Fırat Ünv. Fen ve Mü. Bl. ergs Sene and Eng. J of Fırat Unv. 18 (4), 569-575, 2006 18 (4), 569-575, 2006 eğşk Yüzey Proflne Sap Tek Geçşl Plaka Tpl Isı eğştrlernde Isı Transfernn İnelenmes Hüseyn BENLİ 1, Hasan GÜL 1 ve Aydın URMUŞ 2 1 Fırat Ünverstes, Teknk Blmler Meslek Yüksekokulu, 23119, Elazığ 2 Fırat Ünverstes Teknk Eğtm Fakültes, Makne Bölümü,23119, Elazığ gul@frat.edu.tr (Gelş/Reeved:06.02.2006, Kabul/Aepted:24.11.2006) Özet: Bu çalışmada PHE onduln ve PHE yıldız olarak adlandırılan k farklı plakalı ısı değştrlernn yüzey geometrlernn ısı transfer ve sürtünme katsayısı üzerne etkler deneysel olarak nelenmştr. Bu amaç çn k tp ısı değştrs mal edlmştr. Plakaların yan yana monte edlmesyle, elde edlen ısı değştrsnde sıak ve soğuk akışkan tarafından, Nusselt sayısının Reynolds sayılarına göre değşmler araştırılmıştır. Aynı yönlü paralel akış ve zıt yönlü paralel akış çn, ısı değştrs etknlğnn, NTU ya göre değşm bulunmuştur. Lamnar akış şartlarında yapılan bu çalışmada Reynolds sayısı 50 Re 1000 ve Prandtl sayısı se 3 Pr 7 arasında seçlmştr. eney sonuçlarından, ısı transfer, etknlk ve basınç kaybı çn deneysel bağıntılar elde edlmştr. Anatar kelmeler: Isı eğştrler, Plaka Akışı, Lamner Akış, algalı Kanal Investgaton of Heat Transfer of Sngle Pass Plate Type Heat Exangers Havng fferent Surfae Profles Abstrat: In ts study, effets of te surfae profles of two dfferent plate eat exangers alled and PHE yııldız PHE 0nduln on eat transfer and frton fator are nvestgated expermentally. Two types of eat exangers are desgned and manufatured for ts am. Nusselt varaton along te eat exanger, obtaned by mountng te plates sde by sde, wt respet to Reynolds number was nvestgated. Heat exanger effetveness aordng to NTU was obtaned for parallel and ounter-flow onfguratons. Reynolds and Prandtl numbers vared n te range of 50 Re 1000 and 3 Pr 7, respetvely. As a result of te expermental fndngs, orrelatons for eat exanger effetveness and pressure loss were obtaned and presented n te study. Keywords: Heat exanger, plate flow, lamnar flow, orrugate surfae. 1. Grş Son zamanlarda plakalı ısı değştrler, ısıtma, ısıtma-soğutma uygulamalarında, gıda ve kozmetk sanaynde yoğun br şeklde kullanılmaktadır. Plaka tpl ısı değştrler, başlangıçta daa çok sıî uygulama gerektren pastörze sıvı yyeek alanları çn gelştrlmştr. Anak daa sonra bu ısı değştrlernn kompakt olmaları, kolay temzleneblme özellğ nedenyle başta kmya ve yyeek sektörü olmak üzere genş br uygulama alanı bulmuşlardır. Bu ısı değştrlernde akışın dağıtımı, paralel, ser veya mümkün olableek değşk varyasyonlarda olablr. Isı transfern yleştrme teknkler, aktf ve pasf yöntemler olmak üzere k gruba ayrılır [1,2]. Aktf yöntemde ssteme ek br enerj vermek gerekrken, pasf