n yüzeyden ayrıl ma anı ndaki kabarcı ğı n üst nokt ası ile dış yüzey arası ndaki mesafe (c m) ol up C O da deneysel sabittir. d ; dk d 1 1 2ro dk ² (5. 13) 2r o denkl e mi ile hesapl anır. Burada d k kabarcı ğı n ayrıl ma anı ndaki çapı dır. bm2 buharı n 2.fazdaki ortala ma yoğunl uğu ( b m2 =( b1 + b2 )/ 2) ol up, kabarcı ğı n ayrıl ma anı ndaki çapı; d k b 2 g s bm2 C (5. 14) denkl e mi ile hesapl anır. Bu denkl e mde C b de deneysel sabittir. 3. faz esnası nda buharlaşan sı vı nı n kütlesi ( m s2 ) C t2 deneysel sabit ol mak üzere; m s2 2( s t2 t2 sb k C T / h ) (5. 15) şekli nde hesapl anır. Fazlar arası ndaki haci m değişi kli ği ne oranl a yoğunl uk değişi mi ihmal edilerek herbir aktif ve aktif ol mayan gözenekt e kütle korunu m denklemi; d d d d 2 3 Z 2 3 Zi (5. 16) (5. 17) şekli nde yazılır. Burada Z ve Z i boyutsuz ol arak sırası yla aktif ve aktif ol mayan gözenekl erdeki kütle akısı ol up 6 m Z (5. 18) / r ² r bm2 0 s 0 denkl e mi ile hesapl anır. Topl a m gözenekl erdeki buhar ol uşum oranı boyutsuz para metre * 6ksCt 2Tt 2 (5. 19) h / r Nr ² bm2 sb 0 s 0 ile hesapl anır. Buradan da aktif olan gözenek sayısı nı n topla mgözenek sayısına oranı 54

71 * * 2 3 ( 3 ² 3) 4 N / A 2 ( 3) 4 d d (5. 20) hesapl anır. Bu denkl emde 3 3.fazdaki aktif ol mayan gözenekt eki kabarcı ğı n yüzeyden ayrıl ma anı ndaki kabarcı ğı n üst nokt ası ile dış yüzey arası ndaki boyutsuz mesafe ol up yukarı daki denkl e m(5. 16) da =0 da = = 1 yazılırsa; 3 ( m m ) Nr 1/ 3 (5. 21) 3 C3 s2 s1 / s 0 denkl e mi ile ifade edilir. Yukarı daki denkl e mden bul unan 1 ve 2 peri yodları yeri ne yazılarak gizli ısı akısı q g ( s1 s2 sb 1 2 ) m m ) h ( A (5. 22) ifadesi nden hesapl anır. Taşı nı ml a ısı geçişi q ta N/ A değeri ni n denkl e m ( 5. 20) den hesapl anarak yeri ne koyul ması yla q ta 1/ y x / y ( T Cq ) ( N / A) (5. 23) denkl e mi bul unmakt adır. Burada C q, x, y deneysel sabitlerdir. Su içi n C q = 3. 93, R-11 içi n [ K(c m²/ W) 3/ 5 (1/c m²) 1/ 5 ] tir. x = -1/ 5, y=3/5 tir. Topl a mısı ileti mi q t de; q t q q (5. 24) g ta denkl e mi ile hesapl anır. Yukarı da anl atılan gözenekli orta mda kayna ma konusunda birçok sayı da deneysel veriler yapılan çalış mal arda belirtil miştir. Bunl ar özetlendi ği nde ortaya çıkan bağı ntılar sadece özel belirli siste ml er i çi n geçerli ve başka siste ml er içi n güvenilir ol mayan bir çok bağıntılar el de edil mekt edir Düz Yüzey Üzeri nde Çeki rdekli Havuz Kayna ması Kı sı m de açı klandığı gi bi, birçok araştır macı, çekirdekli havuz kaynaması ndaki ısı geçişi ni, kabarcı k hareketleri ni n et ki n ol duğu böl gel erden sı vı ya zamana bağlı ileti m ve kabarcı kları n et kisi dışı nda kal an bölgel erdeki t ürbül anslı doğal t aşı nı m mekani z mal arı nı n bileşimi ol arak düşün müşt ür. Topl a m ı sı akısı, her i ki mekani z ma ile gerçekl eşen ısı akıları, et ki n ol dukl arı alanların oranl arı ile çarpılıp topl anarak, el de edil miştir. 55

