Çukurova Üniveritei Müenilik Mimarlık Fakültei Dergii, 3(),. 39-48, Aralık 06 Çukurova Univerity Journal of te Faculty of Engineering an Arcitecture, 3(), pp. 39-48, December 06 Çapraz Akışlı Saptırılmış Boru Demeti Iı Değiştiricilerinin Ekonomik Optimizayonu Öz Memet air ERDİÇ, Alper YIMAZ, uncay YIMAZ Omaniye Korkut Ata Üniveritei, Müenilik Fakültei, Makine Müeniliği Bölümü, Omaniye, Çukurova Üniveritei, Müenilik Mimarlık Fakültei, Otomotiv Müenilik Bölümü, Aana Geliş tarii: 0.06.06 Kabul tarii: 3..06 Çapraz akışlı aptırılmış boru emeti ıı eğiştiricileri kolay temizlenebilir olmaları, acimel ıı tranferinin büyük olmaı olayııyla ıı geri kazanımına ve kuru tip oğutma kulelerine en çok terci eilen ıı eğiştiricilerinen biriir. Bu çalışmaa, maal olarak ürkiye nin. bölgeinen bir şeir eçilerek, ıı eğiştiricii için ilk yatırım, işletme ve toplam gierler araştırılarak ekonomik optimizayon yapılmıştır. İlk yatırım gierlerine pompa, vantilatör ve ıı eğiştiricii fiyatları, işletme gierlerine pompa ve vantilatörün arcaığı elektrik enerjii ikkate alınmıştır. Ancak işletme gierleri bugünkü eğere göre belirlenmiştir. Çeşitli parametrelere göre ele eilen onuçlar grafikler şekline göterilmiştir. Anatar Kelimeler: Çapraz akış, Saptırılmış boru emeti, Ekonomik optimizayon Abtract Economic Optimization of Cro-flow Staggere Plain ube Bank Heat Excanger Cro-flow taggere tube bank eat excanger are among te mot commonly ue eat excanger in eat recovery ytem an cloe type cooling tower ue to reitance to fouling an ig rate of volumetric eat tranfer. In ti tuy, initial invetment cot, operating cot an total cot for economic optimization of eat excanger i invetigate in a city of. climatic zone of urkey. For initial invetment cot, pump, ventilator an eat excanger price, an for operating cot electricity conumption of pump an ventilator are taken into conieration. But preent value are ue for operating cot. Reult to be obtaine are own grapically for ifferent parameter. Keywor: Cro-flow, Staggere tube bank, Economic optimization Sorumlu yazar (Correponing autor): Alper YIMAZ, alpyil@cu.eu.tr Ç.Ü.Mü.Mim.Fak.Dergii, 3(), Aralık 06 39
Çapraz Akışlı Saptırılış Boru Demeti Iı Değiştiricilerinin Ekonomik Optimizayonu. GİRİŞ Çapraz akışlı boru emeti ıı eğiştiricileri (ÇABDID) enütrinin birçok alanına kullanılmaktaır. Iı tranferinin aa iyi olmaınan ve kolay temizlenebilme özelliklerinen olayı aptırılmış boru emetleri terci eilmekteir. pompa göterilmiştir. Şekil e ie boru emeti verilmiştir. Su, ÇABDID içine ıı tranferi kapamlı olarak Gnielinki [] tarafınan incelenmiş ve ıı tranferi için çeşitli parametreleri içeren eşitlikler verilmiştir. Bu ıı eğiştiricilerine baınç kaybı için genel eşitlikler ie Gai [] tarafınan ele eilmiştir. Şekil. Iı eğiştiriciinin itemeki yeri ÇABDID bilaa kapalı yaş oğutma kulelerine ıı eğiştiricii olarak kullanılmaktaır. Bunların moellenmei