yöntemde yüzey şeklnn değştrlmes le ek enerjye tyaç duyulmaz. Bu nedenle yüksek ısı transfer katsayısına ulaşmak çn, ısı değştrgenn malatında kullanılan yöntemlern farklılığı le beraber plakaların yüzey geometrler de karmaşık ale gelmştr. Günümüzde enerj ve malzeme malyetlernn yüksek olması nenyle, daa etkn ısı değştrs üretm çalışmaları ızlanmıştır. Isı değştrlernn etknlklernn artırılması, boyutlarının küçültülmesn ve şletme masraflarının düşürülmesn sağlar. Pasf yöntemle ısı transfern artırma amaçlı yapılan br çalışmada, pürüzlü yüzeyler kullanılmıştır [3]. Baer ve arkadaşlarının yaptıkları br çalışmada pasf teknkler kullanılarak yüksek ısı
H. Benl, H. Gül ve A. urmuş transfer katsayıları elde edlmştr [4]. Bu araştırmaılar pasf yleştrme teknkler olarak, bükülmüş teller ve türbülatörler kullanmışlardır. eneylern lamnar ve türbülanslı akış şartlarında yapmışlardır. Sparrow ve arkadaşları değşk yüzey profllernn ısı transferne etklern,re, 2000 Re 35000 ve Pr 4 Pr 11 aralığında nelemşlerdr. Bu çalışmada akışkan olarak su kullanılmıştır. Araştırmaılar, keskn yüzey geometrler çn Nu=0.491.Re 0.63 Pr 0.3 eştlğnn kullanılableeğn önermşlerdr. Yne aynı çalışmada bükülmüş yüzeyl ısı değştrlern, düz yüzeyl ısı değştrlerne göre; Nusselt sayısının katlanarak artableeğn ve bunun; ava çn dokuz, su çn se on dört faktöre bağlı olduğunu belrlemşlerdr. eneysel çalışmanın sonuunda Re>250 şartlarında ( RePr 0.4 + 100) Nu = 4 + 29.2.ln bağıntısının 1200 kullanılableeğn göstermşlerdr. Fabbr genetk algortma teknğn kullanarak, dalgalı kanallarda ısı değştrler le lgl lgnç br optmzasyon çalışması yapmıştır [7]. Re ve Pr sayısının çok küçük olmadığı durumlarda dalgalı plaka yüzeylernn ısı transfern yleştrdğn göstermştr. Isı değştrlernn ısı transfern yleştrme teknkler araştırılırken, çeştl yüzey profllern gelştrmenn yanı sıra en uygun akış şartlarının belrlenmes üzernde de yoğunlaşmaktadır. Kandlkar ve arkadaşları yaptıkları deneysel çalışmalarda, akış şartlarının ısı değştrsnn etknlğ üzerne etklern araştırmışlardır [9,10]. Bu çalışmada plakalı ısı değştrlern geometrk özellklernn ısı transfer üzerne etks deneysel olarak, aynı yönlü paralel akış ve zıt yönlü paralel akış düzenlemelernde, ε, Nu, f sayıları temelnde nelenmştr. 2. eney üzeneğ + 4-10 5 6 7 8 9 3 11 2 1 12 1- Su deposu, 2-Sıak su pompası, 3-Termostat, 4-Isıtıı, 5-Rotametre, 6-Kalbrel ölçüm kabı, 7- Talye, 8-Kapalı soğuk su deposu 9-Soğuk su pompası, 10-Su deposu, 11-Su grş, 12-eney elemanları Şekl 1. eney düzeneğ eneylern gerçekleştrlmes çn Şekl 1 de görülen deney düzeneğ kurulmuştur. eney düzeneğ esas tbarı le kolaya sökülüp takılablen plakalı br ısı değştrsdr. Şekl 2 de plaka yüzey detayları verlen ısı değştrlernn ısı transfer ve sürtünme