CÜ Fen-Edebiyat Fakültesi Fen Bilileri Dergisi (2003)Cilt 24 Sayı 2 Vorteks Tüpünde Akışkan Olarak Kullanılan Hava İle Karbondioksitin Soğuta Sıcaklık Perforanslarının Deneysel İncelenesi *Hüseyin USTA, **Kevser DİNCER, *Volkan KIRMACI *H İbrahi VARİYENLİ *GÜ Teknik Eğiti Fakültesi, 06500, Beşevler, Ankara, TÜRKİYE **GÜ Fen Bil Ents Makina Müh ABD, Maltepe, Ankara, TÜRKİYE Received:28102004, Accepted: 10012005 Özet: Bu çalışada, hacisel debileri ayarlaak için bir kontrol vanası hariç hiçbir hareketli parçası bulunayan vorteks tüpü kullanılıştır Vorteks tüplerinden akan akış, işteki basınca bağılı olarak iki farklı sıcaklıkta akışkana bölünektedir Deneysel çalışalarda, sıcak akışkan çıkış tarafındaki kontrol vanası ta açık konuda bırakılıştır Genellikle vorteks tüpünde basınçlı akışkan olarak hava kullanılaktadır Havanın içinde % 7809 Azot, % 2095 Oksijen (O 2 ), % 093 Argon, % 003 Karbondioksit (CO 2 ) ve çok az oranda diğer gazlar bulunaktadır Yapılan deneysel çalışalarda, basınçlı akışkan olarak Hava ve CO 2 gazı kullanılıştır CO 2 gazının kullanılasındaki aaç, hava içinde bulanan CO 2 nin vorteks tüpündeki soğuta etkisinin, havaya göre değişiini inceleektir Gösterge basıncı 10 bar dan başlayarak 10 er bar aralıklarla 60 bar a kadar değişik basınçlarda, Hava ve CO 2 gazı, vorteks tüp sisteine uygulanıştır Bu çalışada, vorteks tüplerde oluşan enerji ayrışa olayı iki farklı akışkanda deneysel olarak inceleniştir Yapılan deneysel çalışa sonuçları dikkate alınarak, Hava ve CO 2 gazına ait grafikler oluşturuluştur Vorteks tüpünde, Hava ve CO 2 gazına ait grafikler incelenerek perforanslarının arttırılasına yönelik öneriler getiriliştir Anahtar kelieler: Ranque Hilsch vorteks tüp, Enerji ayrışıı, Isıta, Soğuta Experiental Study of Cooling Heat Perforances of Air And Carbon Dioxide Which are Used as the Fluid in the Vortex Tube 28
Abstract: In this study, the vortex tube, having no one oving part, except the control valve was used in order to arrange voluetric flows Fluid in two different heats as depending on intake pressure is obtained fro vortex tubes In the experiental studies, the control valve on the outlet side of hot fluid was left in full open position Air is usually used as the pressured fluid in the vortex tube 7809% of nitrogen, 2095% of oxygen (0 2 ), 093% of argon, 003% of carbon dioxide and other gases at very less aount are existing in the air During the experiental studies, Air and CO 2 were used as pressured fluid The objective of using CO 2 gas was to inspect change of cooling influence in the vortex tube of CO 2 in the air intervals copared to air Vortex tube syste Air and CO 2 was applied to the with 10 bar intervals start up indicative pressure fro beginning 10 bar to 6 bars in the different pressure In this study, energy separation case which occurs in the vortex tubes was inspected experientally in two different fluids At the end of the experients, the graphics on CO 2 and Air were established The graphics on CO 2 and Air in vortex tube were interpreted by inspecting the, and