KONTROL HACMİ YAKLAŞIMIYLA SALINIMLI AKIŞTA ISI GEÇİŞİNİN DENEYSEL VE TEORİK OLARAK İNCELENMESİ

Transkript

1 Isı Biii e Tekniği Derisi, 8,, 3-3, 8 J. f Thera Science an Techny 8 TIBTD rinte in Trkey ISSN KONTROL HCMİ YKLŞIMIYL SLINIMLI KIŞT ISI GEÇİŞİNİN DENEYSEL VE TEORİK OLRK İNCELENMESİ Üna KDĞ*,. Ferin ÖZGÜÇ** e Mstafa ÖZDEMİR** * ksaray Üniersitesi, Mühenisik Fakütesi, Makina Böüü, 68, ksaray Te: ( e-psta: aka@ai.c ** İstan Teknik Üniersitesi, Makina Fakütesi Güüşsy, İstan (Geiş Tarihi: 3.. 8, Ka Tarihi: Öet: B aışaa, üşey hakasa sıı knna atsfere aık, haa-sıı arayüeyine sahip saınıı ir akışta, sait ısı akısıya ısıtıan ir yüeyen ısı eişi, eneyse arak inceenekte e kntr haci yakaşııya ateatikse arak eenekteir. Deneyse aışaa, hakasa kesit iine nan akışkan ir pistn-siinir üeneği ie hareket ettiriekte e siste üerine sıcakık öüeri yapıaktaır. Saınıı akış iin kntr haci yakaşııya küte, ent e enerjinin krn enkikeri yaıarak yn eeri enkeer ee eiekte, enkeer Rne-Ktta yönteiye öüekteir. Deneyse irier esas aınarak, kran ateatik e ie eiri nktaaraki sıcakıkar hesapanaktaır. Deneyse snara ateatikse een ee eien eğerer karşıaştırıarak snarın ynğ österiekteir. Sıı knna sıcakıkarın tahin eieiesi iin asit ir ateatik e öneriekteir. nahtar Keier: Saınıı akış, Kntr haci yakaşıı, Hakasa kana. THE EXERIMENTL ND THEORETICL INVESTIGTION OF HET TRNSFER IN OSCILLTING FLO BY CONTROL VOLUME ROCH stract: In this sty, the heat transfer fr a srface heate with cnstant heat fx t an sciatin ertica annar iqi cn hain a iqi-air interface with the atsphere is inestiate experientay an thereticay sin cntr e apprach. In the experient, the reciprcatin tin f water cn is create sin a pistn cyiner echanis an the teperatres are easre n the setp. Fr sciatin fw, sin the cntr e apprach, ass, ent an enery cnseratin eqatins are written an sipifie t tain apprpriate ernin eqatins an se y Rne-Ktta eth. Teperatres at specifie pints are cacate y sin the atheatica e eepe ase n experienta paraeters. Cparisn f theretica rests with experienta ata is shwn t e in areeent. sipe atheatica e is eepe t estiate the teperatres in iqi cn. Keywrs: Osciatin fw, Cntr e apprach, nnar channe. SEMBOLLER sıı kn kesit aanı [ ] yts enik (x /D c,c p,c öü ısı [kj/k-k] D hirik ap [(r -r ] [] D i hakasa kesit i apı [] D ca r ış apı [] F sürtüne keti [N] yerekii iesi [/s ] h entapi [kj/k] k ısı ieti katsayısı [/-K] L kntr haci tpa nğ [] L h ısıtıcı nğ [] sıı kn irişinen ısıtıcı aşanıcına kaar an esafe [] pran ısıtıcıya an esafe [] r rant sayısı atsfer asıncı [a] x sıı kn irişine etkiyen tpa asın [a] Q k ir erie ereye kayan ısı [J] Q ir erie ısıtıcıan sya een ısı [J] q kntr hacine an ısı akısı [/ ] Re ω kinetik Reyns sayısı (Re ω ωd /υ r hakasa kesit i yarıapı [] r hakasa kesit ış yarıapı [] x enik [] t aan [s] τ yts aan T sıcakık [ C] T a sıı kn üst c sıcakığı T c ca r ış yüey sıcakığı T arayüey sıcakığı T V B kntrhacine iriş sıcakığı T p pr sıcakığı sıı knna iriş sıcakığı T 3

