BAŞKENT ÜNİVERSİTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAK MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI DENEY 4

Transkript

1 BAŞKENT ÜNİVERSİTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAK - 0 MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI DENEY İÇİNDE SABİT SICAKLIKTA SİLİNDİRİK ISITICI BULUNAN DİKDÖRTGEN PRİZMATİK SAC KUTU YÜZEYLERİNDEN ZORLANMIŞ TAŞINIM İLE ISI TRANSFERİNİN İNCELENMESİ

2 BAŞKENT ÜNİVERSİTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAK 0 MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI DENEY - İçinde sabit sıcaklıkta silindirik ısıtıcı bulunan dikdörtgen prizmatik sac kutu yüzeylerinden zorlanmış taşınım ile ısı transferinin incelenmesi GİRİŞ Isı geçişinin gerçekleşmesini sağlayan farklı mekanizmalar ısı geçişi türleri olarak adlandırılır. Bir sistemdeki ısı geçişi iletim, taşınım ve ışınım ısı geçişlerinin toplamı olarak ifade edilebilir. Taşınım ile ısı transferi, herhangi bir yüzey ve bu yüzey üzerinde hareket eden akışkan arasındaki enerji aktarımını ifade eder. Taşınım ile ısı transferi doğal taşınım ve zorlanmış taşınım olmak üzere iki şekilde gerçekleşir. Doğal taşınımda akış, akışkan içindeki sıcaklık değişimlerinin neden olduğu yoğunluk farklarından kaynaklanan kaldırma kuvvetleri ile ilişkilidir. Doğal taşınımın temel dayanak noktası, ısınan akışkanın daha yukarı (yüzeye) çıkmaya yatkın hale gelmesi, yani yükselmesi ve daha soğuk akışkanın aşağı (dibe) hareket etmesidir. (Örneğin ısınan sıcak havanın radyatör yüzeyinden yukarı doğru yükselmesi). Zorlanmış taşınımda ise akışkan hareketi basınç farkı sebebiyle oluşur. Zorlanmış taşınımda akış, bir fan, bir pompa veya atmosferik rüzgarlar gibi bir dış etki ile oluşur. Zorlanmış ısı taşınımı için iki ayrı akım söz konusudur. Bir yüzey üzerinde (levha, boru v.b) sınırlandırılmayan serbest bir akışkan hareketi varsa, bu durum için dış akış tanımlaması yapılır. Akışkan hareketi yüzeyler tarafından sınırlandırılıyorsa ( boru veya kanal içi akım gibi) bu durumda iç akımdan söz edilir. Bir akışkan ortamda akarken çeşitli gerilimlere maruz kalır ve bu durumda akış özellikleri değişebilir. Akışkanlar mekaniğinde bu değişken durumlar laminer akış ve türbülanslı akış olmak üzere ikiye ayrılır. Laminer sınır tabaka içinde, akışkan hareketi çok düzenlidir ve parçacıkların akış çizgileri boyunca hareket ettikleri gözlenir. Türbülanslı sınır tabaka içinde akışkan hareketi çok düzensizdir ve akış içinde ani değişimler gözlenir. Düşey bir levha çevresindeki taşınımda başlangıçta sınır tabaka gelişimi laminerdir, ancak belirli bir uzaklıktan sonra akışkan özelliklerine, yüzey ile çevre arasındaki sıcaklık farkına ve yüzey pürüzlülüğüne bağlı olarak türbülans girdapları oluşmaya başlar, bu geçiş bölgesinin ardından da akım tamamen türbülanslı hale gelir. Aşağıdaki şekilde bir levha üzerindeki akışın karakteristiği gösterilmektedir. Türbülanslı Bölge Tam Türbülanslı Akış Laminer Bölge Laminer Bölge Geçiş Rejimi Laminer Bölge

3 Herhangi bir taşınım probleminin incelenmesinde ilk adım sınır tabakanın laminer veya türbülanslı olduğunun belirlenmesidir. Bir akışın laminer veya türbülanslı olduğuna karar vermek için Reynolds sayısını kullanırız. Reynolds sayısı: Re x = ρu x μ ile ifade edilir. Bu formüle göre akış, Re x x0 iken laminer, Re x x0 iken türbülanslıdır. Bu deneyde kullanılan dikdörtgen prizmatik sac kutu içinde elektrikli ısıtıcı bulunduğundan, problemin çözümünde yüzeylerde sabit ısı akısı kabulü yapılacaktır. DENEYİN AMACI İçinde sabit sıcaklıkta silindirik ısıtıcı bulunan dikdörtgen prizmatik sac kutunun yatay ve dikey yüzeylerinden zorlanmış taşınım altında üç farklı hava hızı için lokal Nusselt sayılarının ( Nu x ) konuma göre değişiminin incelenmesi. DENEY DÜZENEĞİ Deney düzeneği, Cr-Ni paslanmaz çelikten imal edilmiş mm kalınlığında, tam merkezine 0 W gücünde silindirik çubuk tip ısıtıcı yerleştirilmiş bir sac kutu, rüzgar tüneli, adet sayısal göstergeli kontrol cihazı ve frekans kontrollü fan motorundan oluşmaktadır. Sac kutunun iki yüzeyine sıcaklık ölçümleri için mm aralıkla altışar adet termo-eleman bağlanmıştır. Ölçüm hassasiyeti ±% olan, hava akımı hızı ve sıcaklık ölçer aleti, rüzgâr tüneli girişinde tam merkezde bulunmaktadır. Prizmatik kutu merkez ekseni boyunca yerleştirilen çubuk ısıtıcının ölçümler süresince sabit sıcaklıkta kalabilmesi için bir röle, ısıtıcı sayısal göstergeli kontrol cihazına bağlı bulunmaktadır. Isıtıcı sıcaklığının kontrol edilememesi durumunda sıcaklığın aşırı derecede artarak ısıtıcının yanmasını engellemek için devre üstünde ayrıca bir adet emniyet termostatı bulunmaktadır. Bu kontrol cihazı ile ısıtıcı yüzeyinde 00± C aralığında sıcaklık hassasiyeti sağlanmaktadır. Deney Düzeneği