there were suggestions to increase their perforances Key words:, Ranque Hilsch vortex tube, Energy separation, Heating, Cooling 1 Giriş Vorteks tüpü, George Ranque tarafından 1931 yılında bulunuştur Rudoph Hilsch tarafından geliştiriliştir Vorteks tüpü, hareketli hiç bir parçası bulunayan basit borudan ibaret olan, basınçlı akışkan kullanılarak çalışan bir sistedir [1] Vorteks tüplerinde enerji ayrışıı olayı gerçekleşektedir Vorteks tüpü ile aynı anda he soğua he de ısına işlei gerçekleşektedir [2] Bu olay oldukça kopleks bir yapıdır [3] Vorteks tüpü, gazların içindeki nei ala işleleri için de kullanılaktadır [4] Vorteks tüpler üzerinde çalışalar uzun süredir deva etesine rağen, vorteks tüplerin içinde gerçekleşen olayın ateatiksel olarak çözüü oldukça zordur [5] Vorteks tüplerde bulunan sıcak çıkış tarafında ki vananın kısılası ile enerji ayrıştıra olayı gerçekleşektedir Bu da Joule-Thoson ekanizasıyla benzerlik gösterektedir [6] Vorteks tüpüne basınçlı akışkan, şekil 1 de de görüldüğü gibi teğetsel olarak nozullardan verilir [7] Basınçlı akışkan tüp içinde çok yüksek hızlarda döner Vorteks tüpün cidarlarındaki akışkan sıcak akış, tüpün erkezindeki akışkan ise soğuk akıştır Vorteks tüpler değişik özellikleri dikkate alındığında iki ana başlık altında gruplandırılırlar Bunlar; akış özellikleri ve dizayn özellikleridir Akış özelliklerine göre; 1 Karşıt akışlı vorteks tüpler, 2 Paralel akışlı vorteks tüpler olak üzere ikiye ayrılaktadırlar 29
Dizayn özelliklerine göre; 1 Adyabatik vorteks tüpler, 2 Adyabatik olayan vorteks tüpler olak üzere sınıflandırılaktadırlar [8] Karşıt akışlı ve paralel akışlı vorteks tüpünün çalışa prensibi şekil 1 ve şekil 2 veriliştir Şekil 1 Karşıt akışlı vorteks tüpünün yapısı [7] Basınçlandırılış akışkan işi Sıcak akış çıkışı Soğuk akış çıkışı Sıcak akış çıkışı Basınçlandırılış akışkan işi Şekil 2 Paralel akışlı vorteks tüpünün yapısı [8] 2 Vorteks Tüpünün Çalışa Prensibi ve Soğuta Aaçlı Uygulaa Alanları 21 Vorteks Tüpünün Çalışa Prensibi Vorteks tüpü ile farklı sıcaklıklarda akışkan elde edilesinin teel prensibi, şekil 3 de görüldüğü gibi farklı açısal hızlarda dönen akışkan arasında gerçekleşen ekanik enerji transferidir Basınçlı bir akışkan vorteks tüpüne, tüpün iş ağzında yer alan nozuldan geçerek teğetsel olarak er Tüp işinde nozul kullanılasının sebebi, basıncın düşürülerek hızın artasını sağlaaktır Nozul sonrası hız, tüpe en basınçlı akışkana bağılı olarak tüpün silindirik yapısından dolayı döneye başlar Çok yüksek açısal hızlarda dönen akış, 30
erkezkaç kuvvetin etkisi ile tüp cidarına doğru açılaya zorlanır Bu etki neticesinde tüp erkezindeki akışkan ile tüp cidarındaki akışkan arasında basınç farkı oluşur Sıcak akışkan ω b > ω a ω a : Sıcak akışkanın açısal hızı ω b : Soğuk akışkanın açısal hızı Soğuk akışkan ω b Tüp cidarı ω a Şekil 3 Vorteks tüpün içindeki sıcak ve soğuk akışın hareketi [7] Tüp cidarı ile tüp erkezi arasında oluşan basınç farkı nedeni ile akış erkezden tüp cidarına doğru genişler Merkeze gelen akışın açısal hızı, açısal oentuun korunuu