itüdergii/d ühendilik Cilt: 8, Sayı:, 8-9 Nian 9 Teroakutik oğutucu analizi İbrahi GİRGİN *, A. Feridun ÖZGÜÇ İTÜ Fen Bilileri Entitüü, Makine Mühendiliği Enerji Prograı, 34469, Ayazağa, İtanbul Özet Se dalgaları içeriindeki baınç alınıları ile birlikte gerçekleşen ıcaklık alınıları onucu akışkan e akışkana tea eden katı yüzey araındaki ııl etkileşiler teroakutik olarak adlandırılır. Teroakutik itelerin aliyetlerinin düşük, yapılarının bait olaı, atofere zarar eren gazlar kullanaaı, hareketli parçalarının bulunaaı gibi ebeplerle, klaik oğuta itelerine göre pratikteki erilerinin düşük olalarına rağen üzerlerindeki ilgi artarak dea etiştir. Teroakutik oğutucular geleceğin oğuta teknolojilerinden birii olaya adaydır. Bu çalışada atoferik haa ile çalışan bait bir teroakutik oğutucu dizayn e inşa ediliş, daha onra ite üzerinde çeşitli incelee e analizler yapılıştır. Sitein rezonan frekanları birinci haronikten itibaren yaklaşık olarak Hz, 8 Hz, 3 Hz olarak ölçülüştür. Akutik kaynak olarak bir hoparlör kullanıldığından ideal rezonan tüpünden farklı olarak kapalı uçta hız nodunun oluşadığı görülüştür. Daha onra itedeki baınç dağılıının şeklinin akutik kaynak genliğine bağlı olarak değişii inceleniştir. Ardından üç farklı uzunlukta yığın kullanılarak farklı yığın poziyonlarında yığın üzerindeki ıcaklık dağılıları e yığın uçları araındaki ıcaklık farkları ölçülüş e teoriyle karşılaştırılıştır. Yığınların her iki ucu araında en yükek 7.6 o C ıcaklık farkı ölçülüştür. Daha onra rezonan tüpü içeriinde yığının arlığının e poziyonunun itein baınç dağılıı e rezonan frekanı üzerine etkileri inceleniştir. Yığının ite içindeki arlığının e poziyonunun ite çalışa frekanını e baınç antinod poziyonunu etkilediği gözleniştir. Son olarak itein çalışa frekanındaki kayaların ite perforanı üzerine etkileri inceleniştir. Anahtar Kelieler: Teroakutik, teroakutik oğutucu, teroakutik akine. * Yazışaların yapılacağı yazar: İbrahi GİRGİN. girginibrahi@gail.co; Tel: (533) 5 48 7. Bu akale, birinci yazar tarafından İTÜ Fen Bilileri Entitüü, Makine Mühendiliği Enerji Prograı nda taalanış olan "Teroakutik oğutucu analizi" adlı doktora tezinden hazırlanıştır. Makale etni..7 tarihinde dergiye ulaşış, 3..8 tarihinde baı kararı alınıştır. Makale ile ilgili tartışalar 3.7.9 tarihine kadar dergiye gönderilelidir.
İ. Girgin, A. F. Özgüç Analyi of theroacoutic cooler Extended abtract Acoutic wae conit of preure, diplaceent and teperature ocillation a a repone to the preure ariation. The interaction of thee effect in ga cloe to a olid urface generate theroacoutic ocillation. At the olid urface heat can be extracted or upplied to the ga. The reult of thi interaction i that acoutic work i aborbed in order to tranport heat, generating a teperature gradient along the olid urface. While in the reere cae a ound wae i utained in cae of a large teperature gradient along the olid urface. Utilizing thi effect, heat can be tranferred fro a low teperature ource to a high teperature ource by a theroacoutic refrigerator, while the oppoite proce can be achieed by a theroacoutic prie oer which conert heat applied on olid urface to acoutical work. Theroacoutic effect hae attracted the cientit attention for oer two centurie. But a quantitatiely accurate undertanding wa not achieed until Rott (969) tudie, which ha been confired experientally by Yazaki et al (979). Many theroacoutic engine hae been contructed and analyzed till now with an increaing interet. One reaon for the increaing interet in theroacoutic i fro it potentiality of enironent protection. Conentional refrigerator with freon ga a their working fluid are being prohibited becaue of it detruction of ozone layer. But the theroacoutic engine do not ue any harful working fluid. They ue ainly heliu, or heliu with argon, neon, xenon or uch inert gaeou. The other reaon i that