DÜŞEY HALKASAL BİR BORUDA SALINIMLI AKIŞTA ISI GEÇİŞİNİN DENEYSEL İNCELENMESİ

Transkript

1 Isı Biimi ve Tekniği Dergisi, 8,, 6-66, 8 J. of Therma Science and Technoogy 8 TIBTD Printed in Turkey ISSN DÜŞEY HALKASAL BİR BORUDA SALINIMLI AKIŞTA ISI GEÇİŞİNİN DENEYSEL İNCELENMESİ Üna AKDAĞ Aksaray Üniversitesi, Mühendisik Fakütesi, Makine Böümü, 68, Aksaray Te: (38)5953 e-posta: uakdag@gmai.com (Geiş Tarihi: , Kabu Tarihi:. 8. 8) Özet: Bu çaışmada, bir ucu atmosfere açık oan düşey hakasa bir boruda saınımı akışta ısı geçişi, deneyse oarak inceenmektedir. Hakasa kesit içinde akışkan bir piston-siindir düzeneği ie hareket ettirimektedir. Deneyer farkı ısı akıarı, genik ve frekansar için yapımaktadır. Bu parametreere karşıık geen Nusset sayıarı kontro hacmi yakaşımıya hesapanmaktadır. Ede edien değerer için boyutsuz sayıara bağı ampirik bir bağıntı önerimektedir. Anahtar Keimeer: Saınımı akış, Düşey hakasa boru, Ampirik bağıntı. EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF HEAT TRANSFER FOR OSCILLATING FLOW IN A VERTICAL ANNULAR PIPE Abstract: In this study, the heat transfer subjected to osciating fo in an open ended vertica annuar pipe is investigated experimentay. The osciating fo ithin the annuar coumn is created by a piston cyinder mechanism. The experiments are carried out for different frequencies, ampitudes and heat fuxes. The Nusset numbers correspond to these parameters are cacuated by the contro voume approach. An empirica correation hich reates the dimensioness numbers of the probem is proposed for the obtained experimenta data. Keyords: Osciating fo; Vertica annuar pipe, Empirica correation. SEMBOLLER A sıvı koonu kesit aanı [m ] A o boyutsuz genik (x m /D) c,c p,c v özgü ısı [kj/kg-k] D hidroik çap [(r -r )] [m] g yerçekimi ivmesi [m/s ] h ortaama ısı taşınım katsayısı [W/m -K] H, H çevrim ortaama entapieri [J] k ısı ietim katsayısı [W/m-K] L ısıtıcı uzunuğu [m] o probdan ısıtıcıya oan mesafe [m] Pr Prandt sayısı Q k bir çevrimde çevreye kayboan ısı [J] Q bir çevrimde ısıtıcıdan suya geçen ısı [J] Re ω kinetik Reynods sayısı (Re ω ωd /υ) r hakasa kesit iç yarıçapı [m] r hakasa kesit dış yarıçapı [m] x m genik [m] T sıcakık [ C] T b yığın sıcakık T o ortaama akışkan sıcakığı T o ortaama ısıtıcı yüzey sıcakığı u ortaama hız Y kontro hacmi topam uzunuğu [m] y düşey koordinat z arayüzeyin pozisyonu [m] titreşim ekseni / dodurma yüksekiği [m] z o α ısı yayıım katsayısı [m /s] δ Saınımı akış sınır tabaka kaınığı [m] ρ yoğunuk [kg/m 3 ] ω açısa frekans [rad/s] υ kinematik viskozite [m/s ] İndiser a b g ç GİRİŞ hava buhar giren çıkan sıvı Mühendisik uyguamaarında pek çok yerde yönü periyodik oarak değişen akışa yâda akış içerisinde periyodik titreşimer içeren durumara rastanmaktadır. Isı boruarı, ısı değiştiricieri, içten yanmaı motorarda pistonun hareketi, Stiring çevrimi makineer, Kriyojenik soğutucuar, nükeer reaktörerde soğutma, vb. durumar bu akışa veriebiecek örnekerdir. Akış titreşimerinin kendiiğinden oduğu durumara akış kaynakı titreşimer denimektedir. Bu probemde titreşim ya da saınım dışarıdan bir piston-siindir düzeneği vasıtasıya ouşturumaktadır. Son yıarda 6

