V. ULUSAL ESİSA MÜHENDİSLİĞİ KONGRESİ VE SERGİSİ 59 KONVEKÖR BAARYALARININ ISIL KAPASİELERİNİN EORİK VE DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ H. Cem ERİŞİRENOĞLU Ee SANCAK Server Levent YILMAZ Ferdun ÖZGÜÇ ÖZE Geleneksel HVAC (Isıtma-Havalandırma-Klma) sstemler nsan sağlığı ve knfru açısından özellkle ebr akımlı klma sstemlernn yarattığı sıak/sğuk hava akımından ve yüksek nem ranından klaya etklenen çuk, hasta ve yaşlılar çn yeterl kşulları sağlayamamaktadır. Ayrıa gydrme ephe bnalarda, dada stenen knfr şartı rtalama larak sağlansa ble, amdan gelen ışınım geçşnn snuunda am önünde stenmeyen şartlar luşmaktadır. Bu kullanım lüks knutlarda büyük am uygulamalarında da geçerldr. Üzernde çalışılan prjenn amaı yukarıda belrtlen knularda çözüm luşturmaktır. Bu prjede bataryanın sadee ısıtma fnksynu nelenmştr, sğutma fnksynunun analz prjeye ek br prje larak snrak döneme bırakılmıştır. Çalışmada üç aşamalı br analz öngörülmüştür : Bunlar, deneysel, analtk ve sayısal (numer) analzlerdr. Önelkle İstanbul eknk Ünverstes nde deneysel çalışmalar yapılmıştır. Deney çalışmalarını takben, test snuçlarını ve çalışmayı kapsayan analtk danışmanlık rapru hazırlanmıştır. Deney snuçları ve hazırlanan rapr, daha snra yapılan çalışmaların temeln luşturmuştur. Daha snra, kapsamlı br analtk çalışma yapılmış ve akabnde, çalışmayı tparlayan teratf br algrtma gelştrlmştr. Bu algrtmadan elde edlen snuçlar, deneysel snuçlarla çk az hata payıyla örtüşmüştür. Bu sebeple, bu algrtmanın knveksyn bataryası ptmzasynunda etkl br şeklde kullanılableeğ rtaya çıkmıştır. Bu amaçla üretlen dört knveksyn bataryası mdel bu yöntemle nelenmş ve ptmum mdel saptanmıştır. 1. GİRİŞ 1.1. Prblemn Kaynağı ve anımı Geleneksel HVAC sstemler terk larak mekanlarda gerekl şartları sağlasalar da, sağlık ve knfr şartlarının sağlanmasında prblemlerle karşılaşılmaktadır. Özellkle çuk, yaşlı ve hasta nsanlar, vüut savunma mekanzmalarının zayıf lması neden le, yüksek hava akımının ve nemn bünyede yarattıkları etkden dlayı sağlık prblemler yaşamaktadırlar. Gerçekte tüm nsanlar ebr hava akımının yarattığı, yüksek hava hızının bell br hızı geçtğ rtamlarda sağlık prblemler yaşamaktadırlar. Fakat etkler, bünyenn kuvvetl lup lmamasına göre değşm göstermektedr. Burada amaç, dğal ısı taşınımı le knvektör bataryasından rtama ısı geçş gerçekleştrerek, rtamın şartlandırmasının dğal şartlarda luşmasını sağlamaktır. Ayrıa, vermllğ belrl yöntemlerle artırmaya çalışarak, daha az malzeme le rtamları daha y şartlandırma şansını elde etmeye çalışılmıştır. Hem hava tarafında, hem de su tarafındak basınç kayıpları, kapaste le paralel ele alınmıştır.
V. ULUSAL ESİSA MÜHENDİSLİĞİ KONGRESİ VE SERGİSİ 60 1.. Pazarın İhtyaçları İnsanğlu, şehrleştkçe ve fzken haradığı efr azaldıkça (vüut sıaklığını yükseltmedkçe), yaşadığı rtamın şartlarının dalgalanımını daha çk daraltarak, yaz, kış aynı şartlarda yaşamaya çalışmaya başlamıştır. Ayrıa, glbal ısınma ve yeşl alanların azalması da bu htyaı arttırmaktadır. Fakat, ebr hava akımı le bu şartlar gerçekleştrlmeye çalışıldığında; dğer br deyşle, yüksek hava hızı ve havaya basınç verlmes durumunda, hava hızına ve basına bağlı lmak üzere nsan vüudu nrmalde kuduğumuz kuru termmetrelerden daha farklı br sıaklık algılamaktadır. Bunun snuunda, vüut kabul edebleeğ şartların dışına çıkmış lablmektedr. Bu durumda çuk, yaşlı ve hastalar, vüut savunma mekanzmalarının daha zayıf lmasından dlayı, çk daha klay etklenerek hasta lmaktadırlar. Vüudun bu tepks özellkle sğutmada daha çk rtaya çıkmaktadır. Bunun snuunda nsanlar sğuk algınlığından, zat ürüye varan aşamalarda hasta lmaktadırlar. Bu sebeple nsanlar, gderek artan randa, ebr hava srkülasynlu klmalara tepk göstermekte, pazarda