2 T rta sıcakığı θ yts sıcakık i enerji [kj/k] U yts hı V haci aksi hı [/s] s arayüeyin hıı L, rtaaa sıı hıı [/s] Y tpa nk [] y üşey krinat arayüeyin pisyn [] Z yts kn sıı kn hıı titreşi ekseni yaa ra yüksekiği [] yğnk [k/ 3 ] ω aısa frekans [ra/s] υ kineatik iskite [/s ] İniser a haa har iren ıkan sıı GİRİŞ Isı rarı, ısı eğiştiricieri, iten yanaı trara yüeyerin sğtası, Stirin erii akinaar, nükeer reaktörere sğta. ühenisik preerine yüeyen ısı ekiesi eya yüeyen ısıta önei araştıra knarı arasınaır. Sn yıara enerji aiyeterinin artası araştıracıarı aha efektif ısı eişi sağayan kpakt cihaar tasaraaya yönetiştir. Haihaıra ısı eişini iyieştirek aacıya pek k yeni yönte enenekteir. Bnaran ir tanesie yüeyin ya a akışkanın titreştiriesiye ştran titreşii akışta ısı eişi ayıır. Titreşii akışta ısı eişine akış titreşieri saınıı (reciprcatin eya psatif (psatin ak üere iki farkı şekie sınıfanırıaktaır. Her iki ra a yüeyen ısı eişi tee arak frekans e eniğe ağı arak eğişekteir (Zha e Chen, 998a, Çarpınığ e Günğ,. Saınıı akışa iii eğişik eetriere yapıan aışaara, yüeyen ısı eişinin tee yts paraetresi an Nsset sayısının, kinetik Reyns sayısı, yts enik, rant sayısı e yts eetrik paraetreerin fnksiyn ğ eirtiekteir (Zha e Chen 995, 996, 998, Krwe e Zhan 99, Than e Chen 993. Sn yıara saınıı akış kanıarak öeike eektrnik nanıarın efektif arak sğtası knsna k sayıa araştıra yapıaktaır (Cper. 994, Li e Yan,. Saınıı akış kanıarak yapıan sğta işeerine iğer knansiyne sisteere öre en a %4 ranına ir iyieştire ğ araştıracıar tarafınan eirtiekteir (ash yrıca saınıı akışta frekans e enik eğiştirierek kntrü ısı ekekte ükün aktaır (Oawa e Kawaat, 99. B öeik yeni tip ısı eğiştiricierinin tasarıına önei ir aantaj sağaaktaır. B aışaa, saınıı akış aışaarına yn arak tasaranan, üşey ekseni, ir c atsfere aık hakasa kesiti ir ra ısı eişi, eneyse e kntr haci yakaşııya ateatikse arak inceenekteir. B aışaa, iteratüre nan aışaaran farkı arak saınıı akış iin kntr haci yakaşııya asit ir ateatikse e öneriekteir. Kaera Gü Kaynağı Isıtıcı Ca r Sğtc istn-siinir DC Mtr Dijita taketre Veri tpaa sistei (Keithey-7 Hı ayarı Sğta sy Şeki. Deney üeneği 4

3 DENEYSEL ÇLIŞM Saınıı akış eney üeneği şeatik arak Şeki e örüekteir. Düşey arak yereştiriiş test üeneği i ie iki ran eyana eekteir. Dıştaki r ış apı 4, i apı 37,4 e nğ an üst kısı atsfere aık ca rr. Ca rnn erkeine nan i r 8 ış apına p sğtc, ayaatik öe e ısıtıcı kısıaran eyana eekteir. 