conentional yte hae oing part, o they are le reliable and ore expenie than theroacoutic deice. Becaue theroacoutic deice ue no oing part, no cloe tolerance, no exotic aterial, the interet on theroacoutic engine hae increaed a lot. In thi tudy a theroacoutic cooler working with atopheric air wa deigned and contructed. A yteatical approach wa followed to deign the deice which had been propoed by Tijani. The yte wa contructed with a peaker a the acoutical ource, reonator, tack at different length, tack holder, ignal generator, aplifier, teperature and preure eaureent yte. After contructing the theroacoutic deice, preure ditribution in the reonator at ariou reonance frequencie were exained. The reonance frequencie of the yte were approxiately eaured at Hz, 8 Hz and 3 Hz tarting fro the firt haronic. The theoretical and experiental preure ditribution were copared. Change of preure antinode poition with repect to acoutical ource aplitude at reonance frequencie were tudied theoretically and experientally. The analytical and experiental reult were copared. Three tack at different length were contructed. After that the teperature ditribution on the tack at different tack poition were exained and copared to the theoretical reult with and without taking care of axial conduction effect. The axiu teperature difference, eaured between the tip of the tack are.4 o C ( c length tack),.4 o C (5 c length tack), 7.6 o C ( c length tack). It wa concluded that the axial conduction effect are iportant in a yte at low power. It wa alo eaured the teady tate teperature ditribution on tack, and it wa een that it wa linear a it hould be. Later it wa exained how the exitence and the poition of the tack affect the preure ditribution and the reonance frequency of the yte. It wa concluded that the exitence and the poition of the tack in the reonator affect the reonance frequency and preure antinode poition. In the experient, it wa eaured that the reonance frequency of the yte wa changed between 8 Hz and Hz depending on the tack poition while the reonance frequency of the epty reonator i Hz. Depite the fact that preure antinode poition fro open end of the reonator wa eaured 7 c at epty reonator reonance frequency, it wa obered that the preure antinode poition decreaed down to 66 c a a reult of the tack inide the reonator. At the end it wa exained how light frequency change affect the yte perforance. It wa eaured that a few Hertz frequency change doe not affect the yte perforance a lot, but there i a harp decreae at the yte perforance if the frequency change are larger than a few Hertz. Keyword: Theroacoutic, theroacoutic cooler, theroacoutic engine. 8
Teroakutik oğutucu analizi Giriş Se dalgaları, baınç e hız bileşenlerini içeren küçük alınılar olarak düşünülebilir. İnan kulağını oldukça rahatız eden bir e dalgaı bile küçük bir alınıdır, çünkü böyle bir dalganın baınç genliği atoferik baıncın x -4 katı ertebelerindedir. Akutik dalgalarda baınç e hareket alınılarının yanında, baınç alınılarından kaynaklanan ıcaklık alınıları da eydana gelektedir. Bahe konu bu etkiler alını yapan bir gazın içeriindeki katı bir yüzeyde teroakutik etkileşileri eydana getirir. Günlük hayatta da benzer etkiler oluşakta, fakat noral eiyedeki bir konuşada baınç değişilerinden kaynaklanan haadaki ıcaklık değişileri -4 o C ertebelerinde olduğundan bu etkiler fark edileeektedir. Teroakutik itelerde ıcaklık değişii ile birlikte ıı geçişinin daha hızlı gerçekleşebilei için uygun baınç artış/azalışlarını ağlaak üzere günlük hayattaki e dalgalarından daha yükek genlikli dalgalar kullanılır. Şekil de teroakutik oğuta ilkei görülektedir. Şekil (a) da bir ucu kapalı, diğer ucunda hareketli bir piton bulunan itede piton abit bir frekanla alını yapaktadır. Sitede akutik dalga onucu eydana gelen baınç artış/azalışları onucu gazın ıcaklığı