YOĞUŞMA DENEYİ Arş. Gör. Emre MANDEV 1. Giriş Yoğuşma katı-buhar ara yüzünde gerçekleşen faz değişimi işlemi olup işlem sırasında gizli ısı etkisi önemli rol oynamaktadır. Yoğuşma yoluyla buharın sıvıya dönüştürülmesi buhardan katı yüzeye ısı verilmesi suretiyle gerçekleşir. Yoğuşma işleminde akışkan hareketi söz konusu olduğundan, bu işlem sırasında gerçekleşen ısı alış verişi taşınım yoluyla ısı transferi kapsamında değerlendirilir. Ancak, bu işlem sırasındaki faz değişimi nedeniyle katı yüzeyle akışkan arasındaki ısı alış verişinin akışkan sıcaklığını etkilemeden gerçekleşmesi ısı taşınımının diğer türlerine göre farklılık arz etmektedir. Yoğuşmayı gerçekte önemli ve özel kılan şey aslında çok küçük sıcaklık farkları altında yüksek mertebelerde ısı transferinin gerçekleşebiliyor olmasıdır. Akışkanın sıvı fazındaki yoğunluğu ile buhar fazındaki yoğunluğu arasındaki fark nedeniyle faz değişimi işlemi sırasında g(ρl ρv) ile orantılı bir kaldırma kuvveti oluşur ve bu kuvvet de bir doğal taşınımın ortaya çıkmasına yol açar. Böylece, gizli ısı ve doğal taşınımın birleşik etkisiyle, yoğuşma işlemi sırasındaki ısı taşınım katsayısı, faz değişiminin olmadığı durumlardaki ısı taşınım katsayısına göre çok daha büyük değer almaktadır. Aynı cümleleri kaynama içinde kurabiliriz. Şekil 1. Deney Düzeneği
1. Yoğuşturucular 2. Isı değiştirgeci 3. Buhar tutucusu 4. Sıcaklık, kütlesel debi ve basınç göstergeleri 5. Isıtıcı 6. Soğutma suyu bağlantıları 7. Su jeti pompası 8. Sıcaklık sensörü 9. Soğutma suyu ayar valfi 10. Soğutma suyu kütlesel debisi sensörü 2. Yoğuşmada Isı Transferi Bir buharın sıcaklığı doyma sıcaklığının altına düşürüldüğü zaman yoğuşma meydana gelir. Endüstriyel cihazlarda yoğuşma işlemi, buharın soğuk bir katı yüzeyle temas etmesi sonucu gerçekleşir ki bu tür bir yoğuşma yüzey yoğuşması olarak isimlendirilir. Yoğuşma işlemi sırasında açığa çıkan buharın gizli enerjisi (ısısı) yüzeye geçer ve yüzeyde yoğuşuk oluşur. Bilinen diğer yoğuşma şekilleri homojen yoğuşma ve doğrudan temas yoğuşmasıdır. Bunlardan birincisinde, buharın başka bir gaz içerisinde damlacıklar halinde yoğuşup asılı kalarak sis oluşturması söz konusu iken; ikincisinde, buharın soğuk bir sıvının serbest yüzeyi ile temas etmesi sonucu yoğuşması söz konusudur. Yukarıda belirtildiği gibi, endüstriyel cihazlarda çoğunlukla karşılaşılan yoğuşma yüzey yoğuşması şeklindedir ve yüzey yoğuşması da film şeklinde yoğuşma ve damlacık şeklinde yoğuşma olmak üzere iki farklı şekilde oluşabilir. Film şeklinde yoğuşma genellikle temiz ve düzgün yüzeylerde meydana gelirken, damlacık şeklinde yoğuşma daha çok kirli veya kolay ıslanabilme özelliği taşıyan malzemelerle (silikon, teflon, çeşitli vakslar ve yağ asitleri gibi) kaplanmış özel yüzeylerde meydana gelir. Damlacık oluşumu yüzeydeki çatlak, oyuk ve çukurlarda başlayıp yer çekimi etkisiyle aşağıya doğru kümelenip akma şeklinde devam eder. Şekil 2. Film ve Damlalı Yoğuşma