6 nğnaki ısıtıcı e 76 nğnaki sğtc akır aeeen p araarınaki ayaatik kısı ise 3 nğna tefn aeeen yapııştır. ynı apı ü kısı iaı ir sistee iririne ağanış p ağantı yereri ükün ğ kaar akışı ayacak şekie yapııştır. Isıtıcı an akır r iineki eektrik irenci, ayaranaiir ir ü kaynağı ie esenekteir. Sğtc akır r ise i ie iki r şekine p iteki ran iren sğta sy ıştaki ran ışarı ıkaktaır. Böyece ca r iineki s ie sğta sy karışaaktaır. Sıcakık öeeri ir Veri Tpaa Sistei e sıcakık kartı (Keithey 7 yarııya yapıakta e aana ağı ee eien snar iisayara kayeiekteir. Beiri ir seiyeye kaar ran s kn ift etkii ir pistn siinir üeneği asıtasıya, hıı ayaranaiir k ık DC ir tr ie tahrik eiekteir. Mtr eir sayısı ft tip ijita taketre cihaıya öüekteir. rayüeyin hareketi ir ijita kaera ie kayeiekteir. Deneyere saınıı akışta ısı eişini hesapayaiek iin 3 ayrı nktaan sıcakık öüü yapııştır. Bir kesitten een entapinin naiesi iin kntr haci iriş e ıkışına örer tereeanı irer pr yereştiriiş e prar asıtasıya raya yöneki anık sıcakıkar öüeiiştir. Yapıan sıcakık öüeri snc sıı knna en yüksek akışkan (s sıcakığının ara yüeye eyana eiği sncna arııştır. ncak atsferik şartara s, haraşası iin ereki ya sıcakığına aşaaığı iin aışaa haraşa iha eiekteir (ka, 5. Bir erie sya een ısıyı hesapaak iin iki pr arasına kaan aan kntr haci arak seiiştir. Hesapaaar ir eri ynca kntr haci iin küte ent e enerjinin krn enkikeri ö önüne aınarak yapııştır. Deney snarı ie iii yapıan hesapaaar e hata anaii kağ,., (6, 8 tarafınan ayrıntıı ir şekie eriiştir. T a r T p V C x T Lh q V B r V (ra yüksekiği L LT T y r T Di D Şeki. Mateatikse e iin Hareketi Sıı Kn eetrisi. 5

4 6 KONTROL HCMİ YKLŞIMI Hareketi sınıra sahip ir kntr haci iin küte, ent e enerjinin krn ifaeeri intera fra aşağıaki ii yaıaiir, ( S s V V t n ( F n S s V V t ( ( Q h V t S s V n ( (3 ra yüey krn eşitikeri iin; arayüeye e tü ciarara yüey erieeri e aheyn keteri iha eiekteir. Sıı e har Newtnien akışkanarır (Carey, 99. B kaer atına arayüey krn eşitikeri yenien üeneneiir. Çöü iin Şeki e örüen sıının süpürüğü aan kntr haci arak seiekteir. B kntr haci iin kütenin krn eşitiği yaıaiinir. ( L (4 Braa sıı yğnğ sait e sıı hıı rtaaa aınarak, kaer atına aşağıaki eşitik ee eiekteir. L (5 B eşitikte L rtaaa sıı hıını e e arayüeyin hıını österekteir. Eşitikten anaşıığı ii ara yüey hıının sıının hıına eşit ğ örüür. Bener şekie kntr haci iin ene ent ifaesi yaıır e üenenirse ent enkei, F/ x ( (6 arak ee eiir. Braa F sürtüne keterini österekteir. Kntr haci iin tpa enerji enesine akıırsa, enke (3 üenenerek, aha asit ir ifaeye enerji enkei, aşağıaki iie yaıaiir. f Q h h t V t (7 B enkee, atsfere karşı yapıan işi, f e sürtüneere karşı yapıan işi österekteir. Braa öüü kayaştırak iin, Enerji Mekanik x Enerji - ısı (8 önüşüü yapıarak, enke (7 e nan ekanik enerji terieri, ( f x t (9 arak yaıaiir. B ifae üenenerek enke (6 a erien ent eşitiği ee eiir. Ee eien ent ifaesi (7 enkeine yaıırsa ekanik enerji ie iii terier enerji enkeinen üşer. B ra eriye saece ısı enerji enesi kaır e enke, Q V t ( haini aır. Braa e terieri i enerjieri österekteir. rayüeye ent enesinen,, (sıı faının hıının, a faının hıına eşit ğ ee eiir. B ra enke,