daha farklı br ürünler knusunda talep luşmaktadır. alep sadee sğutmada değl, ısıtmada da artarak rtaya çıkmaktadır. Knvektör, dğal ısı geçş le hava hızları düşük, nem ranları kabul edleblr sevyelerde rtamlar luşturmaktadır. Bu özellkler le, ürkye gb değşk klmler lan yerlerde, özellkle yaz seznu uzun, kış seznunun kısa lduğu bölgelerde, ldukça yaygın kullanımı lableektr. Amerka nın güneynde ldukça yaygın kullanımı lan knvektör bataryası aynı zamanda, gydrme ephe bnalarda, am önlernde ışınım le gerçekleşen ısı geçşn önlemek çn de yaygın şeklde kullanılmaktadır.. KONVEKÖR BAARYASI ASARIMI asarım Çalışması 4 ana başlıkta nelenmştr: 1. Knvektör Bataryası Analtk asarımı. Knvektör Bataryasının est Edlmes 3. est snuçlarının Analtk Snuçlarla Karşılaştırılması 4. Knvektör Bataryası Nha asarımı.1. Analtk Analz.1.1. erk Altyapı.1.1.1. Isı Değştr Değşkenler ve Isıl Devre Burada stenlen, aşağıdak ısı değştrnn değşkenler arasındak lşky tanımlamaktır. Isı Geçş Mktarı, Q Isı Geçş Yüzey, A Akışkan Sıaklıkları Debler Bu aşamada analz çn, enerj krunumu ve enerj artışı le lgl frmüller kullanılmıştır. Isı değştrdek değşkenler algılamak çn, Şekl -1 dek gb çapraz akım dkkate alınmıştır. Sürekl rejm çalışma şartı larak kabul edlmş, çevreye ısı kaybı, knetk ve ptansyel enerj değşmler hmal edlmş ve akışkan özellkler sabt kabul edlmştr. Δm Q UAΔ (-1) m R 0
V. ULUSAL ESİSA MÜHENDİSLİĞİ KONGRESİ VE SERGİSİ 61 Şekl.1. Isı değştr değşkenler [1] R + 0 Rh + R f, h + Rt + Rw + R f, R (-) R h Sıak kısım ısı taşınım dren R f,h Sıak kısım krllk dren R t Kanat-bru temas dren (Kanat lmadığında R t 0 dır) R w Duvar ısı dren R f, Sğuk kısım krllk dren R Sğuk kısım ısı taşınım dren Şekl.. Isı değştrdek, ısı geçş çn ısıl devre 1 1 1 1 R0 R UA U A U A U A h h w w (-3) Frmül.3 de U ayrıa, sıak akışkan yüzey, sğuk akışkan yüzey, temas yüzey alanları le lşklendrlerek de yazılablr. Burada, çözüme ulaşmak çn, yapılaak kabule dayalı, değşk hesaplama metdları bulunmaktadır. Bunlar, є-nu, P-NU t, LMD ve ψ-p metdlarıdır. Burada, knvektör bataryası hesapları çn sadee є-nu yöntem kullanılaaktır. Dğer yöntemlere lşkn verler çn [1],[] ve [3] numaralı kaynaklar referans verleblr..1.1.. є-nu Yöntem abl -1 de ısı değştrnn tplam ısı geçş є-nu yöntemnn byutsuz parametreler le fnksynel ve tanım lşks verlmştr. [1]
V. ULUSAL ESİSA MÜHENDİSLİĞİ KONGRESİ VE SERGİSİ 6 abl.1. Yöntem [1] ve ısı değştr tplam ısı geçş ranı le lşks є-nu Yöntem Parametreler Isı Değştr plam Isı Geçş Q ε C h ) (-4) mn (,, Etkenlk (fnksynel İlşk) ε φ( NU, Cr,a k ı s a y a r l a m a s ı) Etkenlk (tanım) Ch ( h, h, ) C (,, ) ε (-5) C ( ) C ( ) Geçş brm sayısı Isıl Kapaste Oranı mn h, UA NU C mn mn C r Cmax, 1 C.mn, max mn A UdA h,, (-6) C ( m p ) mn (-7) ( m ) abl -1 de belrtldğ gb, є, NU nun br fnksynudur ve ısı değştrden geçen k akışkanın, akış değerlendrmelern tanımlar. Bu knuda ek verler çn [1], [4],[5],[6] kaynakları kullanılablr. Akış, genellkle geçş sayısı, genel akış rejm ve gemetrlerle belrlenr. Burada, çapraz akım ve bu değşkenler çeren semblk ntasynlar kullanılır. Uygulamamızda 4 değşk batarya gemetrs kullanılmıştır. Bunlarla lgl değerler ve semblk ntasynlar aşağıda abl - de verlmştr. abl.. Bu prjede test edlen knvektör bataryalarının, tanım ve açılımları. Batarya Ntasynu S t ve S l (mm.mm) D (nh) Br Sıradak Bru Sayısı p Sıra sayısı Kullanılan Bru Sayısı Kanat Aralığı(mm) 3866-5/8-x3-4-6 3866 5/8 3 4 6 4035-1/-x-4-6 4035 1/" 4 6 4035-1/-4x-8-6 4035 1/" 4 8 6 3866-5/8-4x3-4-6 3866 5/8 4 3 8 6 Knvektör bataryası çapraz akımlı, köşel kanatlı, daresel brulu, her k akışkan brbrne karışmayan, geçşl ısı değştr tpdr. Burada etkenlk aşağıdak frmülde belrlenmştr [6]: 1 ε μ 1 + μ 1 (-8) C r μ μ 1 1 C r NU NU m 0 n 0 m 0 n 0 m ( 1) ( n + m)! V n! m! m ( 1) ( n + m)! V n! m! m+ m+ C r NU C, NU NU, r NU V V n+ n+ C NU C, r NU NU NU, r V m ( ξ, θ ) e ( ξ + θ ) n m 1 n θ m 1 ξ n I n ( ξθ )
