BAÜ Fen Bil Enst Dergisi (2004)62 VORTEKS TÜPÜNDE AKIŞKAN OLARAK KULLANILAN HAVA İLE AZOT GAZININ SOĞUTMA SICAKLIK PERFORMANSLARININ DENEYSEL İNCELENMESİ *Hüseyin USTA *Volkan KIRMACI **Kevser DİNCER *GÜ Teknik Eğiti Fakültesi, 06500, Beşevler, Ankara, TÜRKİYE **GÜ Fen Bil Ents Makina Müh ABD, Maltepe, Ankara, TÜRKİYE ÖZET Bu çalışada, hacisel debileri ayarlaak için bir kontrol vanası hariç hiçbir hareketli parçası bulunayan vorteks tüpü kullanılıştır Vorteks tüplerinden, işteki basınca bağılı olarak iki farklı sıcaklıkta akışkan elde edilektedir Deneysel çalışalarıızda, 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 çalışalarıızda, basınçlı akışkan olarak hava ve azot (N 2 ) gazı kullanılıştır N 2 gazının kullanılasındaki aaç, hava içinde bulanan N 2 nin vorteks tüpündeki soğuta etkisinin, havaya göre değişiini inceleektir Gösterge basıncı 10 bar dan başlayarak 05 bar aralıklarla 60 bar a kadar değişik basınçlarda, hava ve N 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 N 2 gazına ait grafikler oluşturuluştur Vorteks tüpünde, hava ve N 2 gazına ait grafikler incelenerek perforanslarının arttırılasına yönelik öneriler getiriliştir Anahtar kelieler: Ranque Hilsch vorteks tüp, Enerji ayrışıı, Isıta, Soğuta 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 our 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 (O 2 ), 093 % of argon, 003 % of carbon dioxide and other gases at very less aount are existing in the air Our the experiental studies, air and N 2 as pressured fluid were used The objective of using N 2 gas was to inspect change of cooling influence in the vortex tube copared to air of N 2 in the air Vortex tube syste was applied to the air and N 2 with intervals 05 as applying with 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 N 2 and air were established The graphics on N 2 and air in vortex tube were interpreted by inspecting the, and there were suggestions on increasing their perforances Key words:, Ranque Hilsch vortex tube, Energy separation, Heating, Cooling 1 GİRİŞ Vorteks tüpü, George Ranque tarafından 1931 yılında bulunuştur Vorteks tüpü, hareketli hiç bir parçası bulunayan basit bir borudan ibaret olan basınçlı akışkan kullanılarak çalışan bir sistedir [1] Rudoph Hilsch tarafından geliştiriliştir [2] Vorteks tüplerinde enerji ayrışıı olayı gerçekleşektedir Bu olay oldukça kopleks bir yapıdır [3] Vorteks tüpü ile aynı anda he soğua he de ısına işlei gerçekleşektedir [4] Vorteks 67
BAÜ Fen Bil Enst Dergisi (2004)62 tüpü, gazların içindeki nei ala işleleri için de kullanılaktadır [5] Vorteks tüpler üzerinde çalışalar uzun süredir deva etesine rağen, vorteks tüplerin içinde gerçekleşen olayın ateatiksel olarak çözüü oldukça zordur [6] Vorteks tüplerde bulunan sıcak çıkış tarafındaki vananın kısılası ile enerji ayrışa olayı gerçekleşektedir Bu da Joule- Thoson ekanizasıyla benzerlik gösterektedir [7] Vorteks tüpüne basınçlı akışkan, şekil 1 de görüldüğü gibi teğetsel olarak nozuldan verilir [8] 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 Dizayn özelliklerine göre; 1 Adyabatik vorteks tüpler, 2 Adyabatik olayan vorteks tüpler olak üzere sınıflandırılaktadırlar [9] Karşıt akışlı ve paralel akışlı vorteks tüpünün çalışa prensibi şekil 1 ve şekil 2 de veriliştir Şekil 1 Karşıt akışlı vorteks tüpünün yapısı [8] Basınçlandırılış akışkan işi Soğuk akış çıkışı Sıcak akış çıkışı Basınçlandırılış akışkan işi Şekil 2 Paralel akışlı vorteks tüpünün yapısı [9] 68