72 Bu çalış mal arda genellikl e göz ar dı edilen i ki nokt aya di kkat çekmek gerekir. Bunl ardan biri ncisi, kabarcı ğı n sı vı yı sürükl e me etkisi ni n dışı nda kal an bölgelerdeki doğal t aşı nı mı n, kaynakl arda verilen sıradan doğal t aşı nı m bağıntıları ile değerlendiril mesi dir. Oysa, bu böl gel erde, her ne kadar sı vı kabarcı klar ile sürükl enmese de, kabarcıkl arı n yüzey üzeri nde boşalttığı hac me hücu m eden sı vı nı n, bu böl geler üzeri ndeki hareketi de, ol dukça şi ddetli bir t aşı nı m ol ayı dır. Daha sonra gör üleceği gi bi, özellikl e kayna ma eğrisi ni n düşük ısı akıları na karşı gel en kısı ml arı nda, doğal t aşını mı n, t opl a m ı sı geçişi i çi ndeki payı küçü msene meyecek kadar fazladır. Dol ayısıyl a, doğal t aşı nı ml a ısı akısı nı hesapl a mada kullanılacak bağı ntı nı n da, el deki deney verileri ne uygun olarak, eğri uydur ma ile belirlenmesi gerekir. Çoğu araştır macı nı n di kkat e al madı ğı iki nci konu da, yüzeyden ayrılan kabarcı kları n t aşı dı ğı gi zli ısı nı n, t opl a m ı sı geçişindeki payı dır. Bu bileşen de, yi ne daha sonra gösterileceği gi bi, t opl a m ı sı akısı artarken daha baskı n olmakt a ve özellikle yüksek ısı akılarında, t opl a m ı sı akısı nı n çok büyük kıs mı nı karşıla makt adır. Çekirdekli kayna manı n sona er di ği kritik ısı akısında, ısı geçişi ni n, t ama men bu mekani z ma ile gerçekl eştiği açı ktır. Aşağı da sunul an, ısı geçişi mekani z mal arı nı n, et ki n ol dukl arı yüzey böl gel eri ni n oranl arı na göre ağırlıklı t opl anması il kesi ne dayanan mat e mati k modele, yukarı da vur gul anan i ki konu da di kkat e alı narak ekl e mel er yapıl mıştır. Bunun yanı sıra, çekirdekl enme odakl arı yoğunl uğunun sı caklı k farkı ile değişi mi, mat e matik modeli n, q- T d deney verileri ne uyu mu zorlanarak belirlenmi ştir. Böyl ece, çekirdekli havuz kayna ması nda, öl çül mesi veya hesapl anması en güç ve kur ul an modelleri n, deney verileri nden sapması nda en öne mli et ki ye sahi p değişken, doğr udan deney verileri ne eğri uydur ularak el de edildi ği içi n, söz konusu sapmal ar en aza i ndiril miştir Modeli n Te mel İl kesi: Isı Geçişi Mekaniz mal arı nı n Bi rleştiril mesi Sunul an model de, yüzeydeki topla mısı geçişi ni n, 1. kabarcı klardan et kilenen böl gel erde, kı zgı n sı vı t abakası na za mana bağlı ı sı ileti mi ve kabarcı klara buharlaş ma ile gizli ısı geçişi, 2. kabarcı kları n et ki alanı dışı nda, yüzeyden sıvı ya, t ahri k edil miş doğal taşı nı ml a ısı geçişi 56

73 mekani z mal arı ile gerçekl eşti ği düşünül müşt ür. Buna göre, q t, q k ve q dt, sırası yla, topla m, kabarcı k et ki n böl gedeki ve doğal t aşı nım et ki n böl gedeki ısı akıları, benzer şekil de, A t, A k ve A dt de, bunl ara karşı gelen alanlar ol mak üzere, q t A q A q A (5. 25) k k dt dt A t A A (5. 26) k dt yazılabilir. (5. 25) eşitliği A t ile böl ünür ve ( 5. 26) dan A dt /A t çekilerek yerine koyul ur ise, a k = A k /A t ol mak üzere, q t q a q 1- a (5. 27) k k dt k el de edilir. Han ve Grifitth i n gösterdi ği gi bi, yüzeyden ayrılan d k çapı ndaki bir kabarcı ğı n, beraberi nde sür ükl edi ği kı zgı n sı vı t abakası nı n i zdüşüm al anı ( d 2 k ) dir. Yüzeydeki çekirdekl enme odakl arı nı n sayısı Nolduğuna göre, A k d 2 N (5. 28) k ve buradan da, N a πd 2 (5. 29) k k A ifadesi bul unur. Bu eşitlik ( 5. 27) de yeri ne koyul ur ve n k = N/ A değeri ni n, çekirdekl enme odakl arı nın yoğunl uğu ol duğu di kkat e alınırsa, q 2 2 n t q d n q 1- πd (5. 30) k k k dt k k yazılabilir: h h d k 2 k n k h 1- dt πd 2 k n k d ile böl ünerek ısı taşı nı m katsayıları cinsi nden de (5. 31) 57

74 Fi zi ksel mekani z mal arı n mat e mati k modeli ol an ( 5. 30) ve ( 5. 31) bağı ntıları ndan, çekirdekli havuz kaynaması nda kayna ma eğrisini el de et mek i çi n, kabarcı k et ki n ve doğal t aşı nı m et ki n bölgel erdeki ısı t aşı nı m katsayıları nı n hesabı, bunun i çi n de kabarcı ğı n ayrıl ma çapını n ve çekirdekl enme odakl arı nı n yoğunl uğunun, sı caklı k farkı na bağlı olarak belirlenmesi gerekti ği görül mekt edir Doğal Taşı nı ml a Isı Geçişi (5. 31) eşitliği ndeki ısı taşı nı m katsayısı nı n doğal t aşı nı m bileşeni, kaynakl ardaki modellerde [ 13-15, 92-94], yat ay yüzeyden t ürbül anslı doğal t aşı nı m i çin, il k kez Cr yder ve Fi nal borgo [95] tarafı ndan önerilen 1/ 3 Nu 0.14Ra (5. 32) bağı ntısı ile hesapl anmı ştır. Burada, Rayl ei gh ve Nusselt sayıları, sırası yla g T L 3 Ra GrPr s s Pr (5. 33) s 2 s s hl Nu (5. 34) k s ol arak hesapl anmakt adır. Karakteristik uzunl uk L ise, Aısıt ma yüzeyi ol mak üzere L A (5. 35) şekli nde t anı ml anmı ştır, ancak, (5. 32) eşitliği ndeki 1/ 3 ve ( 5. 33) deki 3 üsleri sadel eştiği nden, t ürbül anslı doğal t aşı nı m i çi n ı sı t aşı nı m katsayısı, karakt eristi k uzunl ukt an bağı msı zdır. (5. 32) eşitliği, geniş yatay yüzeyl er üzeri ndeki sıradan doğal t aşı nı m i çin geçerli ol duğundan, kayna ma sırası nda nispet en küçük bir al an üzeri ndeki ol dukça şi ddetli taşı nı m ol ayı nı açı klamada yet ersiz kal maktadır. Bu bağı ntı yı olduğu gi bi al makt ansa, 1/ 3 üssünü kor uyarak katsayısı yeri ne, deney verileri ne eğri uydurarak bul unacak bir C dt katsayısı ile kullanmak, kayna mada çal kantılarla t ahri k 58

