DEÜ Makina Mühendisliği Bölümü MAK 4097

Transkript

1 ÇİFT BORULU BİR ISI EĞİŞTİRİCİSİNE ISI YÜKLERİNİN VE TOPLAM ISI TRANSFER KATSAYISININ BELİRLENMESİ üzenleyen: Prof. r. Serhan KÜÇÜKA r. Mehmet Akif EZAN eney Sorumlu: Prof. r. Serhan KÜÇÜKA Arş. Gör Ayşe Uğurcan ATMACA & Arş.Gör. Ersin ALPTEKİN! LÜTFEN İKKAT! ) ENEY FÖYÜNÜN TAMAMI ENEYE GELMEEN ÖNCE OKUNMALIIR 2) ENEY FÖYÜYLE BİRLİKTE ENEYE KATILIM ZORUNLUUR 3) ENEYE YAPILACAK ÖLÇÜMLERİ HER ÖĞRENCİ BİREYSEL OLARAK NOT ETMELİİR 4) RAPORLARIN TESLİM SÜRESİ HAFTAIR, GECİKMELİ RAPORLAR EĞERLENİRME IŞIIR... BAŞARILAR Ölçüm ve Analiz Laboratuarı ersi İç içe Borulu Isı eğiştiricisi /7

2 ÇİFT BORULU BİR ISI EĞİŞTİRİCİSİNE ISI YÜKLERİNİN VE TOPLAM ISI TRANSFER KATSAYISININ BELİRLENMESİ üzenleyen: Prof. r. Serhan KÜÇÜKA r. Mehmet Akif EZAN eney Sorumlu: Prof. r. Serhan KÜÇÜKA Arş. Gör Ayşe Uğurcan ATMACA & Arş.Gör. Ersin ALPTEKİN. eneyin Amacı Bu deneysel çalışmada, akışkanlar mekaniği, termodinamik ve ısı transferi derslerinde edinilen temel bilgiler kullanılarak, bir ısı değiştiricisinin akış ve ısı transferi analizi yapılacaktır. Isı değiştiricisinde sıcak ve soğuk akışkanların kütlesel debileri ile akışkanlar arası aktarılan/çekilen ısı transfer miktarları deneysel olarak belirlenecek ve sistem için logaritmik sıcaklık farkı ve toplam ısı transferi katsayısı hesaplanacaktır. 2. eney üzeneği eney düzeneği; çift borulu bir ısı değiştiricisi, dolaşım hattı, dolaşım hattı, sıcaklık, basınç ve debi ölçüm cihazlarından oluşmaktadır. Çevre sı, bir fan yardımıyla emilerek, elektrikli ısıtıcıya gönderilmekte ve burada yaklaşık 70ºC sıcaklığa ulaşmaktadır. Isıtıcıdan çıkan, ısı değiştiricisinin iç boruna gönderilmektedir. Isı değiştiricisi dış borunda (kovan) ise ortam sıcaklığında dolaştırılmaktadır. Kullanılan ısı değiştiricisinin iç boru iç çapı = 36.2 mm, iç boru dış çapı 2 = 42 mm ve dış boru iç çapı 3 = 70 mm dış boru dış çapı ise 4 = 76 mm dir. Isı transfer bölgesinin uzunluğu ise L = 650 mm dir. Hava ısı değiştiricisine girmeden önce venturi üzerinden geçirilmekte ve venturi girişiyle (pa) boğazı (pb) arasında oluşan basınç farkı yardımıyla debisi hesaplanabilmektedir. Isı değiştiricisine ve venturiye ait geometrik büyüklükler Şekil de verilmektedir. p A p B Su Çıkışı Hava Girişi Hava Çıkışı L Su Girişi VENTURİ ISI EĞİŞTİRİCİSİ 36.2 mm 5 mm Basınç Prizi A 43 mm 20 mm 90 mm Basınç Prizi 25 mm B 0 mm Şekil Isı değiştiricisi ve venturi geometrisi Ölçüm ve Analiz Laboratuarı ersi İç içe Borulu Isı eğiştiricisi 2/7