da artakta/azalakta e gaz ile yanındaki katı yüzey araında ıı geçişi eydana gelektedir. Şekil (b) de piton ağa doğru hareket etekte, bu enada şekilde görülen dikdörtgen şeklindeki bir gaz parçacığını da ağa kaydıraktadır. Hareket eden e baıncı artan gaz parçacığının baınca bağlı olarak ıcaklığı da artaktadır. Şekil (c) de ıcaklığı ilindir yüzey ıcaklığının üzerine çıkan gaz parçacığından kendiinden daha düşük ıcaklıktaki tea ettiği katı yüzeye ıı geçişi eydana gelektedir. Şekil (d) de alını yapan piton ola doğru hareket etekte, baıncı azalan parçacığın ıcaklığı da baınç düşüüyle doğru orantılı olarak düşektedir. Şekil (e) de ıcaklığı tea ettiği katı yüzeyin ıcaklığının altına düşen gaz parçacığı duardan ıı çekektedir. Bu çeri tek bir gaz parçacığı için değil de yüzeye tea eden bütün parçacıklar için düşünülecek olura yüzeye tea eden parçacıklar oldan ağa doğru ıı taşıaktadırlar. Hareket eden pitonun frekanı gazı rezonana okacak şekilde ayarlanır. Katı yüzey e akışkan araında ıı geçişinin gerçekleştiği ııl nüfuz derinliği ilietre ertebelerinde olduğundan oğutucunun pratikte kullanılabilei için ıı geçiş yüzeyinin arttırılaı gerekir. Bu akatla tüpün uygun bir noktaına dizayna bağlı olarak aralarındaki eafe en az ııl nüfuz derinliğinin iki katı olan Yığın adı erilen bir leha deeti konur. Ho- Salını yapan piton Gaz parçacığı (a) (b) (c) (d) dq H (e) dq L Şekil. Salını yapan piton-ilindir iteinde oluşan teroakutik etki 83
İ. Girgin, A. F. Özgüç parlörün çalışaıyla bir uçtan diğer uca taşınan ııdan dolayı yığın üzerinde bir ıcaklık dağılıı eydana gelecektir. Yığının her iki ucuna onte edilen ıı eşanjörleri ile yığının ıcaklığı azalan ucundan yararlanılarak oğuta yapılacak, ıcaklığı artan taraftaki ıı eşanjöründen atık ıı dış ortaa erilecektir. Bu şekilde eydana getirilen, uzunluğu dalga boyunun dörtte biri kadar olan bait bir teroakutik oğutucu e ite içeriindeki hız e baınç dağılıları Şekil de görülektedir. Teroakutik konuunda on yıllarda yapılan pek çok çalışa ecuttur. Yapılan bazı prototip oğutucular uzay ekiği Dicoery de (993), Aerikan aaş geii USS Deyo da (), ticari bir uygulaa olarak doğalgazın ıılaştırılaında (997) kullanılıştır. Qiu e diğerleri helyu kullanan bir teroakutik oğutucu ile 8 K ıcaklığa ulaştıklarını belirtiştir (5). Chen e diğerleri teroakutik itelerde ıı geçişinde Nuelt ayıı önerirken (7) Piccolo e Pitone ayıal çalışalar yapışlardır (7). Akutik dalga Q L Q H Sitein dizaynı Teroakutik bir akinede yığın üzerinde taşınan ıı, yığın tarafından üretilen ya da eilen iş denkleleri Swift (988) tarafından ortaya konuştur: Rezonan tüpü Hız Soğuk ıı eşanjörü Yığın Sıcak ıı eşanjörü Iı denklei: H& = 4 Πδ k T βp ( + ε )( + σ )( δ y + δ ) u o y o Baınç + σ + σ + σε Γ + + σ Π dt ( yo K + lk ) dx δ σ y o () Şekil. Bait bir teroakutik ite e ite içinde oluşan hız e baınç dağılıları Rezonan tüpü adı erilen, içeriinde rezonanın eydana geldiği tüpte hızın ıfır olduğu hız nodu kayaa ınır koşulundan kapalı uçta oluşurken hızın en yükek alını yaptığı hız antinodu rezonan tüpünün açık ucunda oluşacaktır. Akışkanın rezonan tüpü içeriindeki alınıından dolayı en yükek baınç genliği yani baınç antinodu tüpün kapalı ucunda oluşurken baınç nodu tüpün açık ucunda yer alacaktır. Yığını oluşturan paralel plakaların ağ tarafında ıcaklık artarken buraya taşınan Q H atık ııı çere ortaa erilektedir. Teroakutik etkiden dolayı yığının ol tarafında ıcaklık azalakta, ıı değiştirici ile dış ortadan ıı çekilerek oğuta ağlan-aktadır. İş denklei: W& = Πδ x k 4 ( γ ) ω( p ) ρ a ( + ε ) Γ ( + σ )( δ y o + δ y ) o ωρ u Πδ x () 4 ( δ y + δ ) o y o Swift teroakutik denklelerde kullanılabilecek boyutuz değişkenler öneriş, Tijani ekenel ıı ileti etkilerini ihal ederek bu boyutuz değişkenleri kullanarak Denkle () e Denkle () yi boyutuzlaştırıştır. Ekenel ıı ileti etkileri göz önüne alınarak Denkle () tekrar boyutuzlaştırılacak olura: 84
