İNDÜKSİYONLU HAVA ISITICISI DENEY FÖYÜ

Transkript

1 İNDÜKSİYONLU HAVA ISITICISI DENEY FÖYÜ 1)AMAÇ Manyetik alanın iletken malzeme (metal kovan) üzerinde oluşturduğu eddy akımları sonucu metal kovanın ve dolayısıyla içerisinden geçen havanın ısınmasını gözlemleyerek ısıtma sistemini Termodinamiğin I. Kanuna göre analiz etmek. 2)LİTERATÜR BİLGİSİ İndüksiyon akımı (eddy akımları), bobin içerisindeki iletken malzeme içerisinde gerilimin indüklenmesi ile ortaya çıkmaktadır. Malzeme üzerine indükleme işlemi iki farklı şekilde oluşturulabilmektedir. Bunların ilki; sabit halde oluşturulan manyetik alan içerisinde hareketli halde bulunan iletken malzeme üzerinde gerilimin indüklenmesidir. Diğeri ise; değişken manyetik alan oluşturularak hareketsiz malzemenin üzerinde gerilim indüklenmesidir. Bu ikinci durumda eddy akımları adı verilen akımlar malzemenin ısınmasını sağlamaktadır (Altıntaş vd., 2012). İndüksiyonlu ısıtma işlemlerinde üretilen eddy akımları iletken malzemenin en dış katmanında meydana gelir. Bu sebepten ısınma işlemi de ilk olarak en dış yüzeyde meydana gelerek iç noktalara doğru ilerler. Buna paralel olarak cismin sıcaklığı dış noktadan merkeze doğru inildikçe azalır. Malzemenin iletkenlik vb. özelliklerine bağlı olarak bu ilerleme miktarı değişmektedir. Literatürde, ısının bu şekilde dış yüzeyden orta noktalara doğru ilerlemesi miktarına dalma derinliği adı verilmektedir. Yapısı gereği, indüksiyonlu bir ısıtıcı sistemde en yüksek sıcaklık, bobine en yakın dış yüzeyin orta noktasında bulunur (Ünver, 2016). Oluşturulan sıcak yüzeyin ısısı kullanılarak, sistemden geçirilen akışkanların ısıtılması kolay bir şekilde sağlanabilir. İndüksiyonlu ısıtıcıların diğer sistemlere kıyasla tercih edilme nedenlerinden biri de kayıpların diğer ısıtma sistemlerine göre (örneğin: doğalgazlı fırınlar) daha az olmasıdır. İndüksiyonlu ısıtma sistemlerinde; elektrik enerjisinden elde edilen ısı, malzeme üzerine aktarılarak kaybın aksine verim artırma noktasında değerlendirilir. Malzemelerin üzerinden geçen akıma direnç göstermeleri malzemenin ısınmasını sağlar. Malzemenin manyetik alana maruz kalması ile sahip olduğu manyetik dipoller, manyetik alan yönüne bağlı olarak yön değiştirir. Malzeme içyapısında meydana gelen bu hareketlilik ilave ısı meydana getirir. Histerezis kayıpları adı da verilen, bu ısı oluşum miktarı düşük olduğundan ihmal edilebilir (Öncü, 2005). İndüksiyon sistemi, termodinamik yaklaşımla açık sistem olarak tanımlanabilir. Bu sebeple açık sistemlere uygulanan enerji denklemi denklem 1 ile gösterilmiştir. Q + W + m (h + V2 2 + gz) g = m (h + V2 2 + gz) ç (1) Burada z ısıtıcı giriş ve çıkış noktaları arasındaki yükseklik farkıdır. İncelenen sistemin giriş ve çıkışı aynı düzlem üzerinde olduğundan dolayı oluşacak potansiyel enerji farkı çok küçük olacağından hesaplamalarda ihmal edilmiştir. Diğer yandan, sistemde elektrik işi haricinde iş