3 Bernoulli prensibine göre, sürtünmesiz akışlarda akış hızı arttıkça basıncı azalmaktadır. Venturinin boğaz kesitinde hız en yüksek değerine ulaşmakta ve giriş ile boğaz kesitleri arasındaki basınç farkı ölçülerek debi hesaplanabilmektedir. ebinin hesaplanmasına ilişkin detaylar sonraki bölümlerde açıklanmaktadır. 3. eneyin Tanımlanması Çift borulu ısı değiştiricisinin iç borundan sıcak, dış borundan (kovan) ise ortam sıcaklığında dolaştırılmaktadır. Hava debisi ( m ), debisi ( m ), ve nın sisteme giriş çıkış sıcaklıkları (T, giriş, T, çıkış, T, giriş, T, çıkış) ölçülerek dan ya ısı geçişi hesaplanacaktır. Hava ve akışkanları arasındaki logaritmik sıcaklık farkının ve ısı transfer yüzey alanının kullanılması ile toplam ısı transfer katsayısı deneysel olarak hesaplanacaktır. Bunun yanında toplam ısı transfer katsayısı; boru içi akış, iç borunun ısıl iletim direnci ve eş merkezli boru halkasındaki akış için tanımlanan bağıntılar kullanılarak teorik olarak da hesaplanacak ve elde edilen sonuç deneysel yaklaşımla karşılaştırılacaktır. 4. eneyin Yapılışı eney başlamadan önce, venturideki basınç farkını ölçmek için kullanılan basınç prizi bağlantılarının doğru yapılmış olduğunu, manometrenin dengede (terazide) olduğunu ve sıfır ayarının yapılmış bulunduğunu kontrol ediniz. Benzer şekilde debisini hesaplamak amacıyla kullanılan manometre setinin de dengede bulunduğunun kontrolünü yapınız. Sıcaklık ölçümünde kullanılan ısıl çiftlerin giriş çıkış ve giriş çıkış sıcaklıklarını ölçecek şekilde uygun yerlere bağlanmış olduğunu kontrol ediniz. Hava ve dolaşımını sağlamak üzere fan ve pompayı çalıştırınız. Hava akışının gerçekleştiğine emin olduktan sonra ısıtıcıları çalıştırınız. Sistemi 0 dakika kadar çalıştırarak sıcaklıkların dengeye gelmesini bekleyiniz. Su ve debilerini hesaplayabilmek için debi ölçüm cihazları üzerindeki basınç farklarını ölçünüz. Su giriş ve çıkış, giriş ve çıkış sıcaklıklarını denge durumu için ölçünüz. Su ve debilerini değiştirerek deneyi tekrarlayınız. enge durumu için alınan sıcaklık ve basınç farkı değerleri Tablo üzerine işlenerek hesaplama kısmına geçilebilir. Tablo eney verileri T, giriş : ( C) T, çıkış : ( C) T, giriş : ( C) T, çıkış : ( C) p : (kpa) p : (mmss) m : (kg/s) m : (kg/s) Su venturisi boyutları: A = (mm) = (mm) Ölçüm ve Analiz Laboratuarı ersi İç içe Borulu Isı eğiştiricisi 3/7