2 enerji maiyeterinin artması araştırmacıarı daha efektif ısı geçişi sağayan kompakt cihazar tasaramaya yönetmiştir. Isı geçişini iyieştirmek için uyguanan metotardan bir tanesi de yüzeyin ya da akışkanın titreştirimesiye ouşturuan titreşimi akışta ısı geçişi oayıdır. Titreşimi akışta ısı geçişinde akış titreşimeri saınımı (osciating) veya pusatif (pusating) omak üzere iki farkı şekide sınıfandırımaktadır. Her iki durumda da yüzeyden ısı geçişi teme oarak frekans ve geniğe bağı oarak değişmektedir (Zhao ve Cheng, 998a, Çarpınıoğu ve Gündoğdu, ). Saınımı akış kuanıarak ısı geçişini iyieştirmeye yöneik çaışmaardan en önemisi Kurzeg vd. (984a, 984b, 99), tarafından ortaya atıan ve daha sonra araştırmacıar tarafından adına rüya boru denien mekanizmadır. Bu çaışmaarda sıcak ve soğuk iki rezervuar arasına kıca boru demeteri yereştirierek akış bir titreştirici vasıtasıya beiri frekansarda titreştirimiştir. Yapıan çaışmaarda saınımı akışın eksene ietimi artırdığı, daimi akışa göre ısı geçişinin çok daha faza oduğu beirtimiştir. Daha sonra rüya boru mekanizması ie igii diğer araştırmacıar tarafından çok sayıda inceeme yapımış ve ısı geçişi mekanizması açıkanmıştır (Nishio vd., 995). Araştırmacıar bu durumu taşınıma ısı geçişi probemerine uyguamışar, düşük frekans ve yüksek geniker için nümerik ve deneyse çaışmaar yaparak saınımı akışın konvektif etkisini inceemişerdir (Zhao ve Cheng, 995, Simon ve Seume, 988). Saınımarın taşınıma ısı geçişini artırdığı deneyere doğruanmıştır (Zhao ve Cheng, 996, 998a, Bouvier vd., 5). Daha sonra bu durum farkı aanara uyguanmıştır. Örneğin son yıarda saınımı akış kuanıarak özeike eektronik donanımarın efektif oarak soğutuması konusunda çeşiti araştırmaar yapımaktadır (Cooper vd. 994, Li ve Yang, ). Saınımı akış kuanıarak yapıan soğutma işemerinde diğer konvansiyone sistemere göre en az %4 oranında bir iyieştirme oduğu araştırmacıar tarafından beirtimektedir (Wash vd. 993). Bazı araştırmacıar gözeneki ortamara saınımı akışı uyguayarak ısı geçişini iyieştirmeye yöneik çaışmaara devam etmektedir (Fu vd., Leong ve Jin, 5). Saınımı akış ie igii iteratürde bazı çaışmaar omasına rağmen, henüz yeteri sayıda ve geçeriiği tam oarak sağanmış bağıntıar omadığından, Stiring çevrimi makineerin ısı değiştiricierinin tasarımında daimi akışa ait bağıntıar kuanımaktadır (Zhao ve Cheng, 998b). Bu da periyodik saınımar içeren cihazarın tasarımını zoraştırmaktadır. Bu tip efektif cihazarın tasarımında kuanımak üzere yeni çaışmaara ve ede ediebiecek bağıntıara ihtiyaç duyumaktadır. Ayrıca saınımı akışta frekans ve genik değiştirierek kontroü ısı çekmekte mümkün oduğundan bu özeik yeni tip ısı değiştiricierinin tasarımında önemi bir avantaj sağamaktadır (Ozaa ve Kaamato, 99). Bu çaışmada saınımı akışa sahip cihazarın ve özeike periyodik akışı ısı değiştiricierinin tasarımında kuanımak üzere boyutsuz sayıara bağı bir bağıntı önerimektedir. Literatürde daha çok düşük frekansar ve yanızca iş yapan akışkan oarak havanın kuanıdığı deneyse çaışmaara rastanmaktadır (Zhao ve Cheng, 998a). Bu çaışmada ise iş yapan akışkan oarak su kuanımakta ve geniş bir kinetik Reynods sayısı araığı için deneyer yapımaktadır. Deney sonuçarı kontro hacmi yakaşımıya değerendirierek Nusset sayıarı hesapanmaktadır. Isı geçişini etkieyen boyutsuz parametreerin etkieri tartışımaktadır. Kamera Güç Kaynağı Isıtıcı Cam boru Soğutucu Piston-siindir DC Motor Dijita takometre Veri topama sistemi (Keithey-7) Hız ayarı Soğutma suyu Şeki. Deney düzeneği. 6