75 edil miş doğal t aşı nı mı, daha doğr u ifade edilebilir. Bu bağı ntı, ısı t aşı nım katsayısı içi n düzenl enerek, h dt 1/3 ρ 2 g β Pr s s s C k ΔT 1/3 dt s 2 (5. 36) d μ s d ile çarpılarak, doğal taşı nı ml a ısı akısı 1/3 ρ 2 g β Pr s s s q C k ΔT 4/3 dt dt s 2 (5. 37) d μ s ol arak bul unur Kabarcı k Et ki n Böl gelerde Isı Geçişi Çekirdekl enme odakl arı etrafı nda, kabarcı ğı n büyü mesi, ayrıl ması ve yerini kı zgı n sı vı nı n al ması ile gerçekl eşen t opl a m ı sı geçişi (q k ), ayrılan kabarcığı n yeri ni dol duran sı vı ya yüzeyden za mana bağlı ileti mle ısı geçişi (q kt ) ve kabarcı ğa buharlaş ma ile gi zli ısı geçişi (q g ) ol arak, i ki ayrı mekani z manı n bileşimi şekli nde düşünül ebilir. Her i ki mekani z ma aynı yüzey bölgeleri nde, birlikte et ki n ol dukl arı içi n, q k = q kt + q g (5. 38) veya h k = h kt + h g (5. 39) yazılabilir. Mi ki c ve Rohsenow [ 14], her bir odak i çi n, bu ol ayl arı n et kisi ndeki al anı n yarıçapı nı, kabarcı ğı n yüzeyden ayrıl ma çapı na ( d k ) eşit kabul ederek, yüzeyden sı vı alt tabakası na, kabarcı ğı n ayrıl ma frekansı yla orantılı ol arak, za mana bağlı ı sı ileti mi içi n, 2 q k c f T (5. 40) kt s s ps d 59

76 bağı ntısı nı t üret mişlerdir. Bu bağı ntı, kabarcı klara buharlaş ma ile gi zli ısı geçişi ni hesaba kat ma makt adır. Oysa bu kabul, ancak düşük ısı akıları nda geçerli ol abilir. Bu çalış madaki model de ise, gi zli ısı geçişi ni n, t opl a m ı sı geçişi ne kat kısı, her bir kabarcı ğı n yüzeyden ayrılana kadar al dı ğı gi zli ısı, kabarcı ğı n et ki al anı na böl ünerek hesapl anan gizli ısı akısı ile değerlendiril mekt edir. Kabarcı ğı n yüzeyden ayrıl ma hac mi ve et kiledi ği al an, sırası yla, d k 3 / 6 ve d k 2 ol duğuna ve her odakt an biri mza manda f kez kabarcı k ayrıldı ğı na göre, d 3 /6 h b k sb 1 q f d h f (5. 41) g 2 6 b k sb d k eşitliği, gi zli ısı akısı nı verir. (5. 40) ve ( 5. 41) eşitlikleri, (5. 38) denkl e mi nde yerleri ne koyul arak, kabarcı k et ki n böl gelerdeki topla mısı akısı, 2 1 q k c f T d h f (5. 42) k s s ps d 6 b k sb d ile böl ünerek, kabarcı k et ki n ısı geçiş katsayısı, h k k c f d h f (5. 43) s s ps 6 b k sb T d bul unur Kabarcı k Ayrılma Çapı ve Frekansı Yukarı da açı klanan modeli n kullanılabil mesi i çi n, kabarcı k ayrıl ma çapı ve frekansı nı n belirlenmesi gerekli dir. Bu i ki öne ml i para metre i çi n, kaynaklarda, çok sayı da bağı ntı ya rastla mak mü mkündür. Bu bağıntıları n ayrı ntılı bir değerlendir mesi Carey [2] tarafı ndan yapıl mıştır. Kabarcı kları n ayrıl ma çapı i çi n, kaynakl arda önerilen çok sayı daki bağı ntı, sunul an çalış mada el de edilen deney verileri ile sı nan mı ştır. Bu bağı ntıların çoğunu, kaynakl arda bul unan ayrıl ma çapı verileri ile karşılaştıran Jensen ve Me mmel i n [ 96] de belirttiği gi bi, Kut ateladze ve Gogoni n [97] tarafı ndan önerilen 60