V. ULUSAL ESİSA MÜHENDİSLİĞİ KONGRESİ VE SERGİSİ 63.1.1.3. Hava arafı Isı Geçş: Dkey Kanallar Arasında Dğal ısı aşınımı Dğal taşınımla, ısı geçşnn tespt, ısı sstemler tasarımında öneml br knudur. s geçşnde dğal taşınım özel br yere sahptr. Hatta ebr taşınımda ble dğal taşınım etkler knl br etkdr. Bazen dğal taşınım etkler ebr taşınım hesabını tek başına geçersz kılablr. [7] Dğal taşınım knusu, üzernde araştırmaların devam ettğ, halen blnmeyenlern ve güçlüklern lduğu br knudur. Isıtmada dğal taşınım nelendğnde, snlu dkey kanallar kabul edlmş ve uygulanan gemetrde enerj denklemnde zrluklar rtaya çıkmıştır. Ayrıa, mmentum ve knvektf enerj termler lneer değldr..1.1.3.1. Isı Geçş Krelasynları Burada Elenbaas tarafından smetrk ısıtılan ztermal kanallar çn tanımlanan yarı amprk frmül kullanılmıştır [8]. Ortalama Nusselt sayısı, kanat aralığına (S) bağlı larak tanımlanmıştır. Nu S 1 4 3 4 S 35 RaS 1 exp (-9) H RaS ( S H ) Burada Raylegh Sayısı aşağıdak gb tanımlanmıştır: Ra S ( ) 3 gβ ps S (.10) αν Hava le kanatlar arasındak ısı taşınım katsayısı aşağıdak gb tanımlanablr: Q A S h n ps, (.11) k Frmül -11 dek h daha snra kanat verm çn kullanılaak lmasına rağmen, lgartmk rtalama sıaklık farkı ( Δ m ) sınır şartı çn sabt yüzey sıaklığı kabul edlerek yen br tanım getrlmes daha gerçekç laaktır. Δ lm,, ln ps ps,,, Bu tanıma dayanarak, ısı geçş katsayısı tekrar tanımlanmalıdır. h ( ) (-1) Δlm, h, n (-13) ps.1.1.3.. Kütle Akışı Dğal taşınımda smetrk ısıtılmış kanallardak tanımlı duvar sıaklığı prblem Quntere tarafından tanımlanmıştır [9]. Şekl -3 de yapılan analzn snuu larak Raylegh Sayısı (Ra) le Graetz Sayısı ( u ) arasındak lşk br grafkle verlmştr. Kanalın grşndek hava debs Graetz Sayısı le 0 karakterze edlmştr.
V. ULUSAL ESİSA MÜHENDİSLİĞİ KONGRESİ VE SERGİSİ 64 Şekl.3. Değşk Pr sayılarında Ra-u 0 lşks [9] ve ( ps ) Pr 4 S gβ Ra Gr Pr (-14) Hν U 0S S u 0 Pr (-15) ν H ps değer Şekl -3 den ve denklemden yararlanılarak kanal grşndek hava hızı tanımlanmış ( ) çn bulunablr. Buradan kütlesel hava debs aşağıdak frmülden hesaplanır. m& (-16) U 0 Sw N fn ρ, ( ) SwN fn Burada (S w) br kanal çn hava geçş kest alanı lup, tplam hava geçş alanı le tanımlanmıştır. Yapılan analzler snuunda Ra sayısının 0-50 arasında kaldığı rtaya çıkmış ve buradan Şekl -3 dek grafk [9] fnksyn larak hesaplandığında Pr 0,7 çn aşağıdak snua ulaşılmıştır : 4 3 u 0.01 ln( Ra) 0.07 ln( Ra) + 0.011ln( Ra) + 0.1899 ln( Ra) 0.988 (-17) 0 +.1.1.4. Hava arafı Isı Geçş: Kanat Vermllğ Kanat verm, kanat rtalama sıaklığında geçen ısının, tüm kanadın taban sıaklığında lması halnde geçeek ısıya ranı larak tanımlanmıştır [10].
V. ULUSAL ESİSA MÜHENDİSLİĞİ KONGRESİ VE SERGİSİ 65 Af h ( f, m f, b ) da a a η f (-18) h ( ) A f Burada düzgün dzlşl dkdörtgen kanatlardan, daresel kanatlara yaklaşım yapıldığında eşdeğer kanat çapı ( r ) aşağıda tanımlanmıştır. Burada, S en küçük S ve S değerler, S en büyük S L ve S e değerlerdr. sm r 0.64S S / S 0. (-19) e sm gr sm L gr Şekl.4. Çapraz bru dzlş [10] Çapraz dzlşl dkdörtgen kanatlardan, daresel kanatlara yaklaşım yapıldığında eşdeğer kanat çapı ( r ) aşağıda tanımlanmıştır. Burada, S en küçük S ve S değerler, S en büyük S ve S e değerlerdr. S d sm se dyagnal kmşu bru merkezler arasındak mesafedr. r 0.635S S / S 0.3 (-0) e sm gr sm S S + S / 4 (-1) d L L d gr L d