üzerine birçok çalışma bulunmaktaır [3-6]. Ekonomik optimizayon üzerine Caputo ve arkaaşları [7] ve Manoali ve arkaaşları [8] tarafınan kanatçıklı borulu ıı eğiştiriciler için çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalar yapılırken en önemli fiyatlar ilk yatırım fiyatları ve işletme maliyetleri olup, bunlar akkına geniş bilgi aal ve arkaaşları [9] tarafınan verilmiştir. Bu çalışmaa ÇABDID ın ekonomik olarak optimizayonu kanatçık içermeyen üz borular için gerçekleştirilecektir.. ÇAPRAZ AKIŞI SAPIRMAI BORU DEMEİ Çapraz akışlı aptırmalı boru emeti ıı eğiştiriciinin itemeki yeri Şekil e göterilmiştir. Iı eğiştiricii ışına buraa ebiini baan vantilatör ve ebiini baan Şekil. Çapraz akışlı aptırmalı boru emeti Iı eğiştiriciinin borularının içinen oğutulacak u, boru ışlarınan ie ava akmaktaır. Hava girişine ıı eğiştiriciinin keit alan boyutları B ve H ir. Iı eğiştiriciinin ava akışı oğrultuuna uzunluğu a ir. Boru iç ve ış çapları ve i olarak verilmekteir. Şekilen e göteriliği gibi, akışa ik yöne boru merkezleri araınaki meafe ve akış yönüneki meafe ie ir. Akışa ik yöne boru ayıı ve akış yönüne i ir. Buna göre toplam boru ayıı 40 Ç.Ü.Mü.Mim.Fak.Dergii, 3(), Aralık 06
Memet air ERDİÇ, Alper YIMAZ, uncay YIMAZ () şekline yazılır. Iı eğiştiricii girişineki ava ızı u M A () olarak belirlenir. Buraa A B.H ıı eğiştiricii keit alanıır. ava yoğunluğu olup (3) eşitliğinen eaplanır. Buraa ava baıncı, ıı eğiştiriciinin bulunuğu maaleki rakım H ma veriliğine ASHRAE [0] tarafınan verilen bağıntıan eaplanır: 0,3, H ma 00.000, (4) 3. ISI RASFERİ VE BASIÇ KAYBII HESAPAMASI ve er kolonan akan uyun kütleel ve acimel ebileri olup, aşağıa verilmiştir: M M (6) M Su kütleel ebii ie tranfer eilmek itenen ııınan belirlenir: M cp ( g ç ) (7) (8) Buraa g ve ç uyun giriş ve çıkış ıcaklıkları olup, c p e uyun özgül ıııır. Boru içineki u ızı Buraa kpa ve a m olarak birimlenirilmiştir. u S (9) A i Iı eğiştiricii eni B ile ıı eğiştiricii içineki tek boru uzunluğu B Eşitlik 3 te göterilmiş olup, aralarınaki ilişki aşağıa verilmiştir. B B (5) Bağıntıınan ve boru içi keit alanı a A i 4 i (0) eşitliğinen bulunmalıır. Heaplara gerekli olacak Re ayıı Şekil 3. B ve B nin göterimi Re u i şekline eaplanır. Kinematik vikoite fizikel özellikler uyun ortalama ıcaklığı alınmalıır. m g ç () ail, e () Ç.Ü.Mü.Mim.Fak.Dergii, 3(), Aralık 06 4
Çapraz Akışlı Saptırılış Boru Demeti Iı Değiştiricilerinin Ekonomik Optimizayonu Boru içinen akan uyun baınç kaybı y B i u (3) şekline belirlenir. uzunluğu uyun bir kolona akma uzunluğu olup B B (4) eşitliğinen bulunur. Su tarafınaki ıı tranferi katayıı u k i (5) şekline eaplanır. Buraa uyun ıı iletim katayııır. Yerel baınç kayıp katayıı giriş ve çıkış kayıpları ikkate alınarak alınacaktır. Sürtünme kayıp katayıı ve uelt ayıı laminar ve türbülanlı akış urumları için aşağıa verilen eşitlikleren bulunabilir []. Re 300 i