77 Bo 1/ (110 5 K ) 1/2 (5. 44a) 1 K 1 1 3/ 2 Ja g ( - ) s s b Pr 2 (5. 44b) g ( - ) s s s b bağı ntısı, sunul an çalışmadaki deney verileri nin model ile uyu munun sağl a ması açısı ndan, en uygun bağıntı ol arak belirlenmi ştir. Denkl e m ( 5. 44a) daki Bond sayısı, kabarcı ğa et ki yen kal dırma kuvveti ni n, yüzey gerili mi kuvveti ne oranı ol up, g ( - ) d 2 Bo s b k (5. 45) şekli nde t anı ml anır. Jacob sayısı ise, faz değişi mi ndeki duyul ur ısı geçişi nin, gi zli ısı geçişi ne oranı dır ve cps Td Ja s (5. 46) h b sb ol arak ifade edilir. Kabarcı kları n ayrıl ma frekansı ise, kabarcı ğı n ayrılıp yüksel mesi ile doğal t aşı nı m arası nda bir benzerlik kuran Zuber i n [ 98] önerdiği ve çoğu araştır macı nın da uygun bul duğu f d k 1/ 4 g ( - ) 0.59 s b (5. 47) 2 s eşitliği kullanılarak hesapl anabilir Et ki n Çeki rdeklenme Odakl arı nı n Yoğunl uğu Sunul an modeli n t a ma mlanması i çi n, belirli bir T d sı caklı k farkı nda ( ya da buna karşı gel en ısı akısı nda) et ki nleşen çekirdekl enme odakl arı nı n yoğunl uğu n k nı n da bilinmesi gerekir. Özellikl e ısı akısı artarken, yüzeyi n her yeri nde çok sayı da odağı n et ki n dur uma geç mesi ve kabarcı k hareketleri ni n havuzun gözl enmesi ni 61

78 zorlaştır ması, bu değeri doğr udan öl ç meyi ol dukça zorlaştırır ve sonuçl ar büyük hat alar i çerebilir. Gaert ner ve West wat er [99], atmosfer bası ncı nda kaynamakt a ol an su içi n yaptı kları ölç mel erle, q [ W/ m 2 ] ve n k [adet/m 2 ] biri ml eri nde ol mak üzere, n k = q (5. 48) a mpiri k bağı ntısı nı önermi şl erdir. Wang ve Dhir [ 100] ise, aynı yapı da bir bağı ntı yı, farklı temas açıları içi n başka katsayılar önererek, n k = q 2 = 18 n k = q 2 = 35 (5. 49) n k = q 2 = 90 şekli nde ver mi şlerdir. Ancak, bu a mpiri k bağı ntıları n, söz konusu çalışmal ar daki yüzeyl ere özgü ol duğu, dol ayısı yla çekirdekl enme davranışı farklı yüzeyl er i çi n kullanıla mayacağı unut ulma malı dır. Sunul an çalış mada, daha önce de açı klanan nedenl erle, çekirdekl enme odakl arı nı n yoğunl uğu ve T d sı caklı k farkı arası nda, elde edilen deney verileri ne eğri uydur ularak bir ilişki kurul ması t erci h edil miştir. Kaynakl arda et ki n çekirdekl enme odakl arı nı n yoğunl uğunu, ısı akısı veya T d sı caklık farkı na bağlı ol arak nicel eyen ve kayna ma eğrisi verileri ne ( q - T d ) eğri uydurul arak hesapl anan a mpirik sabitleri içeren çeşitli bağı ntılar öneril miştir. Bunl ardan en çok kabul gören üçü, t ari hi gelişi me uygun olarak özetlenecektir. Br own [ 101], çekirdekl en me odakl arı nı n yoğunluğunu, oyuk ağzı yarıçapı nı n üssel bir fonksi yonu olarak, n k m 1 C (5. 50) r min eşitliği ile tanı ml a mı ştır. Burada r mi n, (5. 51) eşitliği ile r min 2 T d (5. 51) h T s sb d 62

79 ol arak ifade edilen ve belirli bir T d sı caklı k farkı nda, et ki n çekirdekl en me odağı ol abilecek en küçük oyuğun ağı z yarıçapı dır. C ve m i se, deney verilerinden el de edilen ve yüzeyi n davranışını temsil eden sabitlerdir. Mi ki c ve Rohsenow[14], bu bağı ntı yı biraz değiştirerek, n k m r C max (5. 52) r min bi çi mi ni öner mi şlerdir. r max, doğal t aşı nı m böl gesi nden başlayarak ı sı akısı artırılırken, yüzeyde ilk çekirdekl enmeni n görüleceği, en büyük oyuğun ağı z yarıçapı dır. Daha yeni bir çalış mada ise, Bi er ve ar kadaşları [102], Rosi n- Ra mml er- Sperli ng ( RRS) dağılı mı biçi mi ndeki, ln n ln k n k,max r 1 - ( min r max m ) (5. 53) bağı ntısı nı, deney verileri ne çok daha i yi uyduğunu belirterek öner mi şlerdir. Buradaki n k, max, et ki nleşebilecek t üm oyukl ara ( yani, kritik ısı akısında) göre tanı ml anan odak yoğunluğudur. Bu değer ve m üssü, bağı ntı nı n, kaynama eğrisi verileri nden hesapl anacak a mpiri k sabitleri dir. Küçük [ 103] t arafı ndan yapılan çalış mada, yukarıda özetlenen bağı ntılarla yapılan denkl e ml erden, (5. 53) eşitliği ni n, yüzeydeki çekirdekl enme odakl arı nı n davranışı nı tanı ml a mak içi n en uygun bağı ntı ol duğu belirlenmi ştir Sunul an Çalış mada Önerilen Mate mati k Mo del Gözenekli Yüzey Üzeri nde Çeki rdekli Havuz Kayna ması Nakaya ma t arafı ndan belirlenen kısı m ( ) de det aylı bir şekil de açı kl anan model de deneysel sabitleri n çok ol ması ve denkl e ml eri n çok kar maşı k ol ması sebebi yle gözenekli yüzeyl er üzeri ndeki kayna ma i çi n aşağı da açı klanan basit model öneril miştir. 63