3 DENEYSEL ÇALIŞMA Saınımı akış deney düzeneği Şeki. de şematik oarak verimiştir. Test düzeneği düşey oarak yereştirimiş aynı merkezi iç içe iki borudan meydana gemektedir. Dıştaki boru dış çapı 4 mm, iç çapı 37,4 mm ve uzunuğu m oan üst kısmı atmosfere açık cam borudur. Cam borunun merkezinde buunan iç boru 8 mm dış çapında oup soğutucu, adyabatik böge ve ısıtıcı kısımardan meydana gemektedir. 6 mm uzunuğundaki ısıtıcı ve 76 mm uzunuğundaki soğutucu, bakır mazemeden oup araarına 3 mm uzunuğunda tefon mazemeden adyabatik bir kısım ekenmiştir. Aynı çapı bu üç kısım vidaı bir sisteme birbirine bağanmış oup bağantı yereri mümkün oduğu kadar akışı bozmayacak şekide yapımıştır. Isıtıcı oan bakır boru içindeki eektrik direnci, ayaranabiir bir güç kaynağı ie besenmektedir. Soğutucu bakır boru ise iç içe iki boru şekinde oup içteki borudan giren soğutma suyu dıştaki borudan dışarı çıkmaktadır. Böyece cam boru içindeki su ie soğutma suyu karışmamaktadır. Sıcakık öçmeeri bir Veri Topama Sistemi ve sıcakık kartı (Keithey 7) yardımıya yapımakta ve zamana bağı anık sonuçar kaydedimektedir. Beiri bir seviyeye kadar doduruan su kounu çift etkii bir piston siindir düzeneği vasıtasıya, hızı ayaranabiir kw ık DC bir motor ie tahrik edimektedir. Motor üzerindeki voan üzerine açıan yiv sayesinde sistemin geniği değiştiriebimektedir. Motor devir sayısı foto tip dijita takometre cihazıya öçümektedir. Arayüzeyin hareketi bir dijita kamera ie kaydedimektedir. Deneyerde saınımı akışta ısı geçişini hesapayabimek için 3 ayrı noktadan sıcakık öçümü yapımıştır. Bir kesitten geçen entapinin buunabimesi için kontro hacmi giriş ve çıkışına dörder termoeemanı birer prob yereştirimiş ve bu probar vasıtasıya radya yöndeki anık sıcakıkar öçüebimiştir. Yapıan sıcakık öçümeri sonucu sıvı koonunda en yüksek akışkan (su) sıcakığının ara yüzeyde meydana gediği sonucuna varımıştır. Ancak atmosferik şartarda su, buharaşması için gereki doyma sıcakığına uaşamadığı için bu çaışmada buharaşma ihma edimektedir (Akdağ, 5, Akdağ vd. 6, 8). ISI GEÇİŞİNİN HESAPLANMASI Bir çevrimde suya geçen ısıyı hesapayabimek için Şeki de boyutarı verien iki prob arasındaki aan kontro hacmi oarak seçimektedir. Hesapamaar bir çevrim boyunca kontro hacmi için terma enerji dengesi göz önüne aınarak yapımaktadır. Saınımı akışta sınır tabaka akışın merkezini takip edemediği için akışın merkezi ie sınır tabaka arasında bir faz farkı meydana gemektedir. Bu faz farkının meydana gediği derinik, duvardan uzakaştıkça momentum yayıımı hıza azadığı için odukça düşüktür. x m Şeki. Deneyse hesapamaar için seçien kontro hacmi ve boyutarı. Saınımı akışta duvar etkisinin etkii oduğu derinik yakaşık, δ 3 v ω () oup su için