için (0),8log Re,64 9,35 3,48,737 ln () i / Re Buraa iç boruaki bağıl pürüzlülük p () i olup P e mutlak pürüzlülüktür. Hava ile boru ışı araınaki ıı tranferi katayıı u k i (3) bağıntıınan bulunur. avanın ıı iletim katayııır. Gnielinki [] tarafınan açıklanan yönteme göre eaplanacaktır. Bu metoa göre u u u 0, 5 (4) 0,3, l, t 0,5 / 3 u, l 0,664ReV, Pr (5) 0,0677 z u (6) z,33 3,66 0,7 0,83 0,Pr z B (7) i Re Pr 64,33 (8) Re Re 300 için λ Re 000 Pr (9) 8,7 u /3 / λ /8 Pr 0,8 0,037 ReV, Pr u, (6) t 0, / 3,443Re Pr V, (7) u, u u f A, f A, f A a u (8) 3 f eşitlikleriyle ele eilir. A (9) (30) 4 Ç.Ü.Mü.Mim.Fak.Dergii, 3(), Aralık 06
Memet air ERDİÇ, Alper YIMAZ, uncay YIMAZ Buraa Re eğeri V, F B (39) Re (3) V, Remax 4 F i i B (40) F m F F i ln F F i (4) u max Remax (3) u u (33) bağıntıları ile belirlenir. Buraa ayrıca olarak belirlenir. u max ile u araına u max ( u ) ( / ) 0, 5 (4) (43) şekline tarif eilmişlerir. (34) (35) bağıntıları geçerliir. Hava tarafınaki baınç kaybı P u max bağıntııyla eaplanır. eğeri e Gai [] tarafınan verilen eşitlikle ele eilir. (44) Iı eğiştiriciine tranfer eilen ıı F m (36) olarak belirlenir. Su giriş ve çıkış ıcaklıkları ile ava giriş ıcaklığı veriliğine, ava çıkış ıcaklığı belliir. Bu uruma ve F eğerleri m g ç ( ç g ) ln g ç ( ç g ) i i m (37) (38) U F F k F F şekline bulunurlar. Ayrıca boru iç, ış ve ortalama yüzey alanları Remax 00 l exp (45) t 000 0, 5 0,5 için max 0,5 0,6 6 4, 80 0,75 l (46) Re 0, 5 0,5 max için ie 0,5 0,6 6 4 c, 80 0,75 l (47) Re Ç.Ü.Mü.Mim.Fak.Dergii, 3(), Aralık 06 43
Çapraz Akışlı Saptırılış Boru Demeti Iı Değiştiricilerinin Ekonomik Optimizayonu c yazılır. / 4 0, 5 (48) t, t,5 0,85 ie aşağıaki bağıntıan eaplanır.,08 0,4 3 0,0 3 / Re 4. İŞEME GİDERERİİ HESABI 0,5 max (49) İşletme gierleri olarak vantilatör ve pompanın arcaıkları elektrik enerjii ikkate alınacaktır. Su pompaının işletme gieri p şekline eaplanır. (50) toplam pompa verimi olup; pompa, aktarma organı ve elektrik motoru verimlerini içermekteir. antilatör toplam baınç kaybı p (53) şekline belirlenir. Yıllık arcanan elektrik tutarı FI a FI YS fe 000 (54) olarak ele eilir. YS yıllık çalışma aati olup, genele YS=8000 olarak kabul eilmekteir. fe ie elektrik birim fiyatı olup, 0 fe = 0, k olarak alınabilir. ilk yarıyıla Ancak, ilk yatırım maraflarıyla karşılaştırmak için işletme maraflarının bugünkü eğeri FI BD nin bulunmaı gerekmekteir. FI BD e FI BD FI F BD (55) F BD i r n i r i r n (56) u (5) olarak ele eilir []. i r reel faiz olup, enflayon i e ve nominal faiz i n en ele eilir []: olarak belirlenir. yerel baınç katayıı olup, giriş ve çıkış kayıpları ikkate alınarak olarak kabul eilmiştir. antilatörün arcaığı güç e şekline eaplanmıştır. (5) toplam vantilatör verimi olup; vantilatör, aktarma organı ve elektrik motoru verimlerini içermekteir. oplam elektrik tüketimi i r i i n i e (57) Eşitlik 56 a n pompa ve vantilatör amortizayon yılıır. 5. İK YAIRIM GİDERERİİ HESABI İlk yatırım fiyatı FY FY FY FY FYE (58) 44 Ç.Ü.Mü.Mim.Fak.Dergii, 3(), Aralık 06