2 alışverişi yoktur. Bu yüzden indüksiyonlu ısıtma işi W = P ind şeklinde modellenmiştir. Denklemdeki ilk terim Q oluşturulurken, havaya aktarılan ısıl güç Q hava, sistemden çevreye doğal taşınımla Q taş ve ışınımla Q ışı olan ısı kayıpları göz önüne alınmıştır. Deneyler kapalı laboratuvar ortamında yapıldığından taşınım kayıpları, doğal taşınım kayıpları olarak dikkate alınmıştır. Q taşve Q ışı ın başında bulunan eksi işareti ısı transferinin sistemden çevreye doğru olduğunu göstermek amacıyla koyulmuştur. Bu sayede kararlı hale ulaşmış indüksiyonlu hava ısıtıcısının enerji denkliğini denklem 2 deki gibi ifade etmek mümkündür. P ind Q hava Q taş Q ışı ΔP KE P B = 0 (2) Burada P ind; bobin tarafından metal kovan üzerine indüklenen elektriksel gücü (W), Q hava; metal kovandan havaya aktarılan ısıl gücü (W), Q taş; taşınım ile çevreye olan ısıl kaybı (W), Q ışı; ışınım ile çevreye olan ısıl kaybı (W), ΔP KE; kinetik enerji değişimlerini (W), ΔP B; sistemdeki toplam basınç kayıplarına karşılık gelen kayıp gücü (W) temsil etmektedir. İndüksiyon sistemi için kütlesel debi miktarının belirlenmesinde denklem 3 ifadesi kullanılabilir. m = ρ hava V hava A = ρ f V f A f = ρ 1 V 1 A 1 (3) Burada, ρ hava ; havanın yoğunluğunu (kg/m 3 ), V hava ; havanın hızını (m/s), A; havanın geçtiği kesit alanını (m 2 ) ve m ; havanın kütlesel debisini (kg/s), ρ f ; fan girişinde havanın yoğunluğunu (kg/m 3 ), V f ; fan girişinde havanın hızını (m/s), A f ; fanın havayı çektiği kesit alanını (m 2 ), ρ 1 ; ısıtıcı girişinde havanın yoğunluğunu (kg/m 3 ), V 1 ; ısıtıcı girişinde havanın hızını (m/s), A 1 ; ısıtıcı giriş kesit alanı (m 2 ) ifade etmektedir. Fana giriş yapan havanın ortalama hızı denklem 4 ile bulunur. V f = ρ 1V 1 A 1 ρ f A f (4) Denklem 3. te yer alan sıcaklığa bağlı olarak yoğunluk değerleri termodinamik tablolardan elde edilir (Bknz. Tablo A-15, Yunus Çengel Isı Ve Kütle Transferi). Ayrıca, sistem veriminin hesaplanmasında indüksiyon sisteminde kayıp olarak tanımlanan, ısıya dönüşen enerji miktarı ve bunun iş akışkanına (havaya) aktarılan kısmının belirlenmesi esastır. Bu durumda sıcaklığa bağlı olarak Cp değeri de değiştiği için her ölçüm için Cp değerleri ayrı ayrı bulunur (Bknz. Tablo A-15, Yunus Çengel Isı Ve Kütle Transferi). Çalışma şartlarında sıcaklık değerleri de zamanla değiştiği için ısı transferi miktarının hesaplanmasında Denklem 5 kullanılabilir. Q hava t = m. c p. T (5) Burada, Q hava ; havaya aktarılan ısı miktarını (J) ifade etmektedir.