V. ULUSAL ESİSA MÜHENDİSLİĞİ KONGRESİ VE SERGİSİ 66 ( re r )[ 1+ 0.35ln( re r )] (-) * F / h fn B (-3) k t fn f Yukarıdak fadelerden hareketle eşdeğer kanat verm aşağıda tanımlanmıştır: tanh( BF * ) η F (-4) * BF Lteratürde genellkle blnen ve düz kanatlar üzernde çalışmalar bulunmaktadır. Karmaşık gemetrler ve endüstryel uygulamalar çn düz kanatlarla lgl kaynaklardak krelasynların kullanılmaması tavsye edlmştr. Burada, kanat verm hesaplarında kullanılması çn Snlu Elemanlar Metdu gb detaylı hesaplama yöntemlerne başvurulması tavsye edlmektedr..1.1.5. Bru arafı Isı Geçş : Daresel Bru Isı aşınımı Krelasynları Değşk sınır şartları ve akış rejmler çn bru çndek akışın ısı geçşn tanımlamada hem sayısal hem de deneysel brçk çalışma ve kaynak bulunmaktadır. Bölüm.1..1. tanımlandığı gb, yapılan hesaplarda, sabt yüzey sıaklığı (hem eksenel hem de açısal yönde) kabul edlmş ve akış tp bu esasa dayanarak hesaplanmıştır. Dğer bru akış tplerne [11], [1], [13] nlu kaynaklarda değnlmştr. abl -4 de belrtldğ gb, test edlen bataryalarda akışkan debs brulu bataryalarda 35 kg/saat ve 4 brulu bataryalarda 75 kg/saat tr. Bru çapları 5/8" ve 1/" dır. Bu verlere göre, knvektör bataryasında, bru akışı çn hesaplanan maksmum Reynld s sayısı aşağıdadır: m& h ρ D πd kg 1 hr ρ N tube 4 35 ρ u D 4 4m& h m h Re hr 3600 s 1547 (-5) D μ,at 90 N tube D 6 Ns h C μh μh π 315 10 π 0.017m m am gelşmş akımda, türbülans çn Re sayısında krtk sınırın 00 lduğu ve tam gelşmş türbülanslı akışın 10000 sevyelernde luştuğu dkkate alındığında akışın tam gelşmş lamner akış lduğu rtaya çıkmaktadır [7]. Grş bölümünde hızların ve sıaklığın hem eksenel (x) yönde, hem de açısal yönde (r) çözülmes gerekllğnden dlayı prblem zrlaşmaktadır. Kaynaklarda grş uzunluğu prblem aşağıdak krelasynla çözümlenmştr: sabt s 0.48 < Pr < 16700 1 3 0.14 μ 0.0044 < < 9.75 1 Re Pr.86 μ s D μ Nu D L D μ s durumunda (-6)
V. ULUSAL ESİSA MÜHENDİSLİĞİ KONGRESİ VE SERGİSİ 67 Denklem -6 da bulunan tüm değerler, μ s harç, akış sıaklığının rtalama değerne m ( ) + göre hesaplanmalıdır. h, h, Bu analzde bru çıkışındak sıaklığı büyük br önem kazanmaktadır. Enerj denges denklemnden ve rtalama ısı taşınım katsayısı h, tanımından çıkıştak sıaklık, bru yüzey sıaklığı s, ve akış grş sıaklığından.,aşağıdak frmülle hesaplanablr: Daha fazla detay çn [7] nlu kaynakçaya bakılablr. s πd L exp h (-7) s m& h p, h.1.1.6. Bru Duvar Isıl Dren Slndrk sstemler açısal yöndek sıaklık gradyanları ve tek byutlu larak nelenmştr. Furer n tek byutlu ısı letm akış yasasının çözümü aşağıdak denklemde tanımlanmıştır [7] : Q r, w Lk π ln ( ) w, w, ( D / D ) Buradan hareketle, duvar ısıl dren ekte tanımlanmıştır: R w ( D / D ) (-8) w, w, ln (-9) Q πlk w.1.. Uygulama ve Snuçlar Bu aşamada yukarıdak bölümlerde ters belrtlen knvektör bataryasında, genel br çözüm yöntem luşturulmaya çalışılmıştır..1..1. Kabuller ve Mdelleme Kabuller aşağıda belrtlmştr: 1. є-nu yöntemnn kullanımı çn aşağıdak kabuller yapılmalıdır : a. Sürekl rejm (sabt deb, bru çndek akışkanın termfzksel özellklernn sabt kalması) b. Çevreye lan ısı kayıplarının, buna ışınımla ısı kaybı dahl, hmal edleblr lması.. üm akışkan özellklernn rtalama sıaklıktak değerlernn sabt lması (yğunluk, özgül ısı, akma dren v.s.) d. Hem hava, hem de su tarafındak hız ve sıaklıkların grşte bell lması. e. plam kanat vermnn η, belrl ve sabt lması. f. Akışkan tabakaları arasında, tplam ısı geçş katsayısının, U, sabt lması. g. Bölgelern entegrasynu yapılmış halde, ısı taşınım katsıyının hem hava, hem de su tarafında, h ve, sabt lması. h h. üm geçşlerde eşt su dağılımı lması. Kaçak lmaması ve akış hızının her kestte aynı lması.. Su tarafında ve bru darında, yatay ısı taşınımının hmal edleblr lması. [1]. Bru dar sınır durumunda eksenel ve açısal düzgün sıaklık dağılımı lması. Ayrıa yüzey sıaklığının her geçş çn eşt lması. 3. Kanat yüzey byuna düzgün sıaklık lması ve tüm kanatların eşt sıaklıkta lması. Bu sıaklığın bru darı dış sıaklığı ve kanat vermnden η bulunablmes. w, f