Teroakutik oğutucu analizi Q cn δ D in(x ) kn n = 8γ ( + σ )Λ T tan( x ) + σ + σ n n ( γ ) BLn + σ * K B + B K T (3) ( + σ σ δ ) kn pt [ ( ) ] n Λ = σ δ kn + σδ, kn KT K PT =, pal elde edilir. K * K = K Denkle () boyutuzlaştırılacak olura boyutuz iş denklei: δ L D kn n W = γ n 4γ ( ) Bco( x ) T tan( x ) ( ) n n BL ( γ ) + σ Λ n δ knlnd σ in( xn) 4γ BΛ olarak bulunur. Bu duruda oğutucu için etkinlik katayıı: Q n (4) cn COP = (5) Wn olarak yazılır. Dizayn iteatiği Teroakutik ite Tijani tarafından ortaya konan iteatik kullanılarak taarlanıştır:. Tablo de görüldüğü şekilde ite için dizayn paraetreleri belirleniştir. Tablo. Dizayn değişkenleri Aracı gaz Haa p at D. f Hz T 5 K B.9. Farklı x n, L n değerleri için Denkle (3), Denkle (4) e Denkle (5) kullanılarak Şekil 3 te görülen etkinlik katayıı eğrileri çiziliştir. COP 35.5 5.5 Şekil 3. COP eğrileri 3. Farklı x n, L n değerleri için Denkle (3) ten yararlanılarak itenen oğuta gücüne karar erilebilei için Şekil 4 te görülen Q cn eğrileri çiziliştir. Daha onra Şekil 3 e Şekil 4 ten faydalanılarak itenen COP e Q cn değerleri için x n e L n değerlerine karar eriliştir. Qcn 3 4...3.4.5.6.7 x -6 7 6 5 4 3 Şekil 4. Q cn eğrileri 4. Boyutuz taşınan ıı Q cn in tanıından faydalanılarak yığının keit alanına A = H& Q p a karar eriliştir. xn=.5 xn=. xn=.5 cn xn=. xn=.3 xn=.45 xn=.6 Ln xn=. xn=.78 xn=.45 xn=.78 xn=.5...3.4.5.6.7 Ln 85
Sitein ialatı Belirtilen dizayn iteatiği kullanılarak bir teroakutik oğutucu inşa ediliştir. Farklı yığın uzunlukları e farklı yığın poziyonlarında ite üzerinde analizler yapılacağından dolayı yığının yeri abitleneiş, ölçüler ıraında yığın bir yığın uhafazaı içinde rezonan tüpü içeriinde erbetçe hareket ettiriliştir. İ. Girgin, A. F. Özgüç Sitede akutik kaynak olarak Şekil 5 te görülen Bot BW 8- Way odel bir hoparlör kullanılıştır. Hoparlör çapı rezonan tüpü çapından büyük olduğundan şekilde hoparlöre bağlı olarak görülen konik boru ile rezonan tüpüne bağlantı yapılıştır. Şekil 6 da görülen PVC boru konik boruya birleştirilerek rezonan tüpü oluşturuluştur. Yığın olarak Şekil 7 de görülen 3 çapında, ııl iletkenlik katayıı K=.5 W/K olan polipropilen lionata kaışları kullanılıştır. Şekil 5. Akutik kaynak e konik adaptör Şekil 6. Rezonan tüpünün genel görünüşü Şekil 7. Yığın e yığın tutucu c, 5 c e c uzunluktaki çubuklardan üç farklı yığın ial edilerek yığın uhafazaı içeriine yerleştiriliş e rezonan tüpü içeriinde kaydırılarak çeşitli yığın poziyonlarında yığın üzerindeki ıcaklıklar ölçülüştür. Kurulan teroakutik itein oğuta gücünün düşük olaı, çalışanın aacının çeşitli poziyonlarda yığın üzerindeki ıcaklık farklarının ölçülei, rezonan tüpü içeriindeki baınç dağılıı e rezonan frekanlarının incelenei olaından dolayı ıı değiştirici kullanılaıştır. Kurulan teroakutik itein ölçüleri Şekil 8 de görülektedir. Deneyel onuçlar Teroakutik oğutucularda rezonan frekanında rezonan tüpü içeriinde duran dalga olarak alını yapan gazın e akutik kaynağın frekanı birbirine eşit olur. Böylece akutik dalga duran dalganın üzerine binerek onu güçlendirici yönde etki yapar. Bundan dolayı ite içeriinde alını yapan baınç en yükek değerine ulaşır. Çap=7 c 6 c 33 c 4 c Şekil 8. Taarlanan e kurulan teroakutik oğutucu 86
Teroakutik oğutucu analizi Sitede hoparlör yüzeyi gibi hareketli yüzey bulunaaı duruunda Şekil de görüldüğü gibi, bir tarafı açık rezonan tüpünün boyu, kullanılacak akutik dalga boyunun dörtte biri olacaktır. Sitein çalışa frekanı e rezonan tüpü boyu bu şekilde tepit edilebilir. Fakat rezonan tüpünün bir ucu abit değil de hoparlör yüzeyi gibi hareketli bir yüzey olduğunda artık kapalı uçta hız nodu oluşayacak, rezonan tüpünün boyu da λ 4 olayacaktır. İdeal duruda rezonan tüpü içeriinde baınç dağılıı kapalı uçta baınç antinodu, açık uçta baınç nodu olacak şekildedir. Fakat ecut duruda yığının