bu derinik, bu çaışmadaki frekansar için mm.nin atında kamaktadır. Bu sebepe, hakasa kana içinde hız profii üniform kabu edimektedir. Viskoz yayıım, iç enerji üretimi ve akış doğrutusunda ısı ietiminin ihma edidiği durum için ısı enerji denkemi, T T T + u α r () t z r r r oacaktır. Bu denkemi kesit aanı boyunca integre edersek, T z o q y T r r r ( r q r q ) b b + u t z ρc( r r ) Prob- denkemi ede ediir. Burada yığın sıcakık Tb TdA şekinde beirenmiştir. q, q de A A sırasıya ısıtıcı ve dış camın birim yüzeyinden birim zamanda geçen ısı akıarıdır. İnceenen probem su ve havadan ouşan bieşik bir ısı geçişi probemidir. Suhava arayüzeyini gösteren z, arayüzeyin yakaşık dy z Prob- o L o Y (3) 63

4 konumunu gösterdiği için sıcak yüzey ie su arayüzeyini de kısmen beirtmektedir. Su-hava arayüzeyi hem kıcaığa hem de harekete bağı oarak düzem bir yüzey omayacaktır. Suyun sıcak yüzeyi ısattığı süreç yanız z konumu ie beirenemez. () denkemi ie yazıan ısı enerji korunumu ifadesi de hava-su arayüzeyinde, arayüzey geometrisi ve hızı biinmediğinden su ve hava için ayrı ayrı yazıması pratik sonuç vermez. Ancak enerji denkemini su ve hava sistemi için integra formda yazıp bir çevrim boyunca integre edersek, H H [ c T (Y,t ) ρ c T (,t )] ua ρ (4) a ba π q π r L ω a Y b π r q dydt denkemi ede ediir. Bu ifade bir çevrim boyunca entapi giriş çıkışarının ısı aışverişine eşit oduğunu göstermektedir. Isı enerji denkemini su için integra formda yazıp çevrim boyunca integre edersek, H z * y π r q dydt π r q dydt (5) denkemi ede ediir. (Burada y* girişten menüsküse kadar oan mesafeyi göstermektedir) Bu denkemde sağ taraftaki ik terim su ie dou kısımdaki cam yüzeyden ortama oan ısı kaybını göstermektedir. İkinci terim ise ısıtıcı yüzeyinden suya geçen ısıyı göstermektedir. Denkemi düzenersek, * y Q r q π dydt Q H (6) k suya bir çevrim boyunca geçen ısı buunur. Bir çevrim boyunca suya geçen topam ısı miktarı Q, ie ortaama ısıtıcı yüzey sıcakığı ve suyun giriş ortaama sıcakığı arasında, Q π r L h(t T )( π / ω ) (7) iişkisini yazarsak Nusset sayısı; hl L Q Nu (8) k k πr L(T T )( π ) ω oarak tarifenebiir. Burada ortaama su sıcakığı, T + T T (9) oarak tarif edimiştir. T ve T da sıraya birinci ve ikinci prob sıcakıkarıdır. Prob sıcakıkarı her bir prob içerisine yereştirien dört adet termoeemanın aan ağırıkı ortaaması aınarak tespit edimiştir. Bu sıcakıkar vasıtasıya kesitten geçen anık entapi akışını bumak mümkündür. Eşitik (8) kuanıarak deneyerden ede edien sonuçar için Nusset sayıarı hesapanmış ve boyutsuz parametreere bağı oarak Şeki 3 de verimiştir. Bu tür bir akışta Nusset sayısının bağı oduğu parametreer daha önce beirtidiği gibi, Nuf(Re ω, A o, Pr, L/D) dir. Burada Re ω (ωd /v) kinetik Reynods sayısını ve A o (x m /D) boyutsuz geniği ifade etmektedir. Bu çaışmada Prandt sayısı (Pr3.5) ve (L/D3) geometrik parametre sabit tutuarak frekans, genik ve ısı akısı değiştirimiştir. Seçien geniker A o 7.73, A o.3, A o.886, frekansar ω.435 rad/s, ω.435 rad/s, ω rad/s, ω rad/s, ve ısı akıarı da q 5 W, q W, q 3 5 W dır. Deney sonuçarı ie igii yapıan değerendirmede yüzey sıcakığı ve akışkanın yığın sıcakığı arasındaki iişkiden ısı akısının bir parametre omadığı anaşımıştır. Bu hesapamaar sonucu Nusset sayıarı için ede edien ampirik bağıntı aşağıda verimiştir.. 