3 İndüksiyonlu akışkan ısıtıcısı sisteminde doğal taşınım ile meydana gelen ısı kayıpları denklem 6 ile hesaplanmaktadır (Çengel, 2011). Q taş t = h A s (T i T i 1 ) (6) Burada, h; taşınım katsayısını (W/m 2. C), As; yüzey alanını (m 2 ), Ti; i anındaki havanın çıkış sıcaklığını ifade etmektedir. Taşınım katsayısı denklem 7 ile ifade edildiği gibi hesaplanmaktadır (Çengel, 2011). h = k Nu (7) D Burada, Nu; Nusselt sayısını, k; iletim katsayısını (W/m C) (Bknz. Tablo A-15, Yunus Çengel Isı Ve Kütle Transferi), D; havanın sistemden çıktığı kesitin çapını (m) temsil etmektedir. İletim katsayısı gerekli termodinamik tablolardan bulunurken Nusselt sayısı denklem 8 de verilen eşitlik ile bulunmaktadır (Çengel, 2011). Nu = ( Ra6 D [1+(0.559/Pr) 16] ) 2 (8) Burada, Pr; Prandtl sayısını, RaD; Rayleigh sayısını ifade etmektedir. Prandtl sayısı havanın sıcaklığına bağlı olarak termodinamik tablolardan elde edilebilirken (Bknz. Tablo A-15, Yunus Çengel Isı Ve Kütle Transferi). Rayleigh sayısı denklem 9 ile ifade edilen şekilde hesaplanmaktadır (Çengel, 2011). Ra D = gβ(t s T ç )D 3 v 2 Pr (9) Gazlar için β katsayısı aşağıdaki eşitlikten elde edilmektedir (Çengel, 2011). β = 1 T f (10) Burada T f ortam sıcaklığı (T ) ve bobin dış yüzey sıcaklığının (Ts) ortalamasıdır ve denklem 11 ile bulunur. T f = T +T s 2 (11) Burada ise, g; yerçekimi ivmesini (m/s 2 ), β; hacimsel genleşme katsayısını (1/ C), T ; ortam sıcaklığını ( C), v; havanın kinematik viskozitesini (m 2 /s) temsil etmektedir. Denklem 9 ile hesaplanan Rayleigh sayısı denklem 8 de yerine konularak Nusselt sayısına ulaşılır. Bulunan Nusselt sayısı ise denklem 7 de yerine konularak taşınım katsayısı elde edilir. Termodinamik tablolarından elde edilen ifadeler (v, Pr; k vb.) her 5 dakikada bir alınan havanın sıcaklık değerlerine karşılık gelen ifadelerdir.

4 Sistemde meydana gelen bir diğer ısı kaybı türü ışınımdır. Işınım ile meydana gelen ısı transferi miktarı denklem 12 ile hesaplanmaktadır (Çengel, 2011). Q ışı t = ԑ A s σ (T s 4 T 4 ) (12) Burada, ԑ; yüzeyin yayıcılığını, As; ışınımın meydana geldiği yüzey alanını, σ; Stefan- Boltzmann sabitini (5.67x10-8 W/m 2.K 4 ), Ts ve T ifadeleri yüzey ve ortam sıcaklık değerlerini göstermektedir. Işınım miktarı da her 5 dakikada bir alınan yüzey sıcaklık değerlerinden yola çıkarak hesaplanmıştır. Sistemde taşınım ve ışınım dışında enerjinin bir kısmı da basınç kaybına ve kinetik enerji değişimine harcanmaktadır. Sürtünme (f) ve boşaltma katsayıları toplamı (CD) ile sistemde gerçekleşen toplam basınç kaybı ΔP B denklem 13 ile hesaplanmaktadır. ΔP B = m {f L + C D D} V2 2g (13) Burada L; göz önüne alınan ısıtıcının uzunluğu (m), V; giriş (Vg) ve çıkış (Vç) hızının ortalamasıdır. Kinetik enerji değişimi (ΔP KE) denklem 14 ile belirlenir. ΔP KE = (V 2 V 1 ) 2 2g (14) Termodinamik analizlerin ardından ısıl verimin hesaplanması için şebekeden çekilen elektrik gücünün, bobinlere gelen miktarı bilinmelidir. Bobine gelen güç miktarı doğrudan pensampermetre ile ölçülmüştür. Ancak bu gücün hepsi ısıtma işleminde kullanılmamaktadır. Bu nedenle bobinden gelen elektrik enerjisinin güç faktörüyle etkileşimi denklem 15 teki gibi göz önüne alınmaktadır (Ünver, 2016). P ind = P bobin η ind (15) Burada, P bobin; bobinden çekilen güç miktarını (W) ve η ind ; indüksiyon verimini ifade etmektedir. Kovanın elektromanyetik özellikleri, spir sayısı, bobin kablosunun çeşidi, sistemin elektriksel çalışma frekansı ve geometrisi göz önüne alındığında, tüm bu nitelikleri temsilen üretici firmanın vermiş olduğu indüksiyon verimi değeri kullanılmıştır. Buna göre firmadan alınan değer; η ind =0,95 tir. İndüksiyonlu hava ısıtıcı sisteminde elektriksel verim, I. kanun verimi ve ısıl/termal verimi olmak üzere üç adet verim çeşidi bulunmaktadır. Bu verim ifadeleri, sistemin genel olarak durumunun değerlendirilmesi için gerekli olan parametrelerle aşağıda verilmiş denklemler ile hesaplanmaktadır. Elektriksel Verim η el ; η el = P bobin P şebeke (16)