poziyonunu belirleyebilek üzere çalışa frekanında tüp içeriindeki baınç dağılıının bulunaı gereklidir. Rezonan frekanları Baınç dağılıının bulunabilei için öncelikle itein rezonan frekanlarının bulunaı gereklidir. Bunun için deneyel çalışalara öncelikle rezonan frekanlarının bulunaı ile başlanıştır. Kullanılan deney eti Şekil 9 da görülektedir. X Voltetre, V (Baınç) Sinyal Jeneratörü Afi Şekil 9. Rezonan frekanlarının bulunaı için kullanılan deney eti Rezonan frekanını tepit etek için rezonan tüpü içeriinde hareket edebilen bir dinaik baınç algılayıcıı üç farklı abit poziyonda düşük akutik inyal genliğinde ölçü yaparken inyal kaynağının frekanı değiştirilerek frekan taraaı yapılıştır. Farklı X poziyonlarında (X= c, X=3 c, X=75 c) dinaik baınç algılayıcıından okunan değerler grafik haline dönüştürüldüğünde Şekil ortaya çıkıştır. Şekilde görüldüğü üzere her üç baınç algılayıcı poziyonunda da frekan değerleri Hz, 77. Hz, 3 Hz e 436 Hz olduğunda baınç genlikleri tepe noktaına çıkaktadır. Bu değerler itein rezonan frekanlarıdır. Baınç, kpa.9.8.7.6.5.4.3.. 3 4 5 Frekan, Hz X= c X=3 c X=75 c Şekil. Çeşitli poziyonlarda frekana göre genlik değerleri Deneyel olarak bulunan rezonan frekanları Tablo de görülektedir. Tablo. Sitein rezonan frekanları Deneyel frekan, Hz.Haronik.Haronik 77. 3.Haronik 3 4.Haronik 436 Baınç dağılıları Şekil da ortaya çıkan rezonan frekanı değerlerinde rezonan tüpü içeriindeki baınç dağılılarının ortaya konaı önelidir, çünkü yığının baınç e hız nodları üzerinde bulunaı oğutanın yapılaaaına neden olacaktır. Yığının uygun bir baınç dağılıı üzerinde bulunaı gereklidir. Ayrıca yığının içeriine konacağı baınç alanının uzunluğunun yığın uzunluğuna göre uygun bir değerde olaı gereklidir. Şekil 9 da görülen deney eti kullanılarak tepit edilen rezonan frekanlarında boş rezonan tüpü içeriindeki baınç dağılıları ölçülüştür. Baınç dağılıı yığının poziyonunu belirlediğinden dolayı bulunaı önelidir. İlk iki haronikte ölçülen baınç dağılıları Şekil e Şekil de görülektedir. Şekil incelenecek olura ta bir inü dalgaının çeyreği ile yarıı araı bir parçaı görülektedir. Hoparlör tarafında hız ıfır olaydı baınç da burada en yükek alınıı ya- 87
İ. Girgin, A. F. Özgüç akutik oğutucular. rezonan frekanında çalışırlar. Rezonan tüpü içindeki baınç dağılıı.45 Baınç Antinodu.4 Q Baınç, kpa.35 Baınç antinodunun poziyonunun akutik baınç genliğinin fonkiyonu olup oladığı öneli bir orudur. Bu orunun ceabını bulabilek için farklı akutik genliklerde (farklı hoparlör akılarında) ölçüler yapılış e onuçlar Şekil 3 te grafikel olarak göteriliştir. Q.3.5 7.5 c..5 f= Hz. Baınç Nodu.5 Rezonan tüpü içindeki baınç dağılıı 4 6 8 X poziyon, c I=.4 A A I=.4 I=.8 A I=.5 A.8 Şekil. Birinci haronikte baınç dağılıı Baınç Genliği, kpa.7.6 Rezonan tüpü içindeki baınç dağılıı.5.5.4 Q f=77. Hz Q.4.3 Baınç, kpa...3 4 6 8 X poziyon, c. 95 c Şekil 3. Birinci haronikte baınç dağılıları Baınç Nodu. Şekilde görüldüğü üzere rezonan tüpü içeriinde baınç genliği değişe bile baınç dağılıı şekli benzer kalaktadır. Baınç antinodu her üç baınç dağılıında da aynı poziyondadır. Sonuç olarak akutik kaynak olarak hoparlör kullanan itelerde baınç dağılıının şeklinin akutik genliğe bağlı oladığı öylenebilir. Sitein. haroniğinin belirleneinin öneli olduğu belirtilişti.. haronikta rezonan tüpü içeriindeki baınç e hız dağılıı: Baınç Nodu.5 4 6 8 X poziyon, c Şekil. İkinci haronikte baınç dağılıı pacak, Şekil de olduğu gibi çeyrek inü dalgaı ortaya çıkacaktı. Fakat hoparlör yüzeyinde hız, yüzey ınır koşulundan dolayı hoparlör titreşi hızına eşit olacağından artık hoparlör yüzeyinde hız nodu yani baınç antinodu oluşayacak, baınç antinodu farklı bir yerde oluşacaktır. pa co(kx ), p ( X ) = p A in (kx ) ρa πl λ= (6) Uρ a Arc co pa u ( X ) = Şekil de görüldüğü üzere ıı yığın üzerinde baınç antinoduna doğru taşınaktadır. Yığının baınç dağılıı üzerine baınç ya da hız nodu üzerinde olayacak şekilde yerleşei gereklidir. Şekillerde görüldüğü üzere itein ikinci e diğer rezonan frekanlarında nod e antinod noktaları birbirlerine yaklaştıklarından yığının konulacağı aralık küçülektedir. Dolayııyla yığın boyu küçülekte, iteden elde edilecek oğuta gücü azalaktadır. Bu yüzden tero- denkleleri ile bulunabilir. Bu denkleler L uzunluğunda bir rezonan tüpünde U hoparlör yüzey hız genliğinde rezonan tüpü içeriindeki baınç dağılıının dalga boyunu e baınç dağı- 88