BAÜ Fen Bil Enst Dergisi (2004)62 2 VORTEKS TÜPÜNÜN ÇALIŞMA PRENSİBİ VE SOĞUTMA AMAÇLI UYGULAMA ALANLARI 21 Vorteks tüpünün çalışa prensibi Vorteks tüp ile iki farklı sıcaklıklarda akışkan elde edilesinin teel prensibi, şekil 3 de görüldüğü gibi iki farklı açısal hızlarda dönen akışlar arasında gerçekleşen ekanik enerji transferidir Basınçlı bir akışkan vorteks tüpüne, tüpün iş ağzında yer alan nozuldan geçerek vorteks tüpüne teğetsel olarak er Tüp işinde nozul kullanılasının sebebi, basınç düşürülerek hızın artasını sağlaaktır Nozul sonrası hız, tüpe en basınçlı akışkana bağılı olarak tüpün silindirik yapısından dolayı döneye başlar Çok yüksek açısal hızlarda dönen erkezdeki akış, erkezkaç kuvvetin etkisi ile tüp cidarına doğru açılaya zorlanır Tüp erkezindeki akışkan ile tüp cidarındaki akışkan arasında basınç farkı oluşur Sıcak akış W b > W a W b : Sıcak akışın açısal hızı W a : Soğuk akışın açısal hızı Soğuk akış W b Tüp cidarı W a Şekil 3 Vorteks tüpün içindeki sıcak ve soğuk akışın hareketi [8] Tüp cidarı ile tüp erkezi arasında oluşan iki farklı basınç nedeni ile akış erkezden tüp cidarına doğru genişler Merkezdeki 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 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 soğuk akış, tüp cidardaki sürtüne etkisi ve erkezdeki akıştan aldığı ekanik enerjiden dolayı tüp cidarındaki akış sıcak akıştır [9] 22 Vorteks tüplerin kullanı alanları Vorteks tüplerden aynı anda he sıcak he de soğuk akışkan elde edilektedir Vorteks tüplerinin kullanı alanları aşağıda addeler halinde veriliştir Vorteks tüpler; 1 Spot soğuta aacıyla, 2 Kiyasal analizlerde, 3 Orta sıcaklıklı kroatografik analizlerde, 4 Kroatografik şırınganın soğutulasında, 5 Çözeltilerin soğutulasında, 69
BAÜ Fen Bil Enst Dergisi (2004)62 6 Ne alınasında, 7 Kızılötesi analizlerde nuunenin soğutulasında, 8 Düşük sıcaklık işlelerinde, 9 Elektronik devrelerin soğutulasında, 10 Gaz endüstrisinde kuruta işlerinde, 11 Kar elde etek, aacıyla kullanılaktadır [9] 3 TERMODİNAMİĞİN 1 KANUNUNUN VORTEKS TÜPLERE UYGULANIŞI Bir iş ve bir çıkışlı sürekli akışlı açık sisteler için enerjinin korunuu denklei; Q W = ( h + ke + pe) (1) 1 nolu eşitlikteki; Q : Biri zaanda ısı geçişi, (kw) W : Güç, (kw) : Kütlesel debi, (kg/s) h : 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 yukarıdaki eşitlikteki ; h : Girişteki entalpi, (kj/kg) 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) [10] b b h = c p (T T refsıc ) (4) (3) 70
BAÜ Fen Bil Enst Dergisi (2004)62 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 ( T T ) + b c ( T T ) (8) p yukarıdaki eşitlikteki ; T : Girişteki akışkan sıcaklığı, (K) T a : Sıcak akışkanın sıcaklığı, (K) : Soğuk akışkanın sıcaklığı, (K) T b a p Vorteks tüplerinde y c olarak tanılanan eşitlik (9) nolu denkle ile veriliştir b b y c = (9) 1 (8) nolu eşitliğin her iki tarafı ile çarpıldığında (10) nolu eşitlik elde edilir T = a (T a T ) + b cp (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 4 DENEYSEL ÇALIŞMA 41 Deneysel sistein hazırlanası Bu çalışada, iç çapı 11, 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 kafes olarak geçiriliştir Vorteks tüpünün sıcak akışkanın çıkış ucuna hacisel debileri ayarlaak için bir kontrol valfi bağlanıştır Vorteks tüp, genişliği 50 c, yüksekliği 60 c, 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 71