ilkesi gereğince tüp cidarındaki akışın açısal hızından daha yüksek değerlere ulaşır Bu sebepten dolayı tüp içerisinde iki farklı hızda dönen iki akış oluşur Merkezdeki akış daha yüksek hıza sahip olduğundan cidardaki akışı ivelendireye çalışır Bu duruda erkezdeki akış cidardaki akışa ekanik enerji transferi gerçekleştirir Mekanik enerjisinde azala olan erkezdeki akış yani soğuk akış, tüp cidardaki sürtüne etkisi ve erkezdeki akıştan aldığı ekanik enerjiden dolayı tüp cidarındaki akış sıcak akıştır [8] Karşıt akışlı vorteks tüp şekil 1 de görüldüğü gibi, soğuk akış sıcak akışın çıktığı uca yerleştiriliş olan vananın etkisi ile bir durgunluk noktasından sonra akış geriye doğru yönlenir Bu sayede tüpün bir ucundan sıcak akış diğer ucundan ise soğuk akış elde edilir 22 Vorteks Tüplerin Kullanı Alanları Vorteks tüplerden he sıcak he de soğuk akışkan elde edilektedir Vorteks tüplerin kullanı aaçları aşağıda addeler halinde veriliştir 1 Spot soğuta aacıyla kullanıı, 2 Kiyasal analizlerde, 3 Orta sıcaklıklı kroatografik analizlerde, 31
4 Kroatografik şırınganın soğutulasında, 5 Çözeltilerin soğutulasında, 6 Ne alınasında, 7 Kızılötesi analizlerde nuunenin soğutulasında, 8 Düşük sıcaklık işlelerinde, 9 Elektronik devrelerin soğutulasında, 10 Gaz endüstrisinde kuruta işlerinde [8] 3Terodinaiğin 1 Kanununun Vorteks Tüplere Uygulanışı Bir iş ve bir çıkışlı sürekli akışlı açık sisteler için enerjinin korunuu denklei; Q W (1) nolu eşitlikteki; = ( h + ke + pe) (1) Q : Biri zaanda ısı geçişi, (kw) W : Güç, (kw) h : Kütlesel debi, (kg/s) : Entalpi değişii, (kj/kg) ke : Kinetik enerji değişii, (kj/kg) pe : Potansiyel enerji değişii, (kj/kg) Deneysel çalışalarıızda kullandığıız vorteks tüp adyabatiktir Q W = ( h + ke + pe) (1) 0 0 0 0 Çevresi ile iş ve ısı alış-verişinin oladığı kabul edildiğinde (1) no lu denkle yeniden düzenlenirse, (2) nolu denkle elde edilir h = ( h h çıı ) (2) Deneysel çalışada kullanılan vorteks tüp 1 işli, soğuk ve sıcak olak üzere 2 çıkışlıdır Eşitlik 2, deneysel çalışa için düzenlenirse, (3) nolu eşitlik elde edilir h = a h a + b h b (3) yukarıdaki eşitlikteki ; h : Girişteki entalpi, (kj/kg) 32
h a : Sıcak çıkıştaki entalpi, (kj/kg) h b : Soğuk çıkıştaki entalpi, (kj/kg) : Girişteki akışkanın kütlesel debisi, (kg/s) a : Sıcak akışkanın kütlesel debisi, (kg/s) :Soğuk akışkanın kütlesel debisidir, (kg/s) [9] b h = c p (T T refsıc ) (4) h a = c p (T a T ) (5) h b = c p (T T b ) (6) T refsıc 0 K dır (4) nolu denkle (7) nolu denkle gibi yazılır h = c p T (7) (3) nolu denkledeki h, h a, h b değerleri (4), (5) ve (6) nolu eşitliklerden faydalanarak yerine yazıldığında; c p T = a c p ( T a T ) + T : Girişteki akışkan sıcaklığı, (K) T a T b : Sıcak akışkanın sıcaklığı, (K) : Soğuk akışkanın sıcaklığı, (K) b c p ( T T Vorteks tüplerinde y c olarak tanılanan eşitlik (9) nolu denkle ile veriliştir b ) (8) = b (9) y c (8) nolu eşitliğin her iki tarafı 1 cp ile çarpıldığında (10) nolu eşitlik elde edilir T = a (T a T ) + b (T T b ) (10) Denkle 10, 9 no lu denkle ile yeniden düzenlendiğinde, T = (1 y c ) (T a T ) + y c (T T b ) (11) elde edilir 33