Teroakutik oğutucu analizi lıını erektedir. Denklelerden pa nın U ile doğru orantılı olduğu arayııyla ite içeriindeki baınç dağılıının gazın özellik-lerine bağlı olarak değiştiği, hoparlör genliğine bağlı olarak değişediği onucu çıkaktadır. Bu onuç Şekil 3 ile de doğrulanaktadır. Deneyde kullanılan itee uygun U e pa değerleri kullanılarak denklee uygun baınç dağılıı çizilecek olura Şekil 4 elde edilir. karşılaştırılıştır. Yığının her iki ucuna e ortaına tero eleanlar yerleştirilerek yığın uçlarından e ortaından ıcaklık erileri toplanıştır. Yığınların her iki ucu araında; c uzunluğundaki yığın ile en yükek.4oc, 5 c uzunluğundaki yığın ile en yükek.4oc, c uzunluğundaki yığın ile en yükek 7.6oC ıcaklık farkları ölçülüştür. Şekil 6 e Şekil 7 de x yığın erkezinin baınç antinodundan olan eafei olak üzere c e c uzunluğunda yığınlar üzerindeki deneyel e teorik ıcaklık farkları çiziliştir. Şekillerde en ütteki eğri ekenel ıı ileti etkileri ihal edildiğinde yığından ıı çekileei duruunda farklı yığın poziyonlarında yığın Şekil 4 incelendiğinde Şekil e Şekil 3 ile benzerliği çarpıcı şekilde görülektedir. X= poziyonu atofere açık uçtur. Rezonan tüpü içindeki teorik baınç dağılıı.6 c Yığında ıcaklık farkı Yığın Üzerindeki Sıcaklık Farkı, oc Baınç Genliği, kpa. Baınç Antinodu.8.4..4.6 X, etre.8. Şekil 5 te görülen düzenek ile c, 5 c e c uzunluklarda yığınlar kullanılarak farklı yığın poziyonlarında yığın uçları araındaki ıcaklık farkları ölçülüş e teorik onuçlarla Ekenel yöndeki ıı iletii etkileri gözönüne alınarak teorik çözü, Q=. W 4 Deneyel onuçlar...3.4 x (etre), x= baınç antinodu.5 c Yığında ıcaklık farkı Yığın Üzerindeki Sıcaklık Farkı, oc 5 Hoparlör tarafı x Baınç antinodu x= Multietreler.7 V Ekenel yöndeki ıı iletii etkileri gözönüne alınarak teorik çözü, Q= 6 Şekil 6. c uzunluğundaki yığın uçları araındaki deneyel e teorik ıcaklık farkı Sıcaklık dağılıları -.46 V 8.5 Şekil 4. I.haronikte teorik baınç dağılıı Atofere açık uç Ekenel yöndeki ıı iletii etkileri gözönüne alınadan teorik çözü, Q= Ekenel yöndeki ıı iletii etkileri gözönüne alınadan teorik çözü, Q= 5 Ekenel yöndeki ıı iletii etkileri gözönüne alınarak teorik çözü, Q= Deneyel onuçlar.5.4 V..5..5 x (etre), x= baınç antinodu.3.35 Şekil 7. c uzunluğundaki yığın uçları araındaki deneyel e teorik ıcaklık farkı Şekil 5. Sıcaklıkları ölçen tero eleanlar 89
İ. Girgin, A. F. Özgüç uçları araındaki ıcaklık farkı eğriidir. Ütten ikinci eğri ekenel ıı ileti etkilerinin ihal edileei duruunda bulunan ıcaklık farkıdır. Görüldüğü üzere ite gücü düşük olduğunda ekenel ıı iletii etkileri öne arz etektedir. En alttaki eğri ie deneyel olarak bulunan ıcaklık eğriidir. Şekil 6 da örnek olarak iteden. W lık ıı kaçışı duruunda oluşacak ıcaklık farkı eğrii çiziliştir. Bu duruda ıcaklık farkı deneyel onuçlara yaklaşaktadır. Akışkanla yığın araında bu eiyelerde ıı geçişlerinin gerçekleşeceği düşünülecek olura böyle düşük güçlerdeki itelerde teori e deneyel onuçların farklı bulunacağı öylenebilir. Yığın uçları araındaki ıcaklık farkı, oc yığın ecut iken rezonan frekanının poziyona bağlı olarak 8 Hz ile Hz araında değiştiği görülüştür. Çalışa frekanındaki kayaların ite perforanına etkiini bulabilek için 5 c uzunluğundaki yığın kullanılarak yığının farklı poziyonları için öncelikle deney düzeneği boş rezonan tüpünün rezonan frekanında