48 ω. 85 o Nu. 3 Re A () Bu eşitiğin geçeri oduğu araık, < Re ω < 4 ve 7.73 < A o <.886 dir. Eşitik () ie deneyse verierin karşıaştırması Şeki 3 de verimiştir. Nusset sayısı frekansa ve genike birikte artmaktadır. Frekansın artmasıya birikte eğrinin eğimi azamaktadır. Ampirik bağıntıdan ısı geçişinde etkin parametrenin genik oduğu anaşımaktadır. Çünkü eşitikte görüdüğü gibi A o ie ifade edien boyutsuz parametrenin üstü diğer parametrenin üstünden daha büyüktür. Hata Anaizi: Yapıan deneyer için hata kaynakarının giriş ısı akısı, ısıtıcı yüzey sıcakığı ve akışkanın yığın sıcakığı öçümerinden kaynakandığı beirenmiştir. Homan () tarafından verien beirsizik anaizine göre her bir bağımsız değişkene ait hata oranarı,, 3,, n ie ifade ediirse, R büyüküğünün hata oranı R, R R R x + x R... + n x n R + 3 x 3 + / () 64

5 5 Nu/A o.85.3 Re ω.48 Nu/A o.85 5 Ampirik Bağıntı Deney Re ω Şeki 3. Nusset sayısının boyutsuz parametreere bağı oarak değişimi. şekinde buunmaktadır. Bu çaışmada hataya sebep oan büyüküker, giriş gücü Q, yüzey sıcakığı T o, ve akışkan sıcakığı T o, dır. Burada bir terim için anık değererden kaynakanan beirsiziker hesapanmakta ve her bir terim için ortaama beirsiziker buunmaktadır. Daha sonra aynı yönteme eşitik (8) de verien Nu sayıarının beirsiziği aşağıdaki şekidei buunmaktadır. Nu Nu Q Q Nu + To T o Nu + Tm T m / () Bu anaiz sonucunda Nu sayıarı için ortaama beirsiziğin yakaşık %6.45 oduğu hesapanmaktadır. SONUÇ Bu çaışmada, düşey hakasa bir boru içerisinde periyodik saınımara sahip bir akışta ısı geçişi deneyse oarak inceenmiştir. Deneyer geniş kinetik Reynods sayısı araıkarı için yapımış oup, yapıan değerendirmede frekans ve genik arttıkça ısı geçişinin de arttığı görümüştür. Kontro hacmi yakaşımıya Nusset sayıarı hesapanarak, boyutsuz parametreere bağı ampirik bir bağıntı önerimiştir. Bu bağıntı Stiring çevrimine göre çaışan ısı makineerinin, kriyojenik soğutucuarın ve periyodik akışı öze tip cihazarın ısı değiştiricierinin tasarımında kuanıabiir. Bu çaışmanın, içerisinde periyodik saınımar buunan boru akışında ısı geçişinin anaşımasına katkı sağayacağı düşünümektedir. KAYNAKLAR Akdağ, Ü., Hareketi Sıvı Koonunda Isı Geçişinin İnceenmesi, Doktora Tezi, İTÜ, Fen Biimeri Enstitüsü, İstanbu. 5. Akdağ, Ü., and Özdemir, M., Heat transfer in an osciating vertica annuar iquid coumn open to atmosphere, Heat Mass Trans 4(7):67-64, 6. Akdağ, Ü., Özdemir, M., and Özgüç,A.F., Heat remova from osciating fo in a vertica annuar channe, Heat and Mass Transfer, Springer, 44(4): 393 4, 8 Bouvier, P., Stouffs, P., Bardon, J-P. Experimenta study of heat transfer in osciating fo. Int. J. Heat Mass Transfer, 48: , 5. Cooper, W. L., Nee,V.W. and Yang, K.T., An experimenta investigation of convective heat transfer from the heated foor of a rectanguar duct to a o frequency, arge tida dispacement osciatory fo, Int. J. Heat Mass Transfer, 37(4): Çarpınıoğu M. ve Gündoğdu, M.Y., A critica revie on pusatie pipe fo studies directing toards future research topics, Fo Measurement and Instrumentation, (3): Fu, H.L., Leong, K.C., Huang X.Y. and Liu C.Y., An Experimenta Study of Heat Transfer of a Porous Channe Subjected to Osciating Fo. Journa of Heat Transfer. 