4 Deneysel Çalışa 41 Deneysel Sistein Hazırlanası Bu çalışada, iç çapı 11 ve uzunluğu 160 olan karşıt akışlı bir vorteks tüpü kullanılıştır Yüksek basınca karşı dayanıını arttırak için iç çapı 14 olan çelik bir boru vorteks tüpün üzerine geçiriliştir Vorteks tüpünün sıcak akışkanın çıkış ucuna hacisel debileri ayarlaak için bir kontrol valfi bağlanıştır Vorteks tüp, genişliği 50 c, yüksekliği 60 c, et kalınlığı 2 olan bir levha üzerine kontrol valfi aşağı tarafta olacak şekilde dik konuda şekil 4 deki gibi yerleştiriliştir Vorteks tüpünden çıkan soğuk ve sıcak akışkanın hacisel debilerini ölçek için rotaetreler bağlanıştır Vorteks tüpünden çıkan soğuk ve sıcak akışkanların sıcaklıklarını ölçek için ±1 o C hassasiyetinde olan dijital teroetreler kullanılıştır Dijital teroetrelerin probları vorteks tüpünün sıcak ve soğuk çıkış taraflarından 1 c ilerisine 1 çapında deliniş tüpün erkezine gelecek şekilde yerleştiriliş, etrafı silikonla sıvanarak sızdırazlık sağlanış ve siste deneysel çalışa için çalışır konua getiriliştir 42 Deneylerin Yapılışı Vorteks tüpünün işindeki vana ile hava kopresörü arasına yüksek basınca dayanıklı plastik hortu kelepçeler yardııyla bağlanıştır Hava kopresörü çalıştırılış ve vorteks tüpe akışkan işindeki vana yardııyla deneylerde başlangıç basıncı olan 10 bar lık basınç sağlanıştır Yapılan basınç ayarlaasından sonra vorteks tüpünün sıcak ve soğuk akışkan çıkışına onte edilen dijital teroetrelerle okunan sıcaklık değerleri sabit oluncaya kadar aynı basınçta hava kopresörden gönderiliştir Okunan sıcak ve soğuk akışkan sıcaklık değerleri ve hacisel debilerden sonra vorteks tüpüne basınçlı hava sağlayan kopresör durduruluştur Daha sonra 20 bar basınç değerindeki deneye başlaadan önce vorteks tüpünün soğuk ve sıcak akışkan sıcaklığını ölçen dijital teroetre ile orta sıcaklığını ölçen dijital teroetrelerin eşit sıcaklık değerine gelinceye kadar bekleniş ve okunan değerler eşitlendikten sonra 20 bar basınç değerindeki deney yapılaya başlanıştır 20, 30, 40, 50 ve 60 bar basınç değerleri için yapılan deneysel çalışalarda, 10 bar daki yapılan işleler tekrarlanıştır 34
Vorteks tüpünde 10 bar ve 60 bar arasında basınçlı hava gönderilerek yapılan deneyler taalandıktan sonra hava kopresörü sisteden çıkarılarak, yerine CO 2 gazının uhafaza edildiği tüp bağlanıştır Vorteks tüpünde akışkan olarak kullanılan CO 2 gazı için 10 bar ve 60 bar basınç değeri arasındaki deneylerindeki işleler hava deneylerinde yapılan işlelerin aynısıdır Şekil 4 Deneysel siste 5 Bulgular Ve Tartışa Bu çalışada, hiç bir hareketli parçası bulunayan ve sıcak akışkan çıkış tarafındaki vana ile hacisel debileri ayarlanan deneysel sistede, sıcak akışkan çıkış tarafındaki kontrol vanası ta açık konuda bırakılıştır Vorteks tüpe işteki gösterge basıncı 10 bar dan başlayarak 10 er bar aralıklarla 60 bar a kadar değişik basınçlarda akışkan olarak Hava ve CO 2 gazı kullanılarak deneyler yapılış ve grafikler çiziliştir Şekil 5 de Havaya ait soğuk ve sıcak akışkanların hacisel debilerinin vorteks tüpüne iş basıncına göre değişi değerleri gösteriliştir Şekil 6 da ise 35