çalıştırılış, yığın üzerindeki ıcaklık ölçüleri bu şekilde yapılış, onraki aşaada ie ite her yeni yığın poziyonundaki rezonan frekanında çalıştırılış e onuçlar karşılaştırılıştır. Bulunan onuçlar Şekil 9 da görülektedir. Yığın poziyonuna göre rezonan frekanı e baınç antinodu değişileri Yapılan deneyler onucunda itein rezonan frekanının, orta ıcaklığından başka yığının ite içeriindeki arlığı e poziyonuna bağlı olarak değiştiği gözleniştir. Sitein açık ucu kapalı olaydı rezonan frekanı taaen değişecekti. Yığının da ite içeriinde fizikel bir arlığı olduğundan rezonan frekanı e baınç dağılıını etkileektedir. 5 c uzunluğunda bir yığın için farklı poziyonlarda ölçüler yapılış olup ölçüler onucunda bulunan onuçlar Şekil 8 de görülektedir. Frekan, Hz 9 3 4 5 6 Değişen rezonan frekanında ıcaklık farkı 8 6 Boş rezonan tüpü frekanında ıcaklık farkı 5 3 4 5 Sonuçlardan görüldüğü üzere yığının rezonan tüpü açık ucuna yakın olduğu durularda beklendiği şekilde itein rezonan frekanı boş rezonan tüpünün rezonan frekanından uzaklaşaktadır. Yığın baınç antinoduna yaklaştıkça düzeneğin rezonan frekanı boş itein rezonan frekanına yaklaşakta, itein çalışa frekanı değişeyince Şekil 9 daki ıcaklık eğrileri çakışaktadır. Yığın erkezinin poziyonu, c 6 Şekil 9. Yığın üzerindeki ıcaklık farkları Yığın uçları araındaki ıcaklık farkları Yığın erkezinin poziyonu, c Yığın poziyonuna göre rezonan frekanı 8 5 Yapılan deneylerde rezonan tüpü içeriinde yığının fizikel arlığının baınç antinodunun poziyonunu da etkilediği gözleniştir. Dizaynı yapılan itede yığın poziyonuna göre baınç antinodunun yer değişiinin göz önüne alınaı gerekebileceği değerlendiriliştir. Bu yer değişiin eafeini ortaya koyak için bir çalışa yapılış, bu çalışada boş rezonan tüpünde baınç antinodunun rezonan tüpü açık ucuna olan eafei 7 c olarak bulunuş, 65 Şekil 8. Çeşitli yığın poziyonlarında itein rezonan frekanı değişileri Yapılan deneylerde boş rezonan tüpünün rezonan frekanı Hz iken ite içeriinde 9
Teroakutik oğutucu analizi ardından rezonan tüpü içeriinde çeşitli yığın poziyonlarında dinaik baınç duyargaı ile baınç antinodunun rezonan tüpü açık ucuna eafeleri ölçülüştür. Sonuçlar Tablo 3 te görülektedir. Tabloda görüldüğü üzere ite içeriinde yığın bulunduğunda yığının poziyonuna göre baınç antinodu poziyonu değişektedir. Tablo 3. Yığın arlığının baınç antinodunun poziyonuna etkii Yığın erkezi poziyonu Baınç antinodu poziyonu, c X=5 X= X=3 X=4 X=5 68.9 67. 65.6 66.3 66.4 Rezonan frekanına yakın frekanların ite perforanı üzerine etkii Rezonan frekanına yakın frekanlarda ite daranışının tahin edilei önelidir, çünkü yığın arlığından dolayı rezonan frekanı ite çalışa frekanından apabilektedir. Bu apanın dereceini ölçebilek için rezonan frekanının 6 Hz olduğu bir duruda 6 Hz in yakınlarında ite çalıştırılış e yığın üzerindeki ıcaklık farkı ölçülerek Şekil grafiği çiziliştir. Yığın uçları araındaki ıcaklık farkı, o C 7 6 5 4 3 Yığın uçları araındaki ıcaklık farkı 5 5 5 3 Frekan, Hertz Şekil. Rezonan frekanındaki kayaların yığın üzerindeki ıcaklık değişiine etkii Şekilden görüldüğü üzere yaklaşık olarak 6 +/- 5 Hz frekanlarda ıcaklık farkı yaklaşık olarak yatay poziyonda olup daha alçak e daha yükek frekanlarda yığın üzerindeki ıcaklık farkında ani düşeler eydana gelektedir. Buradan birkaç Hz lik frekan kayalarının ite perforanını öneli ölçüde etkileediği, fakat daha yükek frekan kayalarının perforanı öneli ölçüde etkilediği onucu ortaya çıkaktadır. Sonuçlar Elde edilen onuçlar aşağıdaki gibi özetlenebilir: Akutik kaynak olarak hoparlör gibi hareketli yüzeye ahip teroakutik oğutucularda yüzey ınır koşulundan dolayı baınç dağılıı e rezonan frekanı ideal rezonan tüpü değerlerinden apaktadır. Bu değişi ite dizaynında utlaka göz önüne alınalıdır. Baınç dağılıı akutik kaynak genliğinin fonkiyonu değil, akışkan özelliklerinin fonkiyonu