5 Termal/Isıl Verim η th ; η th = Q Hava P bobin I. Kanun Verimi η I ; η I = Q Hava P şebeke (17) (18) 3) DENEYSEL SİSTEM Deney düzeneği Şekil 1 de gösterildiği gibi 6 kısımdan oluşmaktadır. Bunlar; 1) Elektik enerjisinin bobinlere gönderilmeden önce regüle edildiği kontrol ünitesi, 2) Şebekeden çekilen gücü bobin uçlarına yüksek akım ve düşük gerilimle gönderen oto transformatör, 3) Bobinin yaratmış olduğu reaktif gücün kompanzasyonu için sisteme paralel bağlı kondansatörler, 4) Manyetik alan kaynağı bobin, 5) İndüksiyonlu hava ısıtıcı prototipi ve 6) Havayı kovana üfleyen fan, şeklindedir. Isıtma, kovan etrafına sarılan bobinin indüksiyonla kovanı ısıtması ve kovan içinden geçen havanın kovan tarafından ısıtılmasıyla sağlanmaktadır. Sistemde sıkıştırılabilir iş akışkanın kullanımı, akışkanın önüne çıkan her engelde sıkışmasına ve enerji kaybına neden olmaktadır. Bu durum kovan tasarımının akış parametrelerine etkisi olarak 2 ayrı konstrüksiyon ile sürekli rejim göz önünde bulundurularak incelenecektir. Şekil 1. İndüksiyonlu Akışkan Isıtıcısı Deney Sistemi Şematik Ve Gerçek Görüntüsü İndüksiyonlu ısıtma sistemi yaklaşık gücü 1100 W civarında ve 50 Hz şebeke frekansıyla çalışmaktadır. Sisteme enerji bir oto-trafoyla 110 V gerilimle sağlanmaktadır. Oto-trafo, bobin ve 5 kvar, 400 V, 50 Hz, 12,5 A değerlerine sahip 3x33 (-5+10%) µf gücündeki 3 adet paralel bağlı kondansatör grubu birbirlerine üçgen bağlanmıştır. Deney düzeneğinde havalandırma kanallarındaki akışı benzetmek üzere POBRA tipi, 230 V, 50 Hz, 1100 W ve 75 dba değerlerine sahip 1950 m3/h lik radyal fan kullanılmıştır. Radyal fanlar diğer birçok fan çeşidinde olduğu gibi hacimsel akış elemanıdır. Çıkış kısmına yerleştirilen vananın açıklık açısı ile akışkan debisi ayarlanmaktadır. Deney sisteminin ana gövdesini oluşturan kovan kısmı (Şekil 2.), St52 çelik malzemesinden imal edilmiş olup, 450 mm boya, 140 mm çapa sahiptir.

6 Kovanın giriş ve çıkışında koni şeklinde çapı 450 mm den sırasıyla 140 ve 90 mm ye düşüren kovan kapakları bulunmaktadır. Kovan etrafına sarılı halde bulunan, 361 spir sayısına ve 4 mm çapa sahip olan bobin, kovanın ısınmasını sağlayan manyetik alanı oluşturmaktadır. Şekil 2. İndüksiyonlu Akışkan Isıtıcısı Deney Sisteminin Kovan Kısmı 4) DENEYİN YAPILIŞI Deneyler yapılırken aşağıda sırayla verilmiş olan prosedür izlenmelidir; 1. Sistemin çıkış ağzından sıcaklık ölçümünü almak için termokupl merkez ekseni üzerine gelecek şekilde sabitlenir. 2. Şebekeden elektrik enerjisinin alınması için fiş prize dikkatli bir şekilde takılır. 3. Kontrol ünitesinden fan sigortası açılır. 4. Fana bağlı borunun çıkışından, kovana giren havanın hızı ve sıcaklığı ölçülür. 5. Kontrol ünitesinden fan sigortası kapatılır. 6. Fan borusu vanaya kelepçelenir. 7. Kontrol ünitesinden ilk önce fan sigortası açılır. 8. Hemen ardından trafoya güç veren sigorta açılır. 9. Daha sonra her 5 dk da bir; A) Çıkış ağzından sıcaklık ve hız ölçümü yapılır. B) Bobine iletilen ve şebekeden çekilen elektriksel güç değerleri okunarak not edilir. C) Termal kamera ile ısıtıcı yüzeyinin görüntüsü kayıt altına alınır. 10. Aşağıda verilen sürekli rejim şartı sağlanana kadar ölçümler alınmaya devam edilir. Deneylerde havanın sürekli rejim sıcaklığına ulaşıp ulaşmadığı denklem 20 ile verilen eşitlikten kontrol edilmektedir. Denklemde verilen Tԑ ifadesi 0,3 ten küçük olduğu durumda, sistem sürekli rejim sıcaklığına ulaşmış olmaktadır (Ünver, 2016) T ε = 4 i=1 (T i 1 T i 2 ) 4 < 0,3 (20) Aşağıdaki tabloda ölçüm noktaları (Ö.N.) ve