4 Termo- eleman mesafeleri: X= 0.0 m X= 0. m X= 0. m X= 0. m X= 0. m X= 0. m DENEY PROSEDÜRÜ Frekans kontrollü fan motoru çalıştırıldıktan ve hız m/s olarak ayarlandıktan sonra rejimin kararlı duruma gelmesi için bir süre beklenir. Sistem kararlı rejime ulaştıktan sonra prizmatik kutunun yatay ve dikey yüzeylerine bağlı bulunan termo-elemanlar sayısal göstergeli kontrol cihazına takılır ve sıcaklık değerleri ölçülür. Prizmatik kutunun A ve B yüzeylerindeki her nokta için 0 saniyede bir sıcaklık değerleri kaydedilir. Yüzeylerdeki her nokta için 0 adet sıcaklık değeri alınır. Aynı işlemler hız= m/s ve hız= m/s için tekrarlanır. HESAPLAMALAR. Üç ayrı hızda her nokta için bulunan ortalama sıcaklık değerlerine göre Reynolds sayılarını ( Re x ) hesaplayınız. Reynolds sayısına göre akışın laminer ya da türbülanslı olduğuna karar veriniz.. Akışın türüne göre ilgili denklemleri kullanarak lokal Nusselt sayılarını( Nu x ) hesaplayınız.. Lokal Nusselt sayılarının( Nu x ), her bir ölçüm noktasına göre değişiminin grafiğini her üç hız için aynı grafik üzerine gelecek şekilde çiziniz. SONUÇLAR VE YORUMLAR. Yatay ve dikey levhalardaki ısı transferinin hız ve konuma göre değişimini yorumlayınız.. Her yüzeyde bulunan adet sıcaklığın ortalamasını alınız. Buna göre bulunan ortalama yüzey sıcaklık değerlerini kullanarak yatay ve dikey levhalardan dış ortama olan ortalama ısı taşınımını m/s hız için ayrı ayrı hesaplayınız ve çıkan sonuçları yorumlayınız.. Yapılan deneydeki hata kaynakları ve çözüm önerilerini belirtiniz.

5 Ölçümler: -V= m/s Devir=.. Ortam Sıcaklığı (T )=. A YÜZEYİ SICAKLIK DEĞERLERİ 0 T T T T T T B YÜZEYİ SICAKLIK DEĞERLERİ 0 T T T T T T

6 - V= m/s Devir=.. Ortam Sıcaklığı (T )=. A YÜZEYİ SICAKLIK DEĞERLERİ 0 T T T T T T B YÜZEYİ SICAKLIK DEĞERLERİ 0 T T T T T T

7 . V= m/s Devir=.. Ortam Sıcaklığı (T )=. A YÜZEYİ SICAKLIK DEĞERLERİ 0 T T T T T T B YÜZEYİ SICAKLIK DEĞERLERİ 0 T T T T T T

8 BAŞKENT ÜNİVERSİTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAK 0 MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI DENEY- İçinde sabit sıcaklıkta silindirik ısıtıcı bulunan dikdörtgen prizmatik sac kutu yüzeylerinden zorlanmış taşınım ile ısı transferinin incelenmesi Ad Soyad : Öğrenci No : Tarih :

9 Deneye gelmeden önce ısı transferi kitabınızdan zorlanmış ısı transferi konusuna çalışarak geliniz. Raporlarınızı rapor yazım kılavuzuna göre yazınız. Denklemler Sabit yüzey sıcaklığı lokal Nusselt sayısı(laminer Akış); Sabit yüzey sıcaklığı lokal Nusselt sayısı(türbülanslı Akış); Sabit yüzey sıcaklığı ortalama Nusselt sayısı(laminer Akış); Sabit yüzey sıcaklığı ortalama Nusselt sayısı(türbülanslı Akış); Sabit ısı akısı lokal Nusselt sayısı(laminer Akış); Sabit ısı akısı lokal Nusselt sayısı(türbülanslı Akış); Sabit ısı akısı ortalama Nusselt sayısı; Nu = 0.0Re L / Pr /