V. ULUSAL ESİSA MÜHENDİSLİĞİ KONGRESİ VE SERGİSİ 68 η w, ps f (-30) 4. Hava tarafı ısı taşınım katsayısı ve hava debs, smetrk ısıtılmış paralel levhalardan luşmuş dkey kanallı yapıdak dğal ısı taşınımı le elde edleblmel. 5. 1-h ve kabullernde belrtlen özellklere göre, tüm dkey kanallar aynı ısı geçş karakter özellkler gösteren kanatlardan luşmuştur. Böylee tek br kanalda meydana gelen ısı geçş tüm batarya geneln yansıtıyr laaktır. 6. Krlenmeden kaynaklanan ısıl drençler ve kanat-bru temas dren hmal edldğ kabul edlmştr..1... Iterasynlu Çözme Yöntem Genelde, ısı değştr analz, ısı değştrnn ısı kapastesnn є-nu yöntem le ektek aşamalardan geçmes le gerçekleşr : 1. Grş sıaklığının ve akışkan debsnn blnmes durumunda, ısıl kapaste debs, C h ve C, hesaplanır. Burada dış sıaklıklar, rtalama sıaklıkta sabt özgül ısının bulunmasında kullanılır. Eğer, analz snuunda, tahmn edlen sıaklıklardan farklı çıkması durumunda, yen br rtalama sıaklık değer verlr.. Isıl sınır şartları ve bununla lşkl taşınım krelasynları kullanılarak, ısı geçş katsayısı hesaplanır. Sabt rtalama akışkan özellklernn çözümü çn çıkış sıaklığı aşama 1 dek gb kullanılır. 3. plam ısıl drenç ve UA Denklem -3 den hesaplanır. 4. NU, Denklem -6 kullanılarak hesaplanır. 5. Gemetrden, akış ayarları, NU ve C r, etkenlk є, gerekl krelasynlar ve kaynaklardak grafkler kullanılarak hesaplanır. 6. Q ve çıkış sıaklıkları Denklem -4 ve Denklem -5 kullanılarak hesaplanır. Dğal taşınımda hava tarafında prblem daha karmaşıktır. Gerçekte dğal taşınım ısıl ve hdrdnamk larak katlanmaktadır ve bu katlanma ektek zrlukları getrmektedr: 1. Hava ve su çıkış sıaklıklarının blnmemes, ısı geçşne ranına (Q) bağlı lmasından, ve hava debsnn blnmemesnden dlayı є-nu analznn 1. Aşaması daha fazla terasyn gerektrr.. h nun kanat yüzey sıaklığına bağlı lmasından dlayı Aşama lduğu gb gerçekleşmez. Yukarıdak akışta, knvektör bataryasında ısı geçş karakterstklern çözmek çn br terasyn çerçeveye htyaç vardır. Bu çerçeve bze verlmş değerler lan rtam sıaklığı,, su grş sıaklığı h,, ve su debs, m&, çn, dğru kapaste Q, çıkış sıaklıkları ve hava debsn vermeldr. h İterasyndak aşamalar sırası le şunlardır ve şekl -5 de de şematk larak verlmştr. 1. plam ısıl drenç değer tahmn edlerek verlr. UA. Çıkış su sıaklığı tahmn edlerek verlr., 3. Hava debs tahmn edlerek verlr. m& 4. C mn (hava tarafı), NU ve C r değerler Denklem.6 ve Denklem.7. є lgl krelasynlardan hesaplanır ve Q değer Denklem.4 kullanılarak bulunur. Bu değer tahmn edlen Q değer le karşılaştırılır, eştlk durumunda terasyna sn verlr. 5. Bu aşamadan snra bulunan Q değer le yüzey sıaklığı, ps, le ll Denklem.9, Denklem.10 ve Denklem.11 kullanılarak yen br terasyn gerçekleştrlr. Burada terasyn çn Yarıya Bölme Yöntem kullanılmıştır. 6. Şekl -3 ve Denklem.16 kullanılarak kütlesel hava debs hesaplanır. Bu değer başta tahmn edlen hava debs m& değer le karşılaştırılır. Eştlk sağlanınaya kadar terasyn devam eder. ps 7. Bu aşamada, ve Q değerler blnmektedr ve Denklem.7 le bru dış yüzey sıaklığı w,, Denklem.9 le bru duvar ç sıaklığı, Denklem.30 le su çıkış sıaklığı, hesaplanır. Aşama dek sıaklık le aynı değere ulaşınaya kadar terasyna devam edlr. Genellkle brkaç terasyn snuunda aynı değere ulaşılır.,, w h,
V. ULUSAL ESİSA MÜHENDİSLİĞİ KONGRESİ VE SERGİSİ 69 8. Sn aşama larak, R (veya UA) tahmn değer terasynu gerçekleştrlr. Denklem.6, ve h, w,, değerler kullanılarak, h değer hesaplanır. Bunun snuunda Denklem.1 ve Denklem.13 kullanılarak h hesaplanır. Blnen h değerler, R w değer ve Denklem.9 kullanılarak tplan ısıl drenç yan UA hesaplanır. Hesaplanan UA değer tahmn edlen UA değer le eştlenne terasyn tamamlanır ve m& h,, ve h, değerler çn Q,,, h, değerler hesaplanarak şlem sna erer.