katsayısı üzerndek etklern belrlemek çn k tp ısı değştrgenn malatı yapılmıştır. PHE ve PHE olarak adlandırılan onduln yııldız plakaların yan yana monte edlmes le ısı değştrs grubu oluşturulmuştur. İk plaka arasındak boşluk δ=6, 8, 10 mm olarak belrlenmş ve er δ değer çn 15, toplam 135 adet plaka kullanılmıştır. Bu plakalardan 7 tanes soğuk su tarafında 8 tanes se sıak tarafında veya bunun tam ters kullanılmıştır. eney akışkanı plaka yüzeylerndek krlenmey önlemek çn arıtılmış su kullanılmıştır. Ayrıa 570
eğşk Yüzey Proflne Sap Tek Geçşl Plaka Tpl Isı eğştrlernde Isı Transfernn İnelenmes plaka yüzeylernde meydana gelen krlenmenn ısı transfer üzerne olan olumsuz etklernden korunmak çn er deneyde öne plaka yüzeyler temzlenmektedr. Şekl.2. PHE ve PHE yüzey yapısına sap plakalı ısı değştrler onduln yııldı Plaka yüzeyl ısı değştrler, soğuk ve sıak akışkan bölgeler olmak üzere k kısımdan nelenmektedr. eney düzeneğnde sıak-soğuk grş-çıkış sıaklıkları ve basınç kayıpları, ortam sıaklığı, kütlesel deb ölçülerek data-toplayıılar vasıtasıyla blgsayara aktarılmaktadır. eneylerde sıak su debs 0.03 kg/s 0.16 kg/s arasında, sıak su grşler se 45 60 0 C arasında seçlmştr. Kütlesel deb değerler soğuk su grş ve sıak su grş bölgelernde ayrı deb ölçerler le drekt olarak ölçülmektedr. Su grş ve çıkış değerler er 10 sanyede br kaydedlmektedr. Elde edlen verlerden ardışık yapılan k değer arasındak değşm stenlen sevyeye geldğ durumlarda verler kaydedlmekte aks durumda deney yenlenmektedr. 3. Isı Transfer Hesaplamaları Isı değştrgenn ısı performansını belrlemek çn akışkanların grş ve çıkış sıaklıkları, yüzey ısı transfer katsayısı ve toplam ısı transfer yüzey alanın blnmes 571 gerekldr. Ele alınan sstemde soğuk ve sıak akışkanın, eğer knetk enerj, potansyel enerj ve çevreye olan ısı kaybı da mal edlrse soğuk ve sıak akışkan arasındak toplam ısı transfer oranı enerj dengesnde de& st E & n + E& g E& out = E& st (1) dt q = m& ) (2) (,, o (, o, q = m& ) (3) Akışkan faz değşklğne uğramıyorsa ve özgül ısıları sabt kabul edlrse (2)ve (3) eştlkler q = m& ( T T ) (4) p,,, o q = m& ( T T ) (5) p,, o, şeklne dönüşür. Anak (2), (3), ve (4), (5) eştlkler akış düzenlenmesnden ve ısı değştrge tpnden bağımsızdır. Bu nedenle br başka kullanılableek eştlk, Newton Soğutma Kanunu ndan q = UA T m (6) U, değernn belrlenmes gerekr. Akışkanın fzksel özellklernn sabt ve plaka yüzeyndek akış dağılımının omojen olduğu durumlarda yüzey ısı transfer katsayısı ;