Memet air ERDİÇ, Alper YIMAZ, uncay YIMAZ olarak, vantilatör, pompa ve ıı eğiştiricii ilk yatırım fiyatlarınan oluşur. Buraa ıı eğiştiricii fiyatı FYE B f B f E (59) şekline bulunabilir. Buraa a B ıı eğiştiricii boru uzunluğu olup B B (60) olarak eaplanır. birim boru uzunluğu, e imalat katayııır. antilatör fiyatı FY, 0 yılı birim fiyat liteine göre [3] Şekil 4 te verilmiştir. Bu eğerler eşitlik olarak (6) Şekil 5. FY nin ebi ve baınç ile eğişimi ompa çıkış baıncı bar ve pompa ebii e olarak verilmekteir. PYP e olarak bulunmaktaır. oplam fiyat a şekline bulunmuştur. FYV, olarak ve m 3 olarak birimlenirilmiştir. e FYI BD FY FI BD (63) olarak eaplanır. 6. SOUÇAR Heaplara ıı eğiştiricilere en çok kullanılan 3/4" lik çelik boru alınacak olup, =6,9 mm, i =, mm ir. Maal olarak ürkiye e. Bölge eçilmiş olup, kış aylarına uygun ortalama ış ıcaklık alınmıştır.. Bölgee şeir olarak Gaziantep eçilmiş olup, H ma =840 m ir. Borular eşkenar üçgen şekline yerleştirilmiş olup, bunan olayı 3 (64) Şekil 4. FY nin ebi ile eğişimi ompa fiyatı FY yine birim fiyat liteine göre [4] Şekil te göterilmiştir. FY ebi ve baınca bağlı olarak aşağıaki gibi bulunmuştur. Y p 0,4 0, (6) p olarak alınacaktır. Iı eğiştiricii keit alanı kare olarak kabul eilecek ve bunan olayı B H (65) olarak eaplar yapılacaktır. Heaplanan ıı eğiştiriciinin yoğuşturucu oğutulmaı için Ç.Ü.Mü.Mim.Fak.Dergii, 3(), Aralık 06 45
Çapraz Akışlı Saptırılış Boru Demeti Iı Değiştiricilerinin Ekonomik Optimizayonu kullanılığı üşünülüre, u giriş ve çıkış ıcaklıkları Gaziantep için ve olarak kabul eilecektir. Kullanılan borunun birim fiyatı 06 fiyatlarıyla f B,0 m ve f E, kabul eilmiştir. Ayrıca nominal faiz i n =0, ve enflayon a i e 0,07 olarak alınacaktır. ompa çıkış baıncının a P p bar oluğu üşünülmekteir. Yukarıa verilen eğerler ikkate alınarak ekonomik optimizayon için eğişkenler olarak tranfer eilen ıı, ava kütle ebii ik yöne borular araı meafe alınacaktır., ve akışa Şekil 6. İlk yatırım işletme bugünkü eğer ve toplam bugünkü fiyatın B ile eğişimi Şekil 8. İlk yatırım işletme bugünkü eğer ve toplam bugünkü fiyatın B ile eğişimi Şekil, 7 ve 8 e ıı eğiştiricii, pompa ve vantilatörün ilk yatırım tutarı FY ile işletme marafları bugünkü eğeri ve toplam maraf bugünkü eğer FI BD, FYI BD ıı eğiştiricii eni B nin fonkiyonu olarak verilmiştir. İlk yatırım marafları B ile artarken işletme marafları a azalmaktaır. Ancak belirli bir B eğerine toplam maraf en küçük eğere erişmekte olup, bu eğer ıı eğiştiriciinin optimum ekonomik eğeriir. Bu üç iyagrama eğeri ıraıyla,,, 0 ve,00 olarak alınmıştır. Optimum ıı eğiştiricii eni B opt ve optimum toplam bugünkü fiyat a F opt olarak göterilire, bunlar un fonkiyonu olarak Şekil 9 ve 0 verilmiştir. Şekil 7. İlk yatırım işletme bugünkü eğer ve toplam bugünkü fiyatın B ile eğişimi Şekil 9. F opt eğerinin ile eğişimi 46 Ç.Ü.Mü.Mim.Fak.Dergii, 3(), Aralık 06