4 5. Akış Hesaplamaları 5. Hava debisinin hesaplanması Hava debisinin belirlenmesinde kullanılan venturiye ait başlıca ölçüler Şekil de gösterilmiştir. Sıkıştırılamaz ve sürtünme kaybı olmayan yatay düzlemdeki akışlar için Bernoulli bağıntısı, sbt () 2 2 V p şeklindedir. Venturi girişi (A) ve boğaz (B) kesitleri arasındaki Bernoulli bağıntısı aşağıdaki gibi yazılabilir, 2 2 VA pa VB pb (2) 2 2 iğer yandan (A) ve (B) kesitleri için süreklilik denklemi A V A V (3) A A B B şeklinde veya açık olarak, A B B V V V V AA A A B A B 2 (4) yazılabilir. (4) numaralı eşitlik, (2) bağıntısında yerine konularak boğaz kesitindeki hız için, V B C 2p 4 (5) eşitliği elde edilir. Burada, VB : Boğaz kesitindeki akış hızı, (m/s) Δp : Giriş ve boğaz kesitleri arasındaki basınç farkı, (Pa) ρ : Akışkanın (nın) yoğunluğu, (kg/m 3 ) β : Çapların oranı, B/A C : Akış sürtünmelerinden ileri gelen venturi katsayısı, standart venturi için yaklaşık 0.98 alınabilir. NOT: eneyde nın yoğunluğu venturi giriş sıcaklığında ve standart atmosfer basıncında ideal gaz bağıntısından hesaplanabilir 5.2 Su debisinin hesaplanması Isı değiştiricisine gönderilen, standart bir venturi setinden geçirilmektedir. Venturi giriş ve boğaz kesitlerinin çapları set üzerinde gösterilmiştir. Bu kesitler arası basınç farkı yine set üzerinden okunabilmektedir. Bu değerler yardımıyla, debisi için yapılan hesaba benzer şekilde debisi de elde edilebilir. Ölçüm ve Analiz Laboratuarı ersi İç içe Borulu Isı eğiştiricisi 4/7

5 6. Isıl Hesaplamalar 6. Aktarılan ısı enerjisi Kinetik ve potansiyel enerji değişimleri ihmal edilerek, akışkanların aktardığı/çektiği ısılar entalpi değişimine eşitlenebilir. (6) Havanın aktardığı ısı miktarı : q m hgiriş hçıkış mcp, Tgiriş Tçıkış Suyun çektiği ısı miktarı: q m hgiriş hçıkış mcp, Tgiriş Tçıkış (7) Bu iki değer ayrı ayrı hesaplanacak ve karşılaştırılacaktır. İki değerin farklı olması durumunda, sonraki hesaplamalarda tarafından bulunan değer esas alınacaktır. 6.2 Toplam ısı transfer katsayısının ENEYSEL olarak hesaplanması Isı değiştiricisinde akışkanlar arası geçen ısı miktarı, toplam ısı transfer katsayısı cinsinden şu şekilde tanımlanır, q UA Tlm (8) bu bağıntı düzenlenerek toplam ısı transfer katsayısı çekilebilir, U q A T lm (9) burada, q ΔTlm : Akışkanlar arası anlık ısı transferi miktarı, (W) : Logaritmik ortalama sıcaklık farkı U : Toplam ısı transfer katsayısı, (W/m 2 K) A : Isı transfer yüzey alanı, (m 2 ) Silindirik borularda, boru iç ve dış yüzeyleri farklı olduğu için, hangi yüzey esas alındı ise, toplam ısı geçiş katsayısı o yüzeye göre değerlendirilir. İç boru dış yüzey esas alınarak toplam transfer katsayısı U q 2 r2 L Tlm ifadesi ile hesaplanır. (0) Logaritmik ortalama sıcaklık farkı: Sıcak ve soğuk akışkanlar arasındaki sıcaklık farkı, ısı transferinin gerçekleşmesini sağlayan sürücü kuvvettir. Bir ısı değiştiricisinde akış boyunca sıcaklık farkı değiştiğinden, ortalama sıcaklık farkının tanımlanması gerekmektedir, Ölçüm ve Analiz Laboratuarı ersi İç içe Borulu Isı eğiştiricisi 5/7