H. Benl, H. Gül ve A. urmuş 1 1 1 e p = + + + R f, + R f, (7) U k p şeklnde bulunur. Isı taşınım katsayısını belrlemek çn, sıak ve soğuk değerlernn seçlen plaka yüzey tp ve seçlen yüzey geometrsne çn belrlenmes gerekr. Newtonan akışkanlarda ve türbülanslı akış çn, Nu=aRe b Pr eştlğ yaygın olarak kullanılan genel br eştlktr. Burada boyutsuz büyüklükler; Nusselt sayısı, Reynolds ve Prandtl sayılarıdır ve plaka yüzey geometrsne bağlı, a, b, katsayılarının belrlenmes gerekr [5]. a,b, parametrelern belrlemek çn, belrlenen plaka yüzey geometrsnde, stenlen Re ve Pr sayılarında yeterl sayıda ısı transfer deneylernn yapılması gerekr. yüzeyl ısı değştrler çn elde ettğ değerler le y br uyum çersndedr. Aynı yönlü paralel akış ve zıt yönlü paralel akış şartlarında PHE yıldız tpl ısı değştrgenn, PHE onduln tplye göre ısı transfernn, yaklaşık %30 değernde yleşme sağladığı görülmektedr. 4. Etknlk-NTU Hesaplaması Isı değştrsnde etknlğn belrlemek çn, ısı değştrgenn maksmum mümkün olableek ısı transfer oranı q max belrlenmes gerekr Isı değştrlernde aynı yönlü paralel akış çn ısı kapastelern C = m&,, = m& alarak ve L C p, edlerek, p olduğu kabul C ( T, T, o ) ε =, (8) C ( T T ) mn,, şeklnde yazılır. Isı transfer brm sayısı ( NTU =AU/C mn ) boyutsuz br parametredr ve ısı değştrs analznde aşağıdak gb tanımlanır [7, 8,.9]. ( N 1) ApU NTU = (9) mn m& C, m C, ( ) p, & Ele alınan bu çalışmada k farklı tp ısı değştrsnn ısı transfer, basınç kaybı ve etknlk değerler yüzey geometrs ve akış düzenlemesne göre deneysel olarak araştırılmıştır. 5. Sonuçlar Şekl 3 de Gut[12] tarafında tanımlanan Nu=0.017Re 0.90 Pr 1/3 amprk bağıntı le deneysel çalışmanın sonuçları karşılaştırılmıştır. Grafkte de görüldüğü gb bu araştırmaının plaka yüzeyl ısı değştrler çn elde ettkler Nu-Re değşmnn bu çalışmada sunulan plaka p Şekl 3. Aynı yönlü paralel akış ve zıt yönlü paralel akış düzenlemelerne göre Nu-Re sayısını değşm. Şekl 4. Zıt yönlü paralel akış çn sıak su tarafından Nu-Re sayısının değşm. Şekl 4 de sıak su tarafı çn aynı yönlü paralel akış ve zıt yönlü paralel akış onfgrasyonları çn yıldız ve onduln yüzey özellklerne sap ısı değştrsnn Re-Nu sayısına göre değşmler verlmştr. Grafkten görüldüğü gb PHE yıldız tp ısı değştrsnde zıt yönlü paralel akış şartlarında maksmum ısı transfer elde edlmştr. Plakalar arası mesafenn sabt olduğu durumlarda zıt yönlü paralel akış şartlarındak yleşmenn aynı yönlü paralel akış şartlarına göre %23 fazla olduğu görülmüştür. Bu yleşme yıldız yüzey konfgrasyonunda ondüln konfügrasyonuna göre yaklaşık %18 daa 572
eğşk Yüzey Proflne Sap Tek Geçşl Plaka Tpl Isı eğştrlernde Isı Transfernn İnelenmes fazladır. Buda şunu göstermektedr k yüzey profl knl akışları oluşturmakta ve akışkana lave br türbülans etks vermekte bu durum ısı taşınım katsayısını artırmaktadır. Plakalar arası kalınlık değernn Nu-Re değşmne etks Şekl 5 6 de verlmştr. Zıt yönlü paralel akış ve aynı yönlü paralel akış çn δ=4, 6, 8, 10 mm yüzey düzenlemes çn er k ısı değştrge çn karşılaşması yapılmıştır. Plakalar