Memet air ERDİÇ, Alper YIMAZ, uncay YIMAZ Şekil 0. B opt eğerinin,o ile eğişimi Şekil 9 an görüleceği gibi F opt eğeri ile önce artmakta olup, yaklaşık te en küçük olmaktaır. Buna karşı B opt eğeri ile üşmekteir. Bunun neeni küçülüğüne baınç kayıpları ızla artmakta, bu artışı telafi etmek için ie B opt üşmekteir. Şekil. Fiyatların B ile eğişimi Şekil ve e ie, 5 urumuna eğeri, Şekil 7 e verilenin yarıına ve iki katına çıkarılmıştır. Bu urumlara ava kütle ebii e yarıya ve iki katına çıkarılmıştır. B opt ve F opt eğerleri bekleniği gibi kule yükü k ile artmaktaır. Şekil 3 ve 4 te F opt ve B opt eğerlerinin ile eğişimi verilmiş olup, em F opt em e B opt, ile artmaktaır. Şekil 3. B opt eğerinin ile eğişimi Şekil. Fiyatların B ile eğişimi Şekil 4. F opt eğerinin ile eğişimi Ç.Ü.Mü.Mim.Fak.Dergii, 3(), Aralık 06 47
Çapraz Akışlı Saptırılış Boru Demeti Iı Değiştiricilerinin Ekonomik Optimizayonu 7. KAYAKAR. Gnielinki, V., 00. Heat ranfer in Cro Flow Aroun Single Row of ube an roug ube Bunle, in VDI Heat Atla, e. VDI, Springer Verlag, Berlin, Germany, pp. 75 79.. Gai, E.S., 00. Preure Drop of ube Bunle in Cro Flow, in VDI Heat Atla, e. VDI, Springer Verlag, Berlin, Germany, pp. 076 09. 3. Yılmaz, A., Erinç, M.., 06. A ew Moel for te Calculation of Cloe Wet Cooling ower, International Conference on atural Science an Engineering (ICASE ), Marc 9-0,p. 454-47, Kili. 4. Zalewki, W., iezgoa-zelako, B., itwin, M., 000. Optimization of Evaporative Flui Cooler, International Journal of Refrigeration, 3, 553-565. 5. Gan, G., Riffat, S.B., 999. umerical Simulation of Cloe Wet Cooling ower for Cille Ceiling Sytem, Applie ermal Engineering, 9, 79-96. 6. Haan A., Siren K., 00. eoretical an Computational Analyi of Cloe Wet Cooling ower an it Application in Cooling of Builing, Energy an Builing, 34,477-486. 7. Caputo A. C., Pelagage P. M., Salin, P., 008. Heat Excanger Deign Bae on Economic Optimization, Applie ermal Engineering, 8, 5-59. 8. abaali J.I., icola J.S., Muati S.F., 04. Optimization Matematical Moel for te Detaile Deign of Air Coole Heat Excanger, Energy, 64, 734-746. 9. aal, M., Bulatov I., Kleme J., Stelik P., 003. Cot Etimation an Energy Price Forecat for Economic Evaluation of Retrofit Project, Applie ermal Engineering, 3, 89-835. 0. ASHRAE Hanbook Funamental, 009. Capter : Pycometric, Atlanta, Ga.: American Society of Heating Refrigerating an Air-Conitioning Engineer.. Yılmaz,., 999. eorik ve ygulamalı Iı ranferi, apatya Yayıncılık.. Mira, S.. 00. Engineering Economic an Coting, PHI earning Private imite. 3. Çevre ve Şeircilik Bakanlığı, 06. Birim Fiyat itei, Poz o: 53.0-53.07-53.0-53.09. 4. Çevre ve Şeircilik Bakanlığı, 06. Birim Fiyat itei, Poz o:7.-7.60. 48 Ç.Ü.Mü.Mim.Fak.Dergii, 3(), Aralık 06