BAÜ Fen Bil Enst Dergisi (2004)62 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 gösterge 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 Sıcak ve soğuk akışkanın sıcaklık değerleriyle birlikte hacisel debileri de okunuştur Daha sonra gösterge basıncı 15 bar olan 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 gösterge basıncı 15 bar olan basınç değerindeki deney yapılaya başlanıştır 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, ve 60 bar gösterge basınç değerleri için yapılan deneysel çalışalarda, 10 bar daki yapılan işleler tekrarlanıştır Vorteks tüpünde 10 bar ve 60 bar arasında basınçlı hava gönderilerek yapılan deneyler taalandıktan sonra hava kopresör bağlantısı sisteden çıkarılarak, yerine N 2 gazının uhafaza edildiği tüp bağlanıştır Vorteks tüpünde akışkan olarak kullanılan N 2 gazı için 10 bar ve 60 bar gösterge basınç değeri arasındaki deneysel işleler hava deneylerinde yapılan işlelerin aynısıdır Şekil 4 Deneysel siste 72
BAÜ Fen Bil Enst Dergisi (2004)62 5 BULGULAR ve TARTIŞMA 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 05 bar aralıklarla 60 bar a kadar değişik basınçlarda akışkan olarak hava ve N 2 gazı kullanılarak deneyler yapılış ve grafikler çiziliştir Şekil 5 de hava ya ait soğuk ve sıcak akışkanların hacisel debilerinin vorteks tüpüne iş basıncına göre değişi değerleri gösteriliştir Şekil 6 da ise Azot gazının soğuk ve sıcak akışkanların hacisel debilerinin vorteks tüpüne iş basıncına göre değişi değerleri veriliştir Hava ile azot gazının şekil 5 ve şekil 6 dan da görüldüğü gibi soğuk ve sıcak akışkanların hacisel debilerinin lineer bir doğru olarak artıştır 12 Hacisel debi, 3/h 10 8 6 4 2 Soğuk akışkan Sıcak akışkan 0 0 1 2 3 4 5 6 7 P, bar ekil 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 ve azot gazının soğuk akışın hacisel debisinin, sıcak akışın hacisel debisinden daha fazla olduğu deneysel olarak tespit ediliştir 12 Hacisal debi,3/h 10 8 6 4 2 0 Soğuk akışkan Sıcak akışkan 0 1 2 3 4 5 6 7 P, bar Şekil 6 Azot gazının vorteks tüpünden çıkan soğuk ve sıcak akışkanların hacisel debilerinin vorteks tüpüne işteki basınca göre değişii 73
BAÜ Fen Bil Enst Dergisi (2004)62 Hava ile azot gazının vorteks tüpünün soğuk çıkış tarafından çıkan akışkan sıcaklıkları dikkate alınarak ukayese edilirse; Azotun, 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 azot gazının soğuk çıkıştaki sıcaklığı ise 174 o C dir Şekil 7 de Havaya ait soğuk ve sıcak akışkan sıcaklık değerlerinin, vorteks tüpüne işteki basınç değerine göre değişii veriliştir Şekil 8 de ise azot a ait soğuk ve sıcak akışkan sıcaklık değerlerinin vorteks tüpüne iş basıncına göre değişii veriliştir Sıcaklık, o C 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7-10 P, bar Sıcak akışkan Soğuk akışkan Şekil 7 Havanın vorteks tüpünden çıkan sıcak ve soğuk akışkan sıcaklıklarının vorteks tüpe işteki basınca göre değişii 40 Sıcaklık, o C 30 20 10 0-10 -20 0 1 2 3 4 5 6 7 P, bar Sıcak akışkan Soğuk akışkan Şekil 8 Azot gazının vorteks tüpünden çıkan sıcak ve soğuk akışkan sıcaklıklarının vorteks tüpe işteki basınca göre değişii Şekil 9 da hava ve azot 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 azot gazının vorteks tüpünden çıkan sıcak akışkanın sıcaklığı ile soğuk akışkanın sıcaklıklarının 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 azot gazının T a T b değeri 459 o C olduğu deneysel olarak tespit ediliştir Havanın aksiu T a T b değeri 5 bar basınç ta 437 o C dir Havanın T a T b değeri 5 bar basınç dan sonra düşeye başlaıştır Şekil 9 dan da görüldüğü gibi, azot gazının, T a T b değeri hava ya göre sürekli olarak yükseliştir 74