3:6 7.. Homan, J.P., Experimenta Methods for Engineers, McGra-Hi. Ne York,. Kurzeg, U. H., Hoe, G., and Jaeger, M. J., Enhanced Dispersion in Osciatory Fos, Physics of Fuids, Vo. 7, No. 5, pp , 984a. 65

6 Kurzeg, U. H. and Zhao, L. D. Heat Transfer by High- Frequency Osciations: A Ne Hydrodynamic Technique for Achieving Large Effective Therma Conductivities, Physics of Fuids, Vo. 7, No., pp , 984b. Kurzeg, U.H. and Zhang, J.G., Numerica Simuation of time-dependent Heat Transfer in Osciating Pipe Fo, Journa of Thermophysics, 5: Leong, K.C. and Jin, L.W. An experimenta study of heat transfer in osciating fo through a channe fied ith an auminum foam Int. J. Heat Mass Transfer 48: Li, P., and Yang, K., T., Mechanisms for the heat transfer enhancement in zero-mean osciatory fos in short channes, Int. J. Heat Mass Transfer 43(9): ,. Nishio,S. Shi, X.H. and Zhang,W.M. Osciationinduced heat transport: heat transport characteristics aong iquid-coumns of osciation-controed heat transport tubes. Int. J. Heat Mass Transfer, 38(3): Ozaa, M. and Kaamoto, A., Lumped-Parameter Modeing of Heat Transfer Enhanced by Sinusoida Motion of Fuid, Int. J. Heat Mass Transfer, 34(): Simon, T. W. and Seume J. R., A Survey of Osciating Fo in Stiring Engine Heat Exchanger, NASA Contract Report 88, 988. Wash, T.E., Yang, K.T., Nee V.W. and Q.D. Liao, Forced convection cooing in microeectronic cabinets via osciatory fo techniques, Proceedings of 3rd ord conference on Experimenta Heat Transfer, Fuid Mechanics and Thermodynamics pp , Nov.993. Zhao,T.S. and Cheng, P., Heat Transfer in Osciatory Fo, Annua Revie of Heat Transfer, Voume IX, (Chpt.7), The Hong Kong University of Science&Technoogy, Cear Water Bay, Kooon, Hong Kong, 998a. Zhao,T.S. and Cheng, P., A numerica soution of aminar forced convection in a heated pipe subjected to a reciprocating fo, Int. J. Heat Mass Transfer, 38 (6): Zhao T.S. and Cheng, P., Osciatory heat transfer in a pipe subjected a periodicay reversing fo, ASME J. Heat Transfer, 8: Zhao,T.S. and Cheng, P., A numerica study of aminer reciprocating fo in a pipe of finite ength, Appied Scientific Research, 59:-5, 998b. Üna AKDAĞ, 97 yıında Aksaray da doğdu. 99 yıında Erciyes Üniversitesi Makine Mühendisiği Böümünü bitirdi. 995 yıında Niğde Üniversitesi Aksaray Mühendisik Fakütesine Araştırma Görevisi oarak girdi. 997 yıında Niğde Üniversitesi Fen Biimeri Enstitüsünde Yüksek Lisansını, ve 5 yıında İTÜ Fen Biimeri Enstitüsü Makine Mühendisiği, Enerji programında Doktorasını tamamadı. 6 yıında Texas A&M University (ABD) de bursu araştırmacı oarak buundu. 7 yıından beri Aksaray Üniversitesi, Makine Mühendisiği Böümünde Yrd.Doç.Dr., oarak görev yapmaktadır. Isı ve küte geçişi, titreşimi akışta ısı geçişi, hesapamaı akışkanar mekaniği ve mikro akış konuarında çaışmaktadır. Evi ve bir çocuk babasıdır. 66