80 Buhar taneci kleri ni n gözenekli orta mda yukarı doğr u hareketleri; P b x K UD (5. 54) ifadesi ile verilen Darcy kanunu ile i ncel enebilir. Gözenekli orta mdaki buharı n d çapı nda kılcal kanallardan yukarı doğr u d t çapındaki küresel t aneci klerin arası ndan ilerlerken Darcy hızı U D aşağı daki gi bi yazılabilir; UD m d 2 4 (5. 55) Burada mbuharı n gözenek tabakası boyunca kütlesel debisi dir ve m h sb q g N A (5. 56) denkl e mi ile belirlenir. Yukarı daki denkl e mde q g t opl a m ı sı akısı i çerisi nde bul unan gi zli ısı akısı ol up ( N/ A) da biri m al andaki aktif gözenek sayısı dır. Denkle m ( 5. 55) denkl e m ( 5. 56) da yeri ne koyul ursa gözenek kat man kalı nlı ğı boyunca ol uşan bası nç düşümü; 1.27ql b P (5. 57) 2 h d N A K b sb ol arak el de edilir. Bur ada K gözenekli kapl ama nı n geçirgenli ği ol up Car man- Kozeny denkl e mi nden küresel taneci kler içi n aşağıdaki gi bi hesapl anır; 3 2 K d (5. 58) 2 180(1 ) Burada d t aneci k çapı dır. Gözenekli kapl a ma boyunca bası nç düşümü Cl ayper on denkl e mi nde yeri ne yazılırsa gi zli ısı akısı yüzey kı zgı nlı k derecesi ( T) ci nsi nden ifade edilebilir. dp h sb (5. 59) dt v sb T d denkl e m(5. 57) yi denkl em ( ) da yeri ne yazı p P = d p kabul ü ile; 64

81 q g T N A s b Khsb d g (5. 60) 1.27 T b s s b Gözenekli yüzey üzeri ndeki t ek fazlı taşı nı ml a ısı geçişi ni n et kisi Nakayama nı n ( 8) ifadesi nden q ta T C q 5 3 N A 1 3 (5. 61) şekli nde hesapl anır. Yukarda denkl e m(5. 60) da bul unan d g gözenek çapı dır. Sunul an çalış mada gözenek çapı i ki farklı yönt e m ile belirlenmi ştir. Il k ol arak gözeneği n çapı hi droli k çap denkl e mi ile aşağı da belirtildi ği gi bi hesapl anmıştır. 4 d g (5. 62) A (1 ) 0 Burada A o yüzey alanı; A 0 2 d t dt ³ 6 6 d t (5. 63) denkl e mi ile hesapl anır. Yukarı daki yönt e me ilave ol arak Af gan ( 56) ve Ni shi ka wa (50) tarafı ndan deneyl erle belirlenen; d g =0. 2 d t (5. 64) ifadesi nden faydal anıl mı ştır. Sunul an mat e mati k model de deneysel verilere daha yakı n sonuçl ar belirlendiği içi n gözenek çapı d g denkl e m(5. 64) ile belirlenmi ştir. Denkl e m ( 5. 60) ve ( 5. 61) de bul unan biri m al andaki aktif gözenek sayısı ( N/ A) nı n belirlenmesi içi n denkl em ( 5. 53) de ifade edilen denkl e mden faydal anış mıştır. r ln ( N / A) ln(n/a) 1 - ( min ) m (5. 53) max r max 65

82 Denkl e m ( 5. 53) düz yüzey i çi n biri m al andaki aktif gözenek sayısı ( N/ A) nı n belirlenmesi içi n veril miştir. Gözenekli orta mda denkl e maşağı daki gi bi ifade edilir. ln ( N / A) ln(n/a) 1 - a T m max d (5. 54) Denkl e m ( 5. 54) de denkl e m ( 5. 53) de belirtilen r mi n, r max ifadeleri yeri ne a T mifadesi gel mekt edir. Burada a,msıvı nı n özellikleri ne bağlı bir katsayı dır. d Denkl e m ( 5. 60) ve ( 5. 61) den bul unan gi zli ısı geçişi ve t aşı nı ml a ısı geçişi değerleri toplanak t opla mısı geçişi; q t q q (5. 55) g ta denkl e mi ile hesapl anır. 66

83 6. GÖZENEKLİ ORTAMDA ÇEKİ RDEKLİ HAVUZ KAYNAMASI : DENEYSEL ÇALI Ş MALAR Kayna ma siste ml eri nde i mal at artıkları, çözün müş ki myasalları n çökeltileri veya kor ozyon ür ünü katı t aneci kleri n ısı geçiş yüzeyi ni kapl a mal arı sı k rastlanan bir dur umdur. Ki mya ve gı da endüstrileri nde, katı-sı vı karışı ml arı kaynatılırken, ısı geçiş yüzeyl eri ni katı t aneci klerin ört mesi kaçı nıl mazdır. Nükl eer reakt ör kazal arına ilişki n senaryol arda, ergi yecek radyoaktif yakıt mal ze mesi ni n, soğut ucu akışkan (su veya sı vı met al) i çerisi nde t aneci kler şekli nde katılaşarak, reakt ör kabı nı n alt t arafı nda biri keceği düşünül mekt edir. Taneci k t abakasında, nükl eer r eaksi yonlar deva m edeceği nden, açı ğa çı kan ısı uzakl aştırılamazsa taneci kler t ekrar ergi yecek, bu kez reakt ör duvarı zarar görecektir [ ]. Katı t aneci k t abakaları yla ört ülen yüzeyl erden veya i çerisi nde haci msel ısı üreti mi ol an katı taneci k t abakal arı ndan kayna mayl a ı sı geçişi ni ve kritik ı sı akısı nı incele mek i çi n birçok araştır ma yapıl mıştır. Kayna mayl a ısı geçişi, taneci kl eri n ter mofizi ksel özeli kleri, boyutları, tabakanı n kalınlı ğı gi bi değişkenl ere bağlı ol arak, ol uml u ya da ol umsuz et kilenebilir. Katı t aneci kleri n, kayna mada ısı geçişi ni iyileştir me gayesi yle kullanıl dı ğı araştır mal ar da vardır Hareketsiz Taneci k Tabakal arı Yüzey üzeri nde gözenekli bir t abaka ol uşt uran katı taneci kler, buhar kabarcı kl arı nı n neden ol duğu çal kantılarla hareketlenirler. Yapılan araştır mal arı n çoğunda, taneci kleri n hareketleri, üzerleri ne yerleştirilen gözenekli bir levha ile engellenmi ştir. Tabl o 6. 1 de hareketsiz katı t aneci k t abakaları nın kayna mada ısı geçişi ne et kileri ni n incelendi ği araştır mal ar gör ül mekt edir. Deneyler genellikle, yat ay düz bir bakır yüzey üzeri nde ve at mosfer bası ncı nda su ile yapıl mıştır. 67