olarak karşııza çıkaktadır. Baınç dağılıı e rezonan frekanı Denkle (6) ile tahin edilip dizaynda göz önüne alınalıdır. Düşük güçteki teroakutik oğutucularda ya da yığının ıı ileti katayıının yeterince düşük olaaı duruunda yığın üzerindeki ekenel ıı ileti etkileri de göz önüne alınalıdır. Sitede yığının arlığına e poziyonuna göre rezonan frekanı e baınç antinodu poziyonu değişektedir. En iyi ite perforanı için baınç dağılıı e rezonan frekanının poziyona göre değişii göz önüne alınalıdır. Çalışa frekanı yakınlarında rezonan frekanı değişilerinde küçük kayalar (6 Hz için ±5 Hz) ite perforanını öneli ölçüde etkileeektedir. Daha büyük frekan kayaları ite perforanını öneli ölçüde düşürektedir. Bu değişiler teroakutik oğutucularda göz önüne alınalıdır. Seboller A a : Yığın keit alanı : Se hızı y y + l B : Yığın doluluğu, ( ) 9
İ. Girgin, A. F. Özgüç β : Iıl genleşe katayıı D : Baınç oranı, D = P A P T n : Yığın üzerindeki ıcaklık farkının ortalaa ıcaklığa oranı, T T δ : Iıl nüfuz derinliği, δ = κ ω k δ : Vikoz nüfuz derinliği, δ = ν ω k δ : Boyutuz ııl nüfuz derinliği, δ / y kn k x, L : Yığın uzunluğu ε Γ : Akışkan ııl kapaiteinin yığın alzeei ııl kapaiteine oranı : Yığın üzerindeki ıcaklık gradyanının kritik ıcaklık gradyanına oranı, Γ = T T k kritik H : Yığın üzerinde taşınan ıı I : Hoparlör üzerinden geçen akı γ : Özgül ıılar oranı, γ = c p c K : Akışkanın ıı ileti katayıı K : Yığının ıı ileti katayıı k : Dalga nuaraı, k = π λ κ : Iıl yayılı katayıı L : Rezonan tüpü uzunluğu L : Boyutuz yığın uzunluğu, kl n l : Yığın alzeeinin yarı kalınlığı λ : Dalga boyu P : En yükek baınç genliği A P : Ortalaa baınç p : Yığın içindeki baınç alını genliği Π δ k : Akışkanla katı yüzeyin ıı geçişinin gerçekleştiği topla keit alanı Q : Boyutuz taşınan ıı, H p aa cn ρ σ T U : Akışkanın ortalaa yoğunluğu : Prandtl ayıı : Ortalaa akışkan ıcaklığı (K) : Hoparlör yüzey hız genliği u : Yığın içindeki ortalaa hız genliği W : İş W n : Boyutuz iş, W p aa ω : Açıal frekan, ω = πf x n : Boyutuz yığın poziyonu, x n = kx ν : Kineatik ikozite y : Yığını oluşturan paralel plakalar araındaki eafenin yarıı Kaynaklar Chen, Y., Luo, E. e Dai, W., (7). Heat tranfer characteritic of ocillating flow regenerator filled with circular tube or parallel plate, Cryogenic, 47, 4-48. Garret, S. L., Adeff, J. A. e Hofler, T. J., (993). Teroacoutic refrigerator for pace application, Journal of Therophyic and Heat Tranfer, 7, 595. Johnon, R. A., Garrett, S. L., e Keolin, R. M., (). Theroacoutic cooling for urface cobatant, Naal Engineer Journal,, 335. Rott, N., (969).Daped and therally drien acoutic ocill. in wide and narrow tube., Zeitchrift für angewandte Matheatik und Phyik,,3. Piccolo, A. e Pitone, G., (7). Coputation of the tie-aeraged teperature field and energy fluxe in a therally iolated theroacoutic tack at low acoutic ach nuber, International Journal of Theral Science, 46, 35-44. Qiu, L. M., Sun, D. M., Yan, W. L., Chen, P., Gan, Z. H., Zhang, X. J. e Chen, G. B., (5). Inetigation on a theroacoutically drien pule tube cooler working at 8 K, Cryogenic, 45, 38-385. Rott, N., (98). Theroacoutic, Adance in Applied Mechanic,, 35. Swift, G. W., (988). Theroacoutic engine, Journal of the Acoutical Society of Aerica, 84, 45-8. Swift, G. W., (994). Siilitude in theroacoutic, Journal of the Acoutical Society of Aerica, 95, 45-4. Swift, G. W., (99). Analyi and perforance of a large theroacoutic engine, Journal of the Acoutical Society of Aerica, 9, 55-563. Tijani, M. E. H., Zeeger, J. C. H. e de Waele A. T. A. M., (). Deign of theroacoutic refrigerator, Cryogenic, 4, 49-57. Tijani, M. E. H., Zeeger, J. C. H. e de Waele, A. T. A. M., (). Cont. and perforance of a theroacoutic refrigerator, Ultraonic, 4, 59. Yazaki, T., Toinaga, A. e Narahara, Y., (979). Stability liit for therally drien acoutic ocillation, Cryogenic, 9, 49. 9