V. ULUSAL ESİSA MÜHENDİSLİĞİ KONGRESİ VE SERGİSİ 70 UA 1 R m& h h, 1, 3, 1 m& m & m& C h C 3 e-nu Q h,n frm eq ps Q frm eq ps Large + ps Small ps ps Large N ps large ps small ps ps Small Y N Q-Q < tl N (Q-Q ) <0 m& m& < tl m& ps Y Y ps Q R w w, w, w, frm eq. h, w, frm eq. N Y w, w, < tl Y ps, 3 h, w, h frm eq. h,n frm eq Δ lm, h frm eq. R w UA UA Q,,, h, UA UA-UA <tl N Y Şekl.5. İterasyn Algrtması Bu terasyn algrtması MathCad001 yazılımında hazırlanmıştır. (www.mathad.m).1..3. Standart Batarya Gemetrlernn Karşılaştırması
V. ULUSAL ESİSA MÜHENDİSLİĞİ KONGRESİ VE SERGİSİ 71.1..3.1. Bu Çalışmada İrdelenen Batarya Gemetrler abl.3. Knvektör gemetrler alternatfler Gemetr I (S t x S l (mm)) 40 x 35-1/" Gemetr II (S t x S l (mm)) 38 x 66-5/8.1..3.. Çalışma Şartları ve Optmum Hatve Knvektör bataryası mekanların ısıtılması ve sğutulması amaı le kullanılır. Bu prjede, sadee ısıtma fnksynu nelenmştr. Isıtılan danın ( deneylern yapıldığı danın) rtam sıaklığı yaklaşık 3 C, su grş sıaklığı yaklaşık 90 C, ve pmpa su debs 35 kg/h. Değerler aşağıdak tablda verlmştr. abl.4. Nmnal standart çalışma şartları hava, 3 C su, 90 C m& su 35 75 kg (4 brulu mdel çn) h kg (8 brulu mdel çn) h Herhang br ısı değştrnn etkenlğ rtam şartlarına dğrudan bağlıdır. Fakat, rtam şartlarına göre gemetry değştrmekte uygulama sırasında pek mümkün değldr. Dlayısı le, knvektör batarya gemetr analz, yukarıdak abl -4 dek test değerler göz önünde bulundurularak gerçekleştrlmştr. Knvektör bataryası tasarımındak br dğer öneml parametre se kanatlar arasındak mesafe, dğer br deyşle hatvedr. Bu aşamada amaımız ptmum hatvey (p f ) hesaplamaktır ve bu amaçla teratf algrtmadan kanatlar arası mesafe (S)- güç arasındak lşk hesaplanarak aşağıda Şekl -6 da verlmştr. Şekl.6. Isıl Güç Kanatlar Arası Mesafe
V. ULUSAL ESİSA MÜHENDİSLİĞİ KONGRESİ VE SERGİSİ 7 Yukarıdak grafkte görüldüğü gb maksmum güç değerlerne kanatlar arası mesafenn 5.5 mm le 5.75 mm arasında lduğu bölgede ulaşılmaktadır. Burada üretm parametreler göz önünde bulundurulduğunda hatve 6 mm larak belrlenmştr. Ayrıa bu hatve kanatların krlenmeden dlayı tıkanması prblemnn önlenmes açısından da ldukça uygun br hatvedr. p f 6, S δ 6 0.16 5.84 mm. p f f üm gemetrler bu S değerne göre üretlmş ve tüm hesaplar yne bu değere göre yapılmıştır. Optmum Mdel Seçm Mdel seçm bast br determnsttk mett lan brm alandan geçen ısı mktarı ranı, Q, le A t yapılmıştır. Burada A t tplam dış yüzey alanı k bu alan kullanılan tplam alümnyum kanat mktarını da verr. Burada küçük alan, az batarya malyet anlamındadır. abl.5. de tüm gemetrler çn ısıl güç perfrmans değerlendrlmes hesaplanarak belrtlmştr. abl.5. Mdellern perfrmans değerlendrmes Mdel Q (W) A t (m ) Q/A t (W/m ) 3866 3x 81 3,58 6,8 4035 x 755,78 71,58 4035 4x 1543 5,559 77,57 3866 4x3 1664 7,34 6,70 abl.5. de de açıkça gözüktüğü üzere 4035 1/" kalıbı en verml gemetrdr... Deneysel Analz..1. Deney Bu çalışmada, tüm deneyler İstanbul eknk Ünverstes Isı eknğ Labratuarında, İstanbul eknk Ünverstes Gelştrme Vakfı bünyesnde 000/636 nlu prje larak Prf.Dr. Ahmet Arısy, Prf.Dr.Ferdun Özgüç ve Yard. Dç.Nem Kaptan katkıları le gerçekleştrlmştr...1.1. Deney Düzeneğ Deney aparatları DIN 4706 standardına göre hazırlanmıştır. Deney düzeneğ ve knvektör bataryasının knumu ekte şematk larak gösterlmştr. DIN 4706 standardına göre deney düzeneğ aşağıdak aparatlardan luşur: Sıaklık düzenley; knvektör bataryasına grşte su sıaklığını ayarlar. eraz; suyun kütlesel debsn ölçer. İknl dept; su sevyesn ayarlar, knvektörden çıkan suyu ve aşırı akışları kntrl eder. Pmpa mtru; basınç kayıplarını karşılar ve suyu pmpalar. Ana byler; suyu ısıtır. Sabt sevye depsu; suyun kütlesel debsnn sabt tutar. Pürjör; sudak havayı devreden dışarı atar. Knvektör bataryası; test edlen hazdır.
V. ULUSAL ESİSA MÜHENDİSLİĞİ KONGRESİ VE SERGİSİ 73 Şekl.7. Deney Düzeneğ Şekl.8. est dası ve knvektör bataryasının knumu Şekl.9. Ortam sıaklığının ve çıkış havası sıaklıklarının ölçüm yöntemnn şematk gösterm.... Deney Snuçları Her knvektör bataryası mdel çn beşer test yapılmıştır. Snuçları ekte abl -6 da gösterlmştr.