84 68 Tabl o 6. 1 Hareketsiz taneci k tabakal arı nı n, kaynamada ısı geçişi ne et kilerini n i ncelendi ği araştır malar. Kaynak Bau & Torrance [93] Fukusako &ark. [94] Taneci k Tabaka Yüzey Kalı nlı ğı Akı şkan Çap Mal ze me Geo metri Mal ze me mm ca m mm ku m 1. 1, 2. 0, 5. 3, mm ca m 3-30 c m 2. 0, 4. 0, mm çeli k 1-30 c m c m saf su 1. 0 mm de mir c m mm al ümi nyu m 8. 0 c m Shi & Yang [95] 1. 0 mm ku m Fukusako & Hotta [96] Tung & Dhir [97] 1. 1, 3. 6 mm ca m 3. 0 mm çeli k 1. 9, 5. 2, 10 c m al ümi na 5. 3 c m ca m 4. 0 c m çeli k saf su, R- 11, R c m saf su 8 c m saf su 2. 9, 5. 8, 9. 9, 14. 6, 19 mm ca m 15 c m R- 113 yat ay düz D=9. 5 c m yat ay düz D=5. 3 c m yat ay düz D=6 c m yat ay düz D=6 c m küre D=19 mm (indüksi yon ile ısıt ma) piri nç bakır bakır bakır paslanmaz çeli k Amaç Kriti k ısı akısı nı n incelenmesi. Isı geçişi ni n incelenmesi. Isı geçişi ni n incelenmesi. Sı vı enj eksi yonunun, ısı geçişi ne et kisi ni n incelenmesi. Isı geçişi ni n incelenmesi.

85 69 Tabl o 6. 1 i n deva mı Kaynak Fukusako &ark. [98] Ni shi ka wa (51) Taneci k Tabaka Yüzey Kalı nlı ğı Akı şkan Çap Mal ze me Geo metri Mal ze me 1. 1, 2. 0, 5. 2 mm al ümi na 2. 0 mm bakır 1. 1 ca m 2. 0 mm çeli k mm ca m ---- Zhang ve Zhang( 65) mm ca m mm R- 113, R- 11, n- pent an R- 113, R- 11 R- 113, su, etil al kol düşey borunun iç y üzeyi D=3. 85 mm yat ay düz D=10 c m ---- bakır Bakır br onz Si nt erlenmi ş br onz ve Amaç Isı geçişi ni n incelenmesi. Isı geçişi ni n incelenmesi Isı geçişi ni n incelenmesi

86

87 Bau ve Torrance [ 107], geçirgenli ği t ek fazlı doğal t aşı nı m akı ml arı nı n ol uşa mayacağı kadar düşük ( = m 2 ) t aneci k t abakal arı nı n, kayna mayl a ısı geçişi ne et kileri ni i ncele mi şlerdir. Kayna manı n başla ması ndan itibaren, ısı geçiş yüzeyi ni n üzeri nde sıcaklı ğı sabit (izot er mal), 2-fazlı bir t abakanı n ol uştuğu t espit edil miştir. Isı akısı artırılınca bu t abakanı n yeri ni, buhar t abakasını n al dı ğı bil diril miştir. Buhar t abakası nı n ısı geçişi ne göst erdi ği direnç daha büyük ol duğundan, yüzeyi n sıcaklı ğı da yüksel mi ştir. Ar aştır macılar, 2-fazlı t abakanı n ol uşt uğu koşulları n, t abaka kalı nlı ğı nı n ve yüzeyin buharla kapl andı ğı ısı akısı nı n hesabı içi n, 1-boyutl u bir model öner mi şlerdir. Fukusako ve ar kadaşları [108], t aneci k t abakasında, düşey doğr ult udaki sıcaklı k dağılı mı nı da i ncel e mi şlerdir. Araştır macılar, 1 mm çaplı de mir t aneci kler ve saf su ile yaptı kları deneyl erde, ısıl sı nır t abaka kalı nlığı nı n, 2-3 mm ci varı nda ol duğunu belirle mi şlerdir (Şekil 6.1). 10 Çekirdekli Kaynama DT d =4.1 K DT d =7.3 K log DT x [K] 1 Saf Su (1 atm.) Yatay Düz Bakýr Yüzey (D=53 mm) Küresel Demir Tanecikler (d t =1 mm) Tabaka Kalýnlýðý: 80 mm DT x =T x -T d H x (mm) Şekil 6. 1 Isı geçiş yüzeyi üzeri ndeki taneci k tabakası nda sıcaklı k dağılı mı [108] mm çaplı ca m t anecikl erle 30, 80 ve 300 mm kalı nlı ğı nda ol uşt urulan t abakal ar ve R- 11 ile yapılan deneyl erde, t abaka kalı nlığı nı n et kisi sapt ana ma mıştır. Şekil 6. 2 de t aneci k çapı büyüdükçe i yileştir me et kisini n arttığı ve çekirdekli kayna ma 70