Karbondioksitin soğuk ve sıcak akışkanların hacisel debilerinin vorteks tüpüne iş basıncına göre değişi değerleri veriliştir Hava ile Karbondioksit gazının, soğuk ve sıcak akışkanların hacisel debilerinin lineer bir doğru olarak artıştır 12 Hacisel debiler, 3 /h 10 8 6 4 2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 P, bar Sıcak akış (Hava) Soğuk akış (Hava) Şekil 5 Havanın vorteks tüpünden çıkan soğuk ve sıcak akışkanın hacisel debilerinin vorteks tüpüne işteki basınca göre değişii Şekil 5 ve şekil 6 da görüldüğü gibi, Hava ile Karbondioksit gazlarının vorteks tüpünden çıkan soğuk akışın hacisel debisinin her iki akışkanda da vorteks tüpünden çıkan, sıcak akışının hacisel debisinden daha fazla olduğu görülektedir 12 Hacisel debiler, 3 /h 10 8 6 4 2 Sıcak akış (Karbondioksit) Soğuk akış (Karbondioksit) 0 0 1 2 3 4 5 6 7 P, bar Şekil 6 Karbondioksit gazının vorteks tüpünden çıkan soğuk ve sıcak akışkanın hacisel debilerinin vorteks tüpüne iş basınca göre değişii Hava ile Karbondioksitin vorteks tüpünün soğuk çıkış tarafından çıkan akışkan sıcaklıkları dikkate alınarak ukayese edilirse; Karbondioksitin, Havaya göre daha fazla soğuduğu deneysel olarak gözleleniştir Havanın 60 bar gösterge basıncındaki soğuk çıkış tarafındaki sıcaklığı 21 o C e kadar soğurken aynı basınçtaki Karbondioksit gazının soğuk çıkıştaki sıcaklığı ise 197 o C dir 36
Hava ve Karbondioksit gazlarının vorteks tüpünde yapılan deney sonuçları şekil 7 ve şekil 8 de veriliştir Şekil 7 de Havaya ait soğuk ve sıcak akışkan sıcaklık değerlerinin, vorteks tüpüne işteki basınç değerine göre değişii veriliştir Şekil 8 de ise Karbondioksite ait soğuk ve sıcak akışkan sıcaklık değerlerinin vorteks tüpüne iş basıncına göre değişii veriliştir 50 40 Sıcaklık, o C 30 20 10 Sıcak akışkan Soğuk akışkan 0 0 1 2 3 4 5 6 7-10 P, bar Şekil 7 Havanın vorteks tüpünden çıkan sıcak ve soğuk akışkan sıcaklıklarının vorteks tüpe işteki basınca göre değişii 30 20 10 Sıcaklık, oc 0 0 1 2 3 4 5 6 7-10 Sıcak akışkan Soğuk akışkan -20-30 P, bar Şekil 8 Karbondioksit gazının vorteks tüpünden çıkan sıcak ve soğuk akışkan sıcaklıklarının vorteks tüpe işteki basınca göre değişii Şekil 9 da Hava ve Karbondioksit gazının vorteks tüpüne işteki gösterge basıncına göre vorteks tüpünden çıkan soğuk akışkan ile sıcak akışkan sıcaklıklarının farkları cinsinden (T a T b ) karşılaştırılası veriliştir Hava ile Karbondioksit gazının vorteks tüpünden çıkan sıcak akışkanın sıcaklığı ile soğuk akışkanın sıcaklıklarının 37