arasındak δ değernn küçülmesyle er k tp akış şekl çnde ısı transfernn yleştğ görülmektedr. Şekl 5. Plakalar arasındak kalınlığın ısı transfer üzerne etks, soğuk su tarafı Şekl 6. PHE onuln ve PHE yıldız ısıdeğştrlernn Re- Nu değşm algalı yüzey geometrlerne sap ısı değştrler çn PHE onuln ve PHE yıldız paralel ve paralel-zıt yönlü akış şartlarında aşağıda belrlenen amprk bağıntılar elde edlmştr. Tablo1. PHE onduln ve PHE yıldız ısı değştrs çn elde edlen amprk bağıntılar Zıt yönlü paralel akış ve sıak su çn 0.33 0.58 0.355 Nu 1.348Re Pr es yldz = ;10 Re 1000, 3 Pr 7 1/ 3 0.47 0.335 Nu 1.8453Re Pr es onduln = ;10 Re 1000, 3 Pr 6.3 Zıt yönlü paralel akış ve soğuk su çn 0.33 0.58 0.355 Nu 1.730Re Pr es yldz = ;10 Re 1000, 3 Pr 7 1/ 3 0.47 0.335 Nu 1.320Re Pr es onduln = ; 10 Re 1000, 3 Pr 6.3 Aynı yönlüm paralel akış ve sıak su çn 0.33 0.58 0.355 Nu 1.632Re Pr es yldz = ; 10 Re 1000, 3 Pr 7 1/ 3 0.41 0.335 Nu 2.095Re Pr es onduln = ;10 Re 1000, 3 Pr 6.3 573
H. Benl, H. Gül ve A. urmuş Şekl 7. Sürtünme katsayısın Re sayısı le değşm Şekl.7 de yüzey geometrk özellklernn sürtünme katsayısı üzerne etkler görülmektedr. Elde edlen değerlerden aynı plaka aralık değerlernde δ=6 çn PHE yıldız plaka yüzeyne sap ısı değştrgende, PHE ondüln yüzeyl ısı değştrgene göre, basınç kayıp katsayısının yaklaşık olarak 1.4 kat artığı görülmektedr. Sürtünme katsayısının, plaka yüzeyl ısı değştrler çn tanımlanan lamnar akım şartları çn geçerl olan f=64/re fadesyle referans olarak alınmış ve karşılaştırılması yapılmıştır. Şekl 8 de zıt yönlü paralel akış ve aynı yönlü paralel akış şartlarında,ε-ntu değşm, δ=6 çn verlmştr. Şekl 8. de görüldüğü gb brm ısı transfer değer, artışı le plakalı ısı değştrlernn etknlk değer de artmaktadır. Aynı δ değerlernde er k akış şeklnde artan NTU değerlernde etknlk değernn artığı görülmektedr. Etknlk değer lteratürlerde verlen teork düz plakalı ısı değştrgene göre yaklaşık % 7 le %21 arsında br yleşme sağlamıştır. Şekl 8 Etknlk değernn NTU le değşm NTU = 1.8 değerler çn zıt yönlü paralel akış çn ve ε = 0. 8 değerne ulaşmasına rağmen aynı yönlü paralel akış şartları çn bu değer ε = 0.7 değernde kalmıştır. aynı yönlü paralel akış çn etknlk değer %8 60 arasında yleşme gösterrken zıt yönlü paralel akış şartlarında çn bu değer %9 65 arasında değşm göstermştr. 6. Tartışma Sunulan bu çalışmada dalgalı yüzeylere sap plakalı ısı değştrlernde, plaka aralığının, yüzey profllernn ısı transfer ve basınç kayıpları üzerne etks nelemştr. Plakalar arasındak boşluğun ve plaka yüzey şeklnn ısı transfer üzerne etkl olduğu belrlenmştr. PHE yıldız tpl yüzey konfgrasyonuna sap ısı değştrgenn, PHE onduln yüzey şeklne sap ısı değştrgene göre, ısı transfernde %12 65 arasında br yleşme sağladığı anak dalgalı yüzeyn lave türbülans yaratması nedenyle basınç kayıp katsayısında se yaklaşık %200 320 arasında br artış belrlenmştr. 7. Semboller A ısı transfer alanı, m 2 A p etkl ısı transfer alanı, m 2 C ısı kapaste oranı, C p sabt basınçta ısınma ısısı, J/kg 0 C eşdeğer çap, yüzey flm katsayısı, W/m 2 0 C k akışkanın ısı letm katsayısı, W/m 0 C 574