88 böl gesi ni n genişledi ği, ancak çok büyük çaplı (16. 3 mm) t aneci kleri n de bir et kisi ni n ol madı ğı görül mekt edir. Taneci k çapı küçül dükçe, kritik ısı akısı da düş müşt ür. 1,e+5 Küresel Cam Tanecikler d t =5.3 mm d t =2 mm d t =1.1 mm düz, d t =16.3 mm Saf Su (1 atm.) Yatay Düz Bakýr Yüzey (D=53 mm) Tabaka Kalýnlýðý: 80 mm q ýý [W/m 2 ] 1,e DT [K] Şekil 6. 2 Küresel ca mtaneci kleri n kayna mada ısı geçişi ne et kileri [108]. 1,e+5 Küresel Cam Tanecikler d t =3.6 mm d t =1.1 mm düz Saf Su (1 atm.) Yatay Düz Bakýr Yüzey (D=60 mm) Tabaka Kalýnlýðý: 75 mm q ýý [W/m 2 ] DT [K] 20 Şekil 6. 3 Küresel ca mtaneci kleri n kayna mada ısı geçişi ne et kileri [109]. 71

89 Shi ve Jang [ 109], t aneci kleri n, düşük ısı akıları nda çekirdekl enme odakl arı nı n yoğunl uğunu ve kabarcı kları n büyü me hı zı nı artırdı kları nı gözl e mi şlerdir. Yüksek ı sı akıları ndaki köt üleş meyi, taneci k t abakası nı n buhar akışı na göst erdi ği dirençl e açı klayan araştır macılar, düşük ısı akıları ndaki i yileştir me et kisi ni n t aneci k çapı ndan bağı msı z ol duğunu, ancak büyük çaplı t aneci klerin i yileştir me et kisi ni n daha yüksek ısı akıları nda da deva mettiği ni bildir mişlerdir (Şekil 6. 3). Ar aştır macılar, mm kalı nlı ğı ndaki t abakal arı n i yileştir me et kenli kl eri nde öne mli bir fark göre medi kleri i çi n et ki ni n yüzeye yakı n i nce bir böl geyl e sı nırlı ol duğunu düşün müşl erdir. Boyut dağılı mı ho mojen ol mayan t aneci klerle yapılan deneyl erde, yüzeyi n hemen üzeri ndeki büyük t aneci kleri n arası ndaki küçük çaplı taneci kleri n hareketlenmesi yle iyileştir me et kisi nin arttığı görül müşt ür. 1,e+5 Küresel Alümina (Al 2 O 3 ) Tanecikler d t =10 mm d t =1.9 mm düz Saf Su (1 atm.) Yatay Düz Bakýr Yüzey (D=60 mm) Tabaka Kalýnlýðý: 80 mm q ýý [W/m 2 ] 1,e DT [K] 20 Şekil 6. 4 Küresel al ümi na ( Al 2 O 3 ) t aneci kleri nin kayna mada ısı geçişine et kileri [110]. Fukusako ve Hotta [ 110], üzeri nde küresel t aneciklerden ol uşan bir t abaka bul unan yüzeye, sı vı enj eksi yonunun kayna mayl a ısı geçişi ne et kisi ni i ncelemi şlerdir. Enj eksi yon yapıl mayan deneyl erde; 1. 9 mm çaplı al ümi na t aneci kleri n, yakl aşı k 50 k W/ m 2 ısı akısı ndan büyük ısı akıları nda i yileştirme et kileri ni n ortadan kalktığı Şekil 72

90 5. 4 te gör ül mekt edir. Halbuki, 10 mm çaplı al ümi na t aneci klerle, düz yüzey üzeri nde kayna manı n henüz başladı ğı 6 K sı caklı k farkı nda, ısı akısı yakl aşı k 9 kat art mı ştır. Ar aştır macılar, sı vı enj eksi yonunun ısı geçişi ni iyileştir me et kisi ni n, t aneci k çapı na bağlı olarak belirli bir ısı akısı nı n üzeri nde kaybolduğunu açı kla mı şlardır. Tung ve Dhir [ 111], küresel ca m t aneci kler ve R-113 ile dol durul an pyrex bir ca m kabı n ortası na yerleştirip, i ndüksi yonl a ısıttıkl arı paslanmaz çeli k küreni n yüzeyi nden kayna mayl a ı sı geçişi ni i ncele mi şlerdir. Şekil 5. 5 den taneci ksiz deneyl erde, 6 K sı caklık farkı nda başlayan kayna manı n, t aneci kli deneyl erde, yakl aşı k 2 K sı caklı k farkı nda başladı ğı gör ül mekt edir. Yüksek ısı akıları nda iyileştir me et kisi ni n kaybol ması, taneci kleri n buhar akışı na gösterdi ği direnci n art ması yla yor uml anmı ştır. Küçük çaplı t aneci klerle yapılan deneyl erde, kritik ısı akısı nı n düş mesi de aynı nedene bağl anmı ştır. Taneci ksiz deneyl erde ısı t aşı nı m 2. katsayısı ile sıcaklı k farkı arası ndaki gör ülen kuvvetli ilişki (hdt 23 d ), taneci kli 0. deneyl erde görül me mi ştir (hdt 64 d ). 1,e+6 Küresel Cam Tanecikler d t =9.9 mm d t =2.9 mm düz R-113 (1 atm.) Paslanmaz Çelik Kürenin Dýþ Yüzeyi (D=19 mm) 1,e+5 q ýý [W/m 2 ] 1,e DT [K] Şekil 6. 5 Küresel ca mtaneci kleri n kayna mada ısı geçişi ne et kileri [111]. Fukusako ve ar kadaşları [ 112], i çi küresel t aneciklerle dol durulan düşey bakır bir bor unun i ç yüzeyi nden, kayna mayl a ısı geçişi ni i nceledi kleri araştır mada, 73