m & w Q & w V. ULUSAL ESİSA MÜHENDİSLİĞİ KONGRESİ VE SERGİSİ 74 abl.6. Deney Snuçları Mdel 3866 3x 4035 x 4035 4x 3866 4x3 Suyun Su Grş Su Çıkış Hava Grş Hava Çıkış Kütlesel Sıaklığı Sıaklığı Sıaklığı Sıaklığı Debs w we ( C) a ( C) ae ( C) mw ( C) (kg/h) 1 9,99 74,80 5,56 64,6 36,81 781 95,07 81,99 5,98 63,58 57,48 877 3 89,11 71,58 4,38 6,79 37,53 766 4 81,31 68,95 5,80 57,90 43,86 631 5 84,41 70,98 5,89 58,0 43,43 679 1 94,06 77,67 6,3 63,37 4,11 805 95,49 8,85 6,46 66,41 59,8 883 3 89,98 73,68 6,39 58,37 38,1 76 4 84,55 70,88 5,78 59,59 41,09 654 5 8,76 65,0 5,95 56,60 7,95 571 1 87,3 67,96 5,57 57,50 55,60 148 89,89 69,7 5,9 57,38 55,40 130 3 94,77 71,85 6,05 60,00 5,50 140 4 95,6 76,35 6,77 63,00 66,41 149 5 96,94 8,86 8,1 66,8 101,05 1661 1 85,4 7,4 7,60 60,54 79,7 107 87,57 73,9 7,76 64,76 79,76 169 3 90,14 75,93 8,09 65,5 71,77 1354 4 9,53 77,54 8,45 71, 80,65 1409 5 95,97 79,94 8,67 74,40 80,84 1511 Deney Numarası.3. Analtk Analzlern Deney Snuçları İle Karşılaştırılmaları Ölçülen Güç Qw (W) Herhang br analtk çalışma deneyle desteklenmedğ süree geçerllğ veya dğrulanması yapılmamış lur. Çünkü başlangıçta öngörülen tasarım grdler, gerçek hayatta tasarım çıktılarını karşılamalıdır, geçerllk ve dğrulama anak şartta gerçekleşr. Bu bölümde analtk çalışma le deneysel snuçların karşılaştırmasını yapıp, hem analtk çalışmaya esas teşkl eden mdellemey dğrulayaağız, hem de dğrulanan analtk çalışma mdelnn gerçek hayatta ne randa geçerl lduğunu rtaya kymaya çalışaağız. Aşağıdak tabl deneysel ve analtk çalışmaların snuçlarının karşılaştırmasını çermektedr. abl.7. Deneysel ve analtk çalışmaların snuçlarının karşılaştırması Deney İteratf Analz Oransal Hata (%) Hata Snuçları (%) Ölçüm Q h Q h Q h Q h Sırası (W) (C) (C) (W) (C) (C) 1 781 64,3 74,8 87 63,5 73,7 5,93-1,11-1,43 Max. 9,67 5,95 1,75 877 63,6 8,0 96 67,4 80,6 9,67 5,95-1,75 3 766 6,8 71,6 794 61, 71,0 3,59 -,49-0,83 Mn. 3,59 1,11 0,83 4 631 57,9 69,0 685 60, 67,9 8,56 3,89-1,51 5 679 58, 71,0 730 61,4 70,0 7,45 5,58-1,38 Avg. 7,04 3,80 1,38 1 805 63,4 77,7 803 64,0 77,7-0,7 0,99 0,04 Max.,37 6,15 0,46 883 66,4 8,8 891 66,6 8,7 0,94 0,31-0,07 3 76 58,4 73,7 7 6,0 73,8-0,59 6,15 0,1 Mn. 0,06 0,5 0,0 4 654 59,6 70,9 670 59,7 70,6,37 0,5-0,46 5 571 56,6 65, 571 57,0 65, 0,06 0,75 0,0 Avg. 0,85 1,69 0,14 1 148 57,5 68,0 158 58,5 67,8 0,78 1,74-0,0 Max.,47 4,10 0,50 130 57,4 69,7 1313 59,7 69,6 0,86 4,10-0, 3 140 60,0 71,9 1403 61, 71,9 0,07 1,96 0,03 Mn. 0,07 1,19 0,03 4 149 63,0 76,4 154 63,8 76,0,17 1,19-0,50 5 1661 66,3 8,9 170 67,9 8,5,47,40-0,39 Avg. 1,7,8 0,7 1 107 60,5 7,4 1391 6,5 70,5 15,1 3,3 -,71 Max. 15,1 9,00,71 169 64,8 73,9 145 63,6 7,0 14,39-1,86 -,64 3 1354 65,5 75,9 1531 65,0 74,1 13,05-0,81 -,41 Mn. 11,74 0,81,31 4 1409 71, 77,5 1587 66,1 75,7 1,60-7,1 -,40 5 1511 74,4 79,9 1688 67,7 78,1 11,74-9,00 -,31 Avg. 13,40 4,4,50 3866 3x 4035 x 4035 4x 3866 4x3
V. ULUSAL ESİSA MÜHENDİSLİĞİ KONGRESİ VE SERGİSİ 75 Yukarıda elde edlen snuçlara göre, analtk çalışmada öngörülen mettlar çk büyük br randa deney snuçları le çakışmış gözükmektedr. Özellkle seçlen gemetrde elde edlen snuç çk başarılıdır. Bu sebeple teratf algrtmanın knvektör bataryası tasarımında rahatlıkla kullanılableeğ rtaya çıkmıştır. Ayrıa, deney snuçlarının da analtk çalışmalarla çakışması deneylernde sağlıklı yapıldığı ve deney snuçlarının da güvenlr lduğunu rtaya kymuştur..4. Fnal asarım Parametreler Burada, ptmum mdel larak 40*35-1/ -x (bakınız Bölüm.1..3.3.) mdel seçlmştr. Yukarıdak tasarım parametrelerne göre ürün teknk resm Şekl -10 da gösterlmştr. Şekl.10. Optmum mdeln teknk resm SONUÇ abl -7 de görüldüğü üzere knvektör bataryası çn yapılan analtk analz snuu gelştrlen teratf algrtma özellkle 40x35-1/ mdeller çn ldukça sağlıklı değerler vermştr. Bu snuç bölüm.1..1 de yapılan mdellemenn, daha önesnde yapılan araştırmaların snuçlarının değerlendrlmesnn ne kadar sağlıklı