5 t V h ( - ( - Q ( Şekine ifae eieiir, enke üenenirse, ısı enerji enesi iin, t V h h Q ( İfaesi ee eiir. Çöüü kayaştırak iin, V kntr haci Şeki e örüüğü ii üe öünür V V VB VC e ( ifaesi kntr hacierine sıraya yanır. B hacier, V, V (, V C (L - e V V VB VC L B ir. Isıtıcı yüeyi eri esnasına he haa he e sıı ie teas etekteir. B ra, Isıtıcıan sya een ısı Q πd i ( q e haaya een ısı a Q a πd i ( L q eşitikeriye hesapanır. Ca ciar ış yüeyinen kayan ısı ise Q h π D L(T T eşitiği ie ifae eiir. k i c Sıı kn ynca sıcakık eğişii ineer arak ka eiirse, (Oawa e Kawat, 99 V kntr haci ynca sıcakık eğişii, T(y ay (3 ii ineer ir ağıntı ie eireneiir. B ra haci ynca sıcakık eğişii T T T ( y T( y y T (4 Bağıntısı ie ifae eiir. B ifae ( enkeine yerine yaıır e entapier iin, h c pt önüşüü yapıarak V haci iin, ısı enerji enesi yaıırsa, T T c t (5 c (T T Q p enkei nr. k ynı şekie V B haci iin, aynı yönte yanarak, V B kntr haci ynca sıcakık eğişii, Q Q [(T T ( ] c t ( c p T c p T k h h (6 r. Bener şekie V C haci iin, ğrsa sıcakık eğişii kaüye enerji enkei yaıırsa, Q Q [(T T (L - ] ac a p t a c p T p ( c p T a a h ka h (7 ifaesi ee eiir. B ifaeere Q a, ısıtıcıan haaya, Q, e ısıtıcıan sya een ısıyı österekteir. yrıca ifaeere yer aan Q k, Q k e Q ka terieri e aşağıa sıraya aıkanaktaır. [((T T / ] Q h π D T (8 k V hacinen ereye kayan ısı [((T T / ] Q h π D ( T (9 k V B hacinen ereye kayan ısı [((T T / ] Q h π D ( L T ( ka a p V C hacinen ereye kayan ısıyı österekteir. Denkeerin Bytsaştırıası; Ee eien enkeer aya kanıan fiikse paraetreerin hanisinin aha etkii ğn ak e eğişken sayısını aatarak öüü kayaştırak iin ytsaştırııştır. B aışa iin ytsaştıraa kanıan fiikse paraetreer aşağıa eriekteir. L ( Z,H (,, U, D D θ ( T T /( q D / k, p, τ ω t üyüküker kanıarak yapıan ytsaştıraar snc ee eien enkeer, Kn ( / xω cs( ωt ( Hı U sin( ωt ( 7

6 Ment D F UZ x Z (3 U U raa Fr D / U Fre sayısı e e F / U e eer sayısını österekteir. Enerji enkei ise her ir kntr haci iin ayrı ayrı yaıırsa, V haci iin, L θ Uθ Q k Re r q V B haci iin, [( θ θ ( Z L ] τ U Z θ θ θ U Q Q p D k ω Z Reω r q q q V C haci iin [( θ θ p ( H Z ] τ Uθ p Uθ Z θ Q Q p D a ka ω Z Reω r q q q ω (4 (5 (6 Eşitikeri nr. Braa Reω ωd / υ kinetik Reyns sayısı, x D yts enik e r υ α e rant sayısı ak üere ısı eişini etkieyen yts sayıarı österekteir. B enkeer sayısa öüe yn fra yaıarak aşağıa sırasıya eriekteir. Z sinτ (7 D F Z U x ( Z / (8 U U θ L Uθ Q k Re r q L ω (9 Q a Q k pωd Z Re r q q q ω θ p θ ( H Z ( θ θ p Z /( Z L ( θ p θ U θ Z (3 Ee eien enkeer örüncü ereceen Rne- Ktta