farkları cinsinden perforansları dikkate alınarak ukayese edilirse; Havanın T a T b cinsinden değeri vorteks tüpe işteki 6 bar gösterge basıncında 408 o C iken aynı basınçta Karbondioksitin gazının T a T b değeri 347 o C olduğu deneysel olarak tespit ediliştir Şekil 9 dan da görüldüğü gibi, Havanın, T a T b değeri Karbondioksit gazına göre daha yüksektir 50 40 (Tsck-Tsğk),oC 30 20 10 Hava Karbondioksit 0 0 1 2 3 4 5 6 7 P, bar Şekil 9 Hava ve Karbondioksitin sıcak akışın sıcaklığı ve soğuk akışın sıcaklıkları farkının işteki basınca göre değişii 6 Sonuç ve Öneriler Bu çalışada, hacisel debilerini ayarlaak için bir kontrol vanası hariç hiçbir hareketli parçası bulunayan vorteks tüpü kullanılıştır Deneysel çalışalarda, sıcak akışkan çıkış tarafındaki kontrol vanası ta açık konuda bırakılıştır Yapılış olan deneylerde vorteks tüpe işteki gösterge basıncı 10 bar dan başlayarak 10 er bar aralıklarla 60 bar a kadar değişik basınçlarda, Hava ve CO 2 gazı ayrı ayrı vorteks tüp sisteine uygulanıştır Vorteks tüpünde oluşan enerji ayrıştıra olayı iki farklı akışkanda inceleniştir Yapılan deneysel çalışa sonuçları doğrultusunda şekiller oluşturuluştur Oluşturulan bu şekiller dikkate alınarak yorular getiriliştir Deneysel olarak yapılan çalışada y c oranı sabit tutuluştur Sabit y c oranına göre, vorteks tüpünde Hava ve CO 2 gazının değişik basınçlardaki perforansları deneysel olarak inceleniştir Vorteks tüpünde yapılan deneyler sonucunda akışkan olarak CO 2 gazı kullanıldığında, soğuk akışkanın çıkış sıcaklığının havaya göre daha düşük olduğu deneysel olarak tespit ediliştir Vorteks tüpüne en akışkanın iş basıncı arttırıldıkça, soğuk çıkıştaki akışkanların sıcaklığı he havada he de 38
karbondioksit gazında düşektedir CO 2 nin Havaya göre, soğuk çıkış akışkan sıcaklığının daha düşük olduğu görülüştür Sıcak çıkıştaki akışkanın sıcaklığı ile soğuk çıkıştaki akışkanın sıcaklığı arasındaki farkı (T a -T b ) cinsinden Hava ile Karbondioksit ukayese edildiğinde, Havanın perforansının Karbondioksite göre daha yüksek olduğu deneysel olarak görülüştür Yapılan deneysel çalışa sonuçları dikkate alınırsa, havada bulunan CO 2 iktarı arttırıldığında, soğuk çıkıştaki akışkan sıcaklığının daha da soğuk olacağı düşünülektedir Hava ile Karbondioksit gazının vorteks tüpüne iş basıncı arttırıldığında sıcak çıkış ve soğuk çıkış sıcaklıklarının farklarının da artacağı önerilektedir 7 Kaynaklar 1 N Özkul, Uygulaalı Soğuta Tekniği, 5 Baskı, Makine Mühendisleri Odası Yayın No:115, Ankara, 1999, s 709 2 A D Althouse, C H Turnquıst, A F Braccıano, Modern Refrigeration and Air conditioning, The Goodheart-Willcox Copany Inc, South Holland, 1979, pp 633 3 T Cockerill, The Ranque Hilsch vortex Tube, PhD Thesis, Cabridge University Engineering Departent, Susderland, 1995 4 T Bruno, Journal of Cheical Education, 1987, 64 (11), pp 987-988, 5 A I Gulyaev, Soviet Physics-Technical Physics, 1966, 10 (10), pp1441-1449 6 B Hajdık, M Lorey, J Steınle, K Thoas, Oil-Journal, 1997, 8, pp76-83 7 W Fohlıngsdorf, H Unger, International Journal of Heat and Mass Transfer, 1999, 42, pp 415-422 8 A E Özgür, Vorteks Tüplerin Çalışa Kriterlerine Etki Eden Faktörlerin ve Endüstrideki Kullanı Alanlarının Tespiti, Yüksek Lisans Tezi, 2001, Süleyan Deirel Üniversitesi Fen Bil Enst,Isparta, s76 9 Y Çengel, M Boles, Mühendislik Yaklaşııyla Terodinaik, 2 Baskı, Literatür Yayıncılık Ltd, İstanbul, 1996, s780 10 K Stephan, S Lın, M Durst, F Huang, D Seher, Journal of Heat Mass Transfer, 1983, 26 (3), pp 344-348 39