yapıldığını rtaya kymaktadır. Örneğn, kanatlı brularda dkey kanallar kabulü bu kadar sağlıklı snuçlar vermeyeblrd. Fakat dkey kanallar kabulü detaylı nelendğnde, çözüme uzak br mdel larak gözükmemektedr. Özellkle, Sparrw ve Bahram nn çalışmasında dğal hava akımları ve taşınım nelenmştr. Bu makalede, br kütle geçş mdel luşturulmuş ve analg ısı geçş yapılmıştır. Elde edlen snuçlara göre, hava bell br yldan en az hdrdnamk drençle geçmektedr. Bu yl knveksyn alanı lup, genşlğ akışa dk en dar kest alanına eşt lan dkey kanal alanına eşttr. Yaptığımız çalışmada, bru çapları kanat genşlğne göre küçük kaldığı durumlar çn, dkey kanal genşlğ ön alana (kest alanına) eşt alınmıştır. Dğer öneml br nkta, analtk mett 4035 mdel çn 3866 mdelne göre daha sağlıklı snuçlar vermesdr. Bu muhtemelen, Bölüm.1..1 de 3. kabulün br snuudur. Burada kanat sıaklığı düzgün kabul edlmştr. Bu düzgün sıaklık, taban sıaklığa ( w, ) göre kanat verm dğrulaması snuunda elde edlen sıaklıktır. S l değer 3866 mdel çn büyük çıkmasına rağmen dğruluğu tartışılırdır. Çünkü, ısı kaynağının eşt şeklde dağılmamasından dlayı, kanat byuna düzgün sıaklık luşmamaktadır. Dğer taraftan, Yukarıda özetlenen knuların snuunda, kanat byuna sıaklık farkları az lduğunda ve hava akış kanalı göreel larak kısa lduğunda, bru akışı çn düzgün sıaklık sınır şartları kabulünün dğru snuçlar vermes şaşırtıı lmamalıdır.,
V. ULUSAL ESİSA MÜHENDİSLİĞİ KONGRESİ VE SERGİSİ 76 KAYNAKLAR [1] SHAH R. K., Mueller A.C., Heat Exhanger Bas hermal Desgn Methds, n Handbk f Heat ransfer Applatns nd Ed., Rhsenw W. M., Hartnett J. P. and Gan E. N. eds., MGraw-Hll In., 1985 [] INCROPERA F.P., DEWİ D.P., Intrdutn t Heat ransfer, [3] HOLMAN J.P, Heat ransfer, [4] KAYS W.M., LONDON A.L., Cmpat Heat Exhangers, 3 rd Ed., MGraw-Hll, NewYrk, 1984 [5] SHAH R.K., Heat Exhanger Bas Desgn Methds, n Lw Reynlds Number Flw Heat Exhangers, ed. S. Kakaç, R.K.Shah, A.E. Bergles; Hemsphere/MGraw-Hll, Washngtn, D.C., 198 [6] BACLİC B.S., GVOZDENAC D.D.; є-nu-w Relatnshps fr Inverted Order Flw Arrangements f w-pass Crssflw Heat Exhangers, n Regeneratve and Reuperatve heat exhangers, ed. RK Shah, DE Metzger, Bk N. H0007, HD-Vl.1, pp.7-41, ASME, NewYrk, 1983 [7] INCORPERA, F.P., DEWİ, D.P., Intrdutn t Heat ransfer, Jhn Wley and Sns In., New Yrk, 1996. [8] ELENBAAS W., Heat Dsspatn f Parallel Plates by Free Cnvetn, Physa,9,1, 194. [9] QUİNİERE, J., An Analyss f Natural Cnvetn Between Fnte Vertal Parallel Plates, PhD hess n Heat Engneerng, Shl f Engneerng, New Yrk Unversty, 1970. [10] SHAH R. K., Cmpat Heat Exhangers, n Handbk f Heat ransfer Applatns nd Ed., Rhsenw W. M., Hartnett J. P. and Gan E. N. eds., MGraw-Hll In., 1985 [11] SHAH R.K., BHAİ M.S., Lamnar Cnvetve Heat ransfer In Duts, n Handbk f Sngle- Phase nvetve Heat ransfer, eds. Kakaç S., Shah R.K. and Aung W., Jhn Wley & Sns, In. 1987 [1] SHAH R.K., LONDON A.L., Lamnar Flw Fred Cnvetn In Duts, Supplement 1 t Advanes In Heat ransfer, Aadem Press, NewYrk, 1978 [13] BHAİ M.S. SHAH R.K., urbulent and ranstnal Cnvetve Heat ransfer In Duts, n Handbk f Sngle-Phase Cnvetve Heat ransfer, eds KakaçS., Shah R.K. and AungW., Jhn Wley&Sns,In. 1987 ÖZGEÇMİŞLER H.Cem ERİŞİRENOĞLU 1966 yılı Svas dğumludur. 1993 yılında Bğazç Ünverstes Mühendslk Fakültes Makne Mühendslğ Bölümünü btrmştr. 1999 yılından bugüne Frterm A.Ş. Arge Müdürlüğü görevn sürdürmektedr. Ee SANCAK 1979 yılı İstanbul dğumludur. 001 yılında Bğazç Ünverstes Mühendslk Fakültes Makne Mühendslğ Bölümünü btrmştr. Server Levent YILMAZ 1979 yılı İstanbul dğumludur. 001 yılında Bğazç Ünverstes Mühendslk Fakültes Makne Mühendslğ Bölümünü btrmştr. 001 yılında Belçka da bulunan Vn Karman Ensttüsü nde akışkanlar mekanğ üzerne çalışmalarda bulunmuştur. Ferdun ÖZGÜÇ 1949 yılı İstanbul dğumludur. 197 yılında İstanbul eknk Ünverstes Makne Fakültesn btrmştr. Halen aynı ünverstede öğretm üyes larak görev yapmaktadır.