BAÜ Fen Bil Enst Dergisi (2004)62 50 40 Ta-Tb, oc 30 20 Hava Azot 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 P, bar Şekil 9 Hava ve azot sıcak akışın sıcaklığı ve soğuk akışın sıcaklıkları farkının işteki basınca göre değişii 6 SONUÇ ve ÖNERİLER Bu çalışada, hacisel debileri ayarlaak için bir kontrol vanası hariç hiçbir hareketli parçası bulunayan vorteks tüpü kullanılıştır Deneysel çalışalarda, sıcak akışkan çıkış tarafındaki kontrol vanası ta açık konuunda bırakılıştır Yapılan deneylerde 10 bar gösterge basıncında başlayarak 05 bar aralıklarla 60 bar a kadar değişik basınçlarda, hava ve N 2 gazı ayrı ayrı vorteks tüp sisteine uygulanıştır Vorteks tüpünde oluşan enerji ayrışa 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 N 2 gazının değişik basınçlardaki perforansları deneysel olarak inceleniştir Vorteks tüpünde yapılan deneyler sonucunda akışkan olarak N 2 gazı kullanıldığında, soğuk akışkanın çıkış sıcaklığının perforansının havaya göre daha düşük olduğu deneysel olarak tespit ediliştir Vorteks tüpüne en akışkanın iş basıncı arttırıldıkça, soğuk çıkıştaki akışkanların sıcaklığı he havada he de azot gazında düşektedir Azot gazının havaya göre soğuk çıkış akışkan sıcaklığının daha düşük olduğu görülüştür Sıcak çıkıştaki akışkanın sıcaklığı ile soğuk çıkıştaki akışkanın sıcaklığı arasındaki fark (T a -T b ) hava ile azot gazı ukayese edildiğinde, azot gazının perforansı hava ya göre daha yüksek olduğu deneysel olarak görülüştür Vorteks tüpüne iş basıncı arttıkça hava ile azot gazının soğuk çıkış tarafındaki soğuta sıcaklığıda düşektedir Yapılan deneysel çalışa sonuçları dikkate alınırsa, havada bulunan azot iktarı arttırıldığında, soğuk çıkıştaki akışkan sıcaklığının daha da soğuk olacağı düşünülektedir Hava ile azot gazının vorteks tüpüne iş basıncı arttırıldığında sıcak çıkış ve soğuk çıkış sıcaklıklarının farklarının da artacaktır 75
BAÜ Fen Bil Enst Dergisi (2004)62 7 KAYNAKLAR [1] Özkul N, Uygulaalı Soğuta Tekniği, Ankara Makina Mühendisleri Odası Yayın No:115, s: (1999) [2] Dincer K, Başkaya Ş, Üçgül İ, Uysal B Z, Giriş ve Çıkış Kütlesel Debilerinin Bir Vorteks Tüpün Perforansına Etkisinin Deneysel İncelenesi, 14Ulusal Isı Bilii ve Tekniği Kongresi Bildiri Kitabı, Ed İ Üçgül ve B Z Uysal Isparta, s13-18, 2003 [3] Cockerill T, The Ranque Hilsch vortex Tube, Ph D Thesis, Cabridge University Engineering Departent, Susderland, 1995 [4] Althouse A D, Turnquist C H, Bracciano A F, Modern Refrigeration and Air Conditioning, South Holland The Goodheart-Willcox Copany Inc, s: (1979) [5] Bruno T, Laboratory Applications of Vortex Tube, Journal of Cheical Education, 64: (11), 987-988, (1987) [6] Gulyaev A I, Investigation of Conical Vortex Tubes, Inzherno-Fizicheskii Zhurnal, 10: (3), 326-331, (1966) [7] Hajdık B, Lorey M, Steınle J, Thoas K, Vortex Tube can Increase Liquid Hydrocarbon Recovery at Plant Inlet, Oil-Journal, 8: 76-83, (1997) [8] Fröhlıngsdorf W, Unger H, Nuerical Investigations of Copressible Flow and the Eneryg Seperation in the Ranque-Hilsch Vortex Tube ınt International Journal of Heat and Mass Transfer, 42: 415-422, (1999) [9] Özgür A E, Vorteks Tüplerin Çalışa Kriterlerine Etki Eden Faktörlerin ve Endüstrideki Kullanı Alanlarının Tespiti, Yayınlanış Yüksek Lisans Tezi, Süleyan Deirel Üniversitesi, Fen Bil Enst, Isparta, (2001) [10] Çengel Y, Boles M, Mühendislik Yaklaşııyla Terodinaik, İstanbul Literatür Yayıncılık Ltd, s: (1996) [11] Stephan K, Lin S, Durst M, Huang F, Seher D, An Investigation of Energy Separation In A Vortex Tube, Journal of Heat Mass Transfer, 26, (3), 344-348, (1983) 76