6 T( C) T( C) T lm T T T ln T 2 2 () ΔT T, g T, ç Sıcak akışkan Soğuk akışkan T, ç T, g ΔT2 6.3 Toplam ısı transferi katsayısının AMPİRİK bağıntılar kullanılarak hesaplanması Zorlanmış bir akışın karakteri (türbülanslı veya laminer akış olduğu), atalet kuvvetlerinin viskoz kuvvetlere oranını gösteren Reynolds sayısı ile tespit edilir, Re V veya 4m Re Akışkan ve ısı transfer yüzeyi arasındaki boyutz sıcaklık değişimi Nusselt sayısı ile tanımlanır, Nu h (3) k Boru içi akışta, Nusselt sayısını Reynolds sayısının bir fonksiyonu olarak veren çeşitli bağıntılar ilgili kaynaklarda verilmektedir []. Tam gelişmiş türbülanslı boru içi akış için ittus-boelter bağıntısı yaygın olarak kullanılmaktadır (Pr:Prandtl Sayısı, Re:Reynolds Sayısı), 4 / Nu Re Pr ( Heating ) (4.) 4 / Nu Re Pr ( Cooling ) (4.2) 0.6 Pr 60 Re L h (2) (4.3) Bu bağıntı kullanılarak iç boru için ısı taşınım katsayısı, hiç, hesaplanır. aireden farklı olan kesitlerdeki akış, hidrolik çap esas alınarak değerlendirilir. İki boru arasındaki halkasal bölge için (kovan) hidrolik çap, h = d i h : Hidrolik çap, (m) d : Halka dış çapı, 3, (m) i : Halka iç çapı, 2, (m) olarak tanımlanmıştır. x(m) (5) Ölçüm ve Analiz Laboratuarı ersi İç içe Borulu Isı eğiştiricisi 6/7

7 Boru dışı halkasal bölgeye ait ısı taşınım katsayısının, hdış, belirlenmesinde Reynolds ve Nusselt sayılarının hidrolik çap esas alınarak tanımlanması gerekmektedir. Akışkanlar arası aktarılan ısı miktarı ise ısıl dirençler cinsinden yazılarak, 2 LTlm q r2 ln h r k r h r iç çelik dış 2 bağıntısı ile hesaplanır. Buradan, iç boru dış yüzeyine göre tanımlanmış toplam ısı transfer katsayısı, U toplam r2 r2 r2 ln r h k r h iç çelik dış şeklinde elde edilir. (6) 7. eneyden İstenenler. eney düzeneğini tüm ekipmanları gösterecek şekilde şematik olarak gösteriniz, 2. Hava ve tarafı için aktarılan/çekilen ısı miktarlarını hesaplayınız, 3. Hesaplanan iki değer arasında fark varsa, farkın nedenlerini tartışınız, 4. İki akış arasındaki logaritmik sıcaklık farkını hesaplayınız ve tarafında olan ısı geçişini esas alarak, deneysel toplam ısı geçiş katsayısını hesaplayınız, 5. Akışkanların kütlesel debileri ve termo-fiziksel özelliklerinden hareket ederek, her iki akış için Reynolds sayılarını hesaplayınız. 6. Uygun bağıntıları kullanarak Nusselt sayılarını ve her iki yüzeydeki ısı taşınım katsayılarını hesaplayınız. 7. Isı taşınım katsayılarını ve boru malzemesi ısı iletim katsayısını kullanarak toplam ısı geçiş katsayısını teorik olarak hesaplayınız ve akışın kullandığınız teorik bağıntının koşullarını (Reynolds sayısı, Prandtl sayısı ve L/h oranı) sağlayıp sağlamadığını kontrol ediniz. eneysel ve teorik olarak hesapladığınız ısı geçiş katsayılarını karşılaştırınız. Olası farkın nedenlerini tartışınız. 8. Isı değiştiricisi için hesapladığınız ısı geçiş katsayısından hareketle mevcut sistemin uygulanabilirliğini tartışınız. 8. Kaynakça [] Incropera, F. P., & ewitt, P.. (2002). Fundamentals of Heat and Mass Transfer. John Wiley and Sons. Ölçüm ve Analiz Laboratuarı ersi İç içe Borulu Isı eğiştiricisi 7/7