etya irikte öüüştür. B öü e Δt aan aıı,.s,.s e. arak aınış e. aıına öüün aan araığınan ağısı ğ örüüştür. SONUÇLR e TRTIŞM Denkeerin sayısa arak öüünen ee eien eğerere eneyse snar karşıaştırıarak ateatik ein ğrğ araştırıaktaır. Şeki.3 e eneyere arayüeyin hareketinin ijita kaera asıtasıya kayeien örüntüerinin öüesiye ee eien eğerere enkeerin öüünen ee eien kn-aan eğereri karşıaştırıaktaır. Şekie e örüüğü ii araarına k iyi ir y ğ örüekteir. Byts kn, /D 4 3 kntr haci öüü eney Δt iafi aan [s] Şeki 3. Kn-aan eğererinin karşıaştırıası Diğer üyüküker iin enkeerin öüünen ee eien eğerer Şeki 4 e tp arak eriekteir. Byts üyükükerin aana eğişiinin sinüia ğ kn, hı e sıcakık eğereri iin ee eien eğrieren anaşıaktaır. Kntr haci yakaşııya, iinen üyükükeren yararanarak, V B hacine iriş e ıkış sıcakıkarı naktaır. Sıı iin en yüksek sıcakık ekeniği ii sayısa öüe e ara yüeye naktaır. rayüey iin nan sıcakıkar sinüia arak eğişekteir, ancak eniği k üşüktür e iriş sıcakığı ie karşıaştırıığına aana eğişii iha eieiecek üeyeir. θ Q Q k pωd Z Reω r q q q θ ( Z L ( θ θ Z Uθ /( Z L (3 8

7 Z U θ θ θp Byts ykker iafi aan [s] Şeki 4. Denkeerin öüünen ee eien yts kn, hı e sıcakıkarın aana eğişii (Z: Kn, U: hı, θ kntr hacine iriş sıcakığı, θ : arayüey sıcakığı, θ p : pr sıcakığı,.88, Re ω. Deneyere ara yüeyin sıcakığı öüeeiği iin sayısa öüe nan eğerer eneyere karşıaştırıaaıştır. Bnna irikte, sıcakık eğererinin ekenen araıkta ğ örüekteir. B öüe nan ir iğer sıcakık ise V B kntr hacine iriş sıcakığı arak aığıı θ ir. B hesapaa iin seien kesit eneyse arak sıcakık ötüğüü pr in nğ kesite kn arak k yakın ğnan nan eğererin e sıcakığa yakın ası ekenekteir. Şekien e anaşıacağı ii rn ekeniği ii ğ örüekteir. Şeki.5 e sayısa öüen nan sıcakıkar ie eneyse arak pr en aınan anık rtaaa sıcakıkarın karşıaştırası eriiştir. B sıcakıkarın ertee arak iririne yakın ğ e yapıan karşıaştıraa ekenen yn sağanığı örüekteir. yrıca eneyere haa tarafının 3. θ.4 θ p kntr haci öüü θ p eney θ.6.8 θ kntr haci öüü θ eney 5 5 iafi aan [s] Şeki 5. Denkeerin öüünen ee eien yts sıcakıkarın eneyse snara karşıaştırıası (.88, Re ω. 9

8 3. θ.4 θ.6 θ p knr haci öüü, θ p eney.8 θ knr haci öüü, θ eney 5 5 iafi aan [s] Şeki 6. Denkeerin öüünen ee eien yts sıcakıkarın eneyse snara karşıaştırıası (.88, Re ω. sıcakığını öek iin yereştirien pr (pr ie sayısa öüe aynı kesit iin nan sıcakıkar iin yapıan karşıaştıraa a Şeki.5 e örüüğü ii iyi ir y sağanaktaır. Farkı ir frekans iin yapıan öüere sayısa öüen ee eien eğererin karşıaştırıası Şeki.6 a eriekteir. Braa a sıcakıkarın ekeniği ii eneyere y ğ örüekteir. Frekans arttıka sıcakıkarın enikeri üşekteir. B r frekans arttıka yığın sıcakığın üşesinen kaynakanaktaır. Şeki 5 e Şeki 6 karşıaştırıığına aynı aan iii iin yüksek frekansta (kinetik Reyns sayıarına, Re