eğşk Yüzey Proflne Sap Tek Geçşl Plaka Tpl Isı eğştrlernde Isı Transfernn İnelenmes L plaka uzunluğu, m N kanal sayısı NTU brm ısı transfer sayısı Nu Nusselt sayısı, /k, boyutsuz. m& kütlesel deb, kg/s Pr Prandtl sayısı number, Pr=C p µ/k, boyutsuz Q ısı yükü, W R akışkan krllk faktörü, m 2 0 C/W Re Reynolds sayısı, Re = m & /( µ NA ),boyutsuz δ plakalar arası mesafe, m T sıaklık, 0 C U yüzey ısı transfer katsayısı, W/m 2 0 C ε ısı değştrge etknlk değer µ akışkan vskoztes, Pa s 8. Kaynaklar 1. Bergles, A. E. (1985). Tenques to augment eat transfer, n: W. M. Rosenow, J. P. Hartnett, and E.N. Gan (Eds.), Handbook of Heat Transfer Applatons, MGraw-Hll, New York, (Capter 3). 2. ewan, A., Maanta, P., K.S. P, Raju and Kumar, S. (2004). A revew of Passve Heat Transfer augmentaton Tenques, Pro. Inst. Me. Eng. Part A J. Power Energy, 218, 509-527 3. Sparrow, E.M., Hossfeld, L.M. (1984). Effet of roundng of protrudng edges on eat transfer and pressure drop n a dut, In.J. Heat transfer, 27, 1715-1723 4. Fabbr, G., (2000). Heat Transfer Optmzaton n Corrugated Wall Cannels, Int. J. Heat Mass Transfer 43, 4299-4310 5. Kandkar, S.G., Sa, R.K. (1989). Mult-Pass Plate Heat Exangers- Effetveness-NTU Result and Gudelnes for Seletng Pass Arrangement. Journal of Heat Transfer, 111, 300-313 6. Zalesk, T., Klepake, K. (1992). Plate Heat-Exanger-Metod of Calulaton, Cart and Gudelnes for Seletng plate Heat- Exangers Confguraton. Cemal Engneerng and Proessng, 31(1), 45-56. 7. Rosenow, W.M., Hartnett and J. P., Co, Y.I (Eds) (1998). Handbook of Heat Transfer Trd ed. MGraw-Hll, New York 8. Gut, J. A. W., Pnto, J. M. (2003). Modelng of Plate Heat Exangers wt Generalzed Confguratons. Internatonal Journal of Heat and Mass Transfer, 46 (14),2571 2585 9. Bennet, C.O., Myers. (1982). Momentum, Heat and Mass Transfer. (Trd ed) MGraw-Hll, London. 10. Kakaç, S., Sa, R.K., Aung, W. (1987) Handbook of Sngle-Pase Convetve Heat Transfer, Wley, New York 11. Kays, W.M., and A. L. London. (1984). Compat Heat Exangers, 3.ed., MGraw- Hll, New York, Jorge, A.W. Gut., Renato F., Jose M. Pnto., Carmen C. Tadn., 2004,Termal model valdaton of plate exanger wt generalzed onfguraton, Cemal Engneerng Sene, 59, 4591-4600. 12. Benl, H. (1998). eğşk yüzey profllerne sap tek geçşl plaka tpl Isı değştrgeçlernde ısı transfernn araştırılması. Yüksek Lsans Tez,Fırat Ünverstes Fen Blmler Ensttüsü. 45s 575