91 taneci kleri n, yüzey yakı nı nda kabarcı kları n ol uşt urduğu çal kantıların şi ddeti ni azalttıkları nı gör müşl erdir. Ni shi ka wa ( 50) deneyl erini yap mı ş ol duğu 1. 0 atmosfer bası ncı nda t anecik çapı 0. 1 ile 1. 0 mm arası nda değişen, gözenek kapl a ması bakır ve br onzdan ol uşan R- 11, R- 113 akışkanı i çi n deneysel bağı ntılar sunmuşt ur. Zhang ve Zhang ( 113) 1.0 at mosfer bası ncı nda, t aneci k çapı ile mm arası nda, gözenek kapl a ma kalınlı ğı ile 4. 6 arası nda değişen, yüzeyi si nterlenmi ş br onz ile kaplı ve akışkan ol arak su, etil al kol ve R- 113 ün kullanıldı ğı deneyl er yapmı şlardır. Af gan ( 56) su, etil alkol ve R- 113 ün at mosfer bası ncında 0. 3 den 0. 7 mm aralıklı gözenek kat manlı orta mda ı sı geçişi ni deneysel ol arak i ncele mi şlerdir. Tevher ( 114) püskürt ül müş pl az ma kaplı yüzeyl er üzeri nde ki havuz kayna mal arı nı i ncele mi ştir. Yat ay al ümi nyum, br onz, bakır t aneci klerle kaplı gözenekli orta mda R- 113 i çi n çekirdekli kayna mada deneysel kayna ma eğrileri ve kritik ısı akısı verileri el de edil miştir. 74

92 7. DENEYSEL ÇALI ŞMA Bu böl ümde çekirdekli havuz kayna ması nda ısı geçişi ne, katı t aneci klerin et kisi ni n incelenmesi i çi n hazırlanan deney düzeneği, yapılan deneyl er ve i zl enen yönt e m açı klanacaktır Deney Düzeneği Çekirdekli havuz kaynaması nda ısı geçişi ne katı t aneci kleri n et kisi ni i ncel e mek i çi n kur ulan deney düzeneğini n şe mati k res mi Şekil 7. 1 de, fot oğrafları ise Şekil 7. 2 de sunul muşt ur. Isıtıcı bl ok ve öl ç me silindiri, sırası yla, sera mi k ve ca m yünü tabakaları ile yalıtıl mıştır. Kayna ma, pyrex ca m bor ul ar ile ol uşt urulan havuzda ve bakır öl ç me silindiri ni n üst yüzeyi nde ol makt adır. Buharlaşan su, yoğuşt ukt an sonra t ekrar havuza dökül mekt edir. Yoğuşt urucuda çekilen ısı, soğut ma gr ubundaki ısı değiştiricisi nden orta ma atıl makt adır Isıtıcı Bl ok Isıtıcı bl oğun mont aj res mi Şekil 7. 3 de veril mi ştir. Isıtı cı bl ok; 520 mm uzunl uğunda, 80 mm eninde ve mm kalı nlığı ndaki mangani n direnç, el ektri k izolasyonu i çi n mi ka t abakal arı ile kapl anan 7 adet bakır pl aka arası na sıkıştırılarak hazırlanmı ştır. Isıtıcı bloğun mont ajı nda kullanılan piri nç cı vataları n dişleri ne, yüksek sı caklı ktaki kaynaş mal arı engelle mek i çi n, al ümi nyu m esaslı bir mont aj j eli sürül müşt ür. 1c m 2 kesitli, çok t elli bakır güç kabl oları, gü müş kaynağı yl a birleştirildi kleri bakır el ektrotlar ile manganin f ol yo direnç arası nda, yüksek sıcaklı kta ol uşan kor ozyon ür ünü t abakanı n elektri k akı mı na gösterdiği direnç, sıcaklı ğı artırdı ğı i çi n ergi mi ştir. Bu nedenl e bakır elektrotları n yeri ne, Şekil 7. 3 de gör ülen, ni kel oranı yüksek, 309- kalite paslan maz çeli kten üretilen el ektrotlar kullanıl mıştır. Direnç, 380V, 50Hz, 3-faz alternatif akı ml a beslenen, çıkış gücü, 15V200A DC ( maksimu m: 18V240A DC) ol an ve 0-3k Warası nda kade mesi z ayarlanabilen, He wl ett Packard mar ka 6453A model doğr u akı m güç kaynağı ile beslenmi ştir 75

93 76

94 76 1) Isıtıcı bl ok 2) Öl ç me Silindiri 3) Yalıtı m 4) Pyrex ca mborular ve kayna ma havuzu 5) Yoğuşt urucu 6) Yar dı mcı ısıtıcılar 7) Güç kaynağı ( DC) 9 Yar dı mcı ısıtıcılar içi n güç kaynağı ve ölç me ci hazl arı ) Volt metre 9) Amper metre 10) Isı değiştirici 7 4 Soğut ma grubu 11) Po mpa 12) Rot a metre 13) Genl eş me kabı ) Güç kaynağı ( AC) 15) Referans kabı (0 o C) 16) Veri topl a ma ünitesi Ana ısıtıcı içi n güç kaynağı ve ölç me ci hazları Veri topl a ma ve değerlendir me Şekil 7. 1 Deney düzeneğini n şe mati k res mi.

95 Şekil 7. 2 Deney düzeneğini n fot oğrafları. 77