ω aha faa eri akta, a ısı eiş hıını artıraktaır. SONUÇ B aışaa, kntr haci yakaşıı kanıarak saınıı akış iin ir ateatikse e eiştiriiştir. B ee seien kntr haci iin küte, ent e enerjinin krn enkikeri yaıarak yapıan kaer atına yn asiteştireer yapıakta e eeri enkeer naktaır. B enkeer ytsaştırıarak ayı etkieyen yts paraetreer nakta e enkeer sayısa öüe yn hae etiriekteir. Bnan enkeer Rne-Ktta etya irikte öüüp ee eien eğerer eneyse snara karşıaştırıarak ein ğrğ österiekteir. Mateatik ein asit asına rağen, eneyse snara iyi ir y sağaığı örüekteir. Hareketi sınıra sahip, aana sinüia eğişen harekete ar ir sıı knna ısı eişinin yakaşıa aşarıı ir şekie eeneieceği österiekteir. B aışanın, ierisine periyik saınıar nan ir kana akışına ısı eişinin anaşıasına katkı sağayacağı üşünüekteir. KYNKLR kağ, Ü., Hareketi Sıı Knna Isı Geişinin İnceenesi, Dktra Tei, İTÜ, Fen Biieri Enstitüsü, İstan. 5. kağ, Ü., an Öeir, M., Heat transfer in an sciatin ertica annar iqi cn pen t atsphere, Heat Mass Trans 4(7:67-64, 6. kağ, Ü., Öeir, M., an Öü,.F., Heat rea fr sciatin fw in a ertica annar channe, Heat an Mass Transfer, Spriner, 44(4: 393 4, 8 Carey Van., Liqi-apr phase-chane phenena, Heisphere ishin Crp. ashintn DC, 99. Cper,. L., Nee,V.. an Yan, K.T., n experienta inestiatin f cnectie heat transfer fr the heate fr f a rectanar ct t a w freqency, are tia ispaceent sciatry fw, Int. J. Heat Mass Transfer, 37(4: Çarpınığ M. e Günğ, M.Y., critica reiew n psatie pipe fw sties irectin twars ftre research tpics, Fw Measreent an Instrentatin, (3: Krwe, U.H. an Zhan, J.G., Nerica Siatin f tie-epenent Heat Transfer in Osciatin ipe Fw, Jrna f Therphysics, 5: Li,., an Yan, K., T., Mechaniss fr the heat transfer enhanceent in er-ean sciatry fws in shrt channes, Int. J. Heat Mass Transfer 43(9: ,. 3

9 Oawa, M. an Kawat,., Lpe-araeter Mein f Heat Transfer Enhance y Sinsia Mtin f Fi, Int. J. Heat Mass Transfer, 34(: Than, X. an Chen,., Crreatins f the cyceaerae nsset ner in a periicay reersin pipe fw, Int. C. Heat Mass Transfer, : 6 7, 993. T.E., ash, K.T. Yan an V.. Nee an Q.D. Lia, Frce cnectin cin in icreectrnic cainets ia sciatry fw techniqes, rceeins f 3r wr cnference n Experienta Heat Transfer, Fi Mechanics an Therynaics pp , N.993. Zha,T.S. an Chen,., nerica stin f ainar frce cnectin in a heate pipe sjecte t a reciprcatin fw, Int. J. Heat Mass Transfer, 38 (6: Zha T.S. an Chen,., Osciatry heat transfer in a pipe sjecte a periicay reersin fw, SME J. Heat Transfer, 8: Zha,T.S. an Chen,., nerica sty f ainer reciprcatin fw in a pipe f finite enth, ppie Scientific Research, 59:-5, 998. Zha,T.S. an Chen,., Heat Transfer in Osciatry Fw, nna Reiew f Heat Transfer, Ve IX, (Chpt.7, The Hn Kn Uniersity f ScienceTechny, Cear ater Bay, Kwn, Hn Kn, 998a. 3