Yoğuşma ister film şeklinde isterse damlacık şeklinde olsun; yoğuşuk, buharla soğutucu yüzey arasında, yoğuşuk kalınlığıyla orantılı bir ısıl direnç oluşturur. Yoğuşuk kalınlığı da, film yoğuşması halinde, akış doğrultusunda ilerledikçe büyüdüğünden endüstriyel uygulamalarda ya kısa düşey yüzeyler, ya da yatay silindir şeklinde yüzeyler tercih edilir. Bu yüzden çoğu yoğuşturucu, içerisinden bir soğutucu akışkan akan yatay boru demetleri şeklinde yapılır ve boruların dış tarafından da yoğuşturulacak buhar geçirilir. Isı transferi açısından damlacık yoğuşmasının daha etkin olmasına karşılık, yüzeyin sürekli olarak damlacık yoğuşması rejiminde tutulması güç olduğundan, yoğuşturucu tasarım hesaplamaları çoğu zaman film yoğuşması esas alınarak yapılır. Şekil 3. Endüstriyel Yoğuşturucu Örneği 2. 1. Film Yoğuşma Boru çapının film kalınlığına göre büyük olduğu durumda düşey boruların dış yüzeyinde laminar film yoğuşma için ortalama ısı transferi katsayısı aşağıdaki gibi hesaplanır. Burada; h film = 0.943 [ gρ l(ρ l ρ v )h 3 1/4 fg k l ] μ l (T doy T s ) g = yerçekimi ivmesi (m/s 2 ) ρl ve ρv = sıvı ve buharın özgül kitleleri (kg/m 3 ) μl = sıvının viskozitesi (kg/m.s) kl = sıvının ısıl iletkenliği (W/m. C) L = sülündür yüksekliği (m) Ts = plaka yüzey sıcaklığı ( C) Tdoy = yoğuşan akışkanın doyma sıcaklığı ( C) ( W. C) 0 < Re < 30 m2
cpl = sıvının ısıl kapasitesi (W/kg.K) h fg = h fg + 0.68c pl (T doy T s ) olarak tanımlanmıştır. Sıvı özellikleri muhakkak film sıcaklığına göre okunmalıdır ( T f = (T s + T doy )/2 ). 2. 2. Damlacıklı Yoğuşma Damlacıklı yoğuşma birçok yüzey-akışkan ikilisiyle deneysel olarak çalışılmaktadır. Bunlardan bakır yüzeylerde buharın yoğuşması üzerine olan çalışmalar en çok dikkati çekmiştir. P. Griffith (1983), bakır yüzeylerde buharın damlalı yoğuşması için şu basit bağıntıyı vermiştir. h damlacıklı = ( 51.104 + 2044T 22 < T doy < 100 255,310 T doy > 100 ) ( W m 2. ) 2. 3. Deneysel Verilerin Kontrolü Deney düzeneğinde soğutucu akışkan giriş çıkış sıcaklıkları arasında aşağıdaki bağıntı yazılabilir. Q = m c P (T çıkış T giriş ) = ρv c P (T çıkış T giriş ) Bu bağıntıdan elde edilen enerji değeri yoğuşan sudan soğutma suyuna geçen enerjidir. Yoğuşan akışkanın yüzeye transfer ettiği enerji aynı zamanda aşağıdaki gibi de ifade edilebilir. Bu bağıntılarda gerekli akışkan özellikleri ortalama akışkan sıcaklığı dikkate alınarak belirlemnmelidir. Q = h y A(T doy T s ) Hesaplanan film ve damlacıklı yoğuşma ısı transferi katsayıları, yukarıda verilen bağıntılar ile karşılaştırılmalıdır. Deneyin Amacı 1. Sistemde iki farklı yüzey üzerinde oluşan iki farklı yoğuşma mekanizmasını gözlemlemek. 2. Düzenekten alınan veriler yardımıyla damlacıklı ve film yoğuşma ısı transferi katsayılarını belirlemek.
Deneyin Yapılışı 1. Tankı 90-100 C ye ısıtın. 2. Hem yüzey sıcaklıkları arasındaki gerekli fark hem de buhar sıcaklığı elde edilsin diye soğutma suyu kütlesel debisini ayarlayın. 3. Buhar sıcaklığı sabit kalsın diye ısıtıcı gücünü ayarlayın. 4. Gerekirse doğru sıcaklık farkı için soğutma suyu kütlesel debisini tekrar ayarlayın. 5. Yoğuşma prosesi yoğuşma borularında açık şekilde gözlemlenebilir. 6. Tüm sıcaklık ve kütlesel debileri okuyun, not edin ve değerlendirin. Rapor İçeriği 1. Öğrenci adı, soyadı, numarası, grup numarası, deney tarihi ve deney adının belirtildiği rapor kapağı hazırlanacak (Çıktı Alınacak). 2. Ekte verilen tablo (Çıktı Alınıp Elle Doldurulacak). 3. Hesaplamalar (Bilgisayar çıktısı olmayacak). 4. Deney sonrasında yürütücünün verdiği ödev (Her hafta değişiklik gösterecektir).
Adı Soyadı: Tarih: Buhar Yüzey Arasındaki Sıcaklık Farkı: Basınç: Film Yoğuşma Damlacıklı Yoğuşma Soğutma Giriş Sıcaklığı T1 T4 Soğutma Çıkış Sıcaklığı T2 T5 Yüzey Sıcaklığı T3 T6 Buhar Sıcaklığı T7 Soğutma Debisi F1 F2 Yüzey Alanı A 0.00426 m 2 Film Sıcaklığında Ortalama Sıcaklıkta Sıcaklık (Ts+Tdoy) / 2 (Tg+Tç) / 2 Yoğunluk Isıl Kapasite