7 Tablo 1. Deneyde kullanılan ölçü aletleri ve hassasiyetleri Ölçüm Alet Ölçüm Aralığı Hassasiyet Ö.N. 1 Şebekeden çekilen güç ölçümü BRYMEN BM-157 Pensampermetre 0 ~ 600 kw ±(4,5% + 6 digits) Ö.N. 2 Bobine aktarılan gücün ölçümü BRYMEN BM-157 Pensampermetre 0 ~ 600 kw ±(4,5% + 6 digits) Ö.N. 3 Fan girişinde sıcaklık ölçümü K tipi termokupllu dört kanallı VERTH-BT-7xxx tipi anlık veri kaydetme özellikli termometre -100 o C ~1300 o C (-148 o F~2372 o F) ± (0.1% rdg + 0,7 o C) Ö.N. 4 Isıtıcı girişinde sıcaklık ölçümü K tipi termokupllu dört kanallı VERTH-BT-7xxx tipi anlık veri kaydetme özellikli termometre -100 C ~1300 C (- 148 F~2372 F) ± (0,1% rdg + 0,7 o C) Ö.N. 5 Isıtıcı girişinde hız ölçümü TESTO Anemometre 80 ~ 4000 ft/dk (0,4 ~ 20 m/s) ± (0.2 m/s ± 2 % m.v.) Ö.N. 6 Isıtıcı çıkışında sıcaklık ölçümü K tipi termokupllu dört kanallı VERTH-BT-7xxx tipi anlık veri kaydetme özellikli termometre -100 o C ~1300 o C (-148 o F~2372 o F) ± (0.1% rdg + 0,7 o C) Ö.N. 7 Isıtıcı çıkışında hız ölçümü TESTO Anemometre 80 ~ 4000 ft/dk (0,4 ~ 20 m/s) ± (0.2 m/s ± 2 % m.v.) Ö.N. 8 Üst yüzey sıcaklık dağılımı ölçümü TESTO 875 Termal Kamera 0 ~ +280 C ±(2 C, ±2 % of m.v.) Ö.N. 9 Ortam Sıcaklığı Ölçümü K tipi termokupllu dört kanallı VERTH-BT-7xxx tipi anlık veri kaydetme özellikli termometre -100 o C ~1300 o C (-148 o F~2372 o F) ± (0.1% rdg + 0,7 o C) 5)KAYNAKLAR Altıntaş A., Yıldız M.N. ve Kızılkaya İ., 2012, İndüksiyon Isıtma Prensibi İle Çalışan Mikrokontrol Denetimli Bir Sıvı Isıtıcısı Tasarımı, Dumlupınar Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi. ISSN 29: Ünver Ü., 2016, Efficiency Analysis Of Induction Air Heater And Investigation Of Distribution Of Energy Losses. Tehnički vjesnik/technical Gazette, Vol. 23, No. 5, pp , DOI: /TV

8 Öncü, S., 2005, Bir Fazlı Yüksek Verimli Ev Tipi Bir İndüksiyon Isıtma Sistemi, Yüksek Lisans Tezi, Pamukkale Üniversitesi, Denizli. Çengel Y.A., 2011, Isı ve Kütle Transferi, Çeviri Editörü; Tanyıldız, V., Üçüncü Baskıdan Türkçe Çeviri, ISBN: , İzmir, Güven Kitabevi. Çetin, S., 2005, Bir Fazlı Bir İndüksiyon Isıtma Sistemi Analizi Ve Dizaynı, Yüksek Lisans Tezi, Pamukkale Üniversitesi, Denizli.

9 KAPAK ÇEŞİDİ ZAMAN ş DENEY SONUÇLARI TARİH Dk W W o C o C m/s o C m/s o C