P A M U K K A L E Ü İ V E R S İ E S İ M Ü H E D İ S L İ K F A K Ü L E S İ P A M U K K A L E U I V E R S I Y E I E E R I C O L L E E M Ü H E D İ S L İ K B İ L İ M L E R İ D E R İ S İ J O U R A L O F E I E E R I S C I E C E S YIL CİL SAYI SAYFA : 1996 : : 3 : 185-19 ÇAPRAZ AKIMLI BiR ISI DEĞİŞİRECİİ EORİK VE DEEYSEL AALİZİ R. uğrul OĞULAA ve Füsun DOBA Çukurova Üniversitesi, Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, ekstil Mühendisliği Bölümü, Balcalı/Adana ÖZE Bu çalışmada atık ısı eri kazanım sistemlerinde verimli kullanımları nedeniyle, çaraz akımlı levhalı ti ısı değiştireci araştırılmıştır. Bu amaçla bir ısı eri kazanım sistemi eliştirilmiş ve laboratuvar şartlarında imal edilmiştir. İmal edilen ısı değiştireci uyun bir deney düzeneği ile test edilmiş ve sıcaklık, hava hızı ve sistemdeki basınç kayıları ölçülmüş, sistemin etkinliği belirlenmiştir. Ayrıca tasarım esnasında ısı değiştirecinin tersinmezliği de özönünde tutulmuştur. Bunun için ermodinamiğin II. kanununa öre; çaraz akımlı ısı değiştirecinde, minimum entroi üretim birimi analiz edilmiştir. Minimum entroi üretim birimi; otimum akış yolu uzunluğu, boyutsuz kütle hızı ve boyutsuz ısı transfer alanı ibi arametrelere bağlıdır. Entroi üretim biriminin bu arametrelerle değişimleri incelenerek, rafikleri yorumlarıyla sunulmuştur. Anahtar Kelimeler: Çaraz akımlı ısı değiştireci, Entroi üretimi, İkinci kanun analizi HEOREICAL AD EXPERIMEAL AALYSIS OF A CROSS-FLOW HEA EXCHAER ABSRAC In this study, cross-flow late tye heat exchaner has been investiated because of its effective use in waste heat recovery systems. For this urose, a heat reain system has been investiated and manufactured in laboratory conditions. Manufactured heat exchaner has been tested with an alicable exerimental set u and temeratures, velocity of the air and the ressure losses occurin in the system have been measured and the efficiency of the system has been determined. he irreversibility of heat exchaner has been taken into consideration while the desin of heat exchaner is bein erformed. So minimum entroy eneration number has been analysied with resect to second law of thermodynamics in cross-flow heat exchaner. he minimum entroy eneration number deends on arameters called otimum flow ath lenth, dimensionless mass velocity and dimensionless heat transfer area. Variations of entroy eneration number with these arameters have been analysied and introduced their rahics with their comments. Key Words: Cross-flow heat exchaner, Entroy eneration, Second law analysis 1. İRİŞ Enerji darboğazları ile beraber enerji birim maliyetlerinin iderek artması, enerjide verimli kullanımı zorunlu hale etirmektedir. Bu amaçla enerjinin tüketildiği her yerde, özellikle de ısıl uyulamalarda kayıları azaltmak ve kaybedilen enerjiden mümkün mertebe yararlanma yoluna idilmelidir. Yalıtım yoluyla, kaybedilen ısı belirli sınırlar içerisinde tutulabilirse de erek endüstriyel uyulamalarda erekse iklimlendirme tesislerinde belirli bir ısı yüküne sahi akışkanın dış ortama atılma mecburiyeti olmaktadır. Kısaca atık ısı olarak da adlandırılabilen bu kayı ısı, tolam enerji tüketimi içerisinde küçümsenmeyecek bir orana 185
Çaraz Akımlı Bir Isı Değiştirecinin eorik ve Deneysel Analizi, R.. Oğulata, F. Doba sahitir. Bu nedenle kayı enerjinin, dolayısıyla işletme iderlerinin azaltılması ayesiyle atık ısının sözkonusu olduğu sistemlerde, uyun enerji eri kazanım sistemlerinin tasarlanması ve uyulanması erekmektedir. Atık ısı eri kazanm sistemlerinde amaç; herhani bir işlemde enerji harcanılarak belirli ısı ve nem seviyesine etirilen ve sonra dışarı atılmak zorunda kalınan hava için sarfedilen enerjinin, olabildiğince çok kısmını taze havaya aktarabilmektir. Bu sistemlerde bilindiği ibi en önemli kısım ısı değiştireçleri olmaktadır. Isı değiştireçleri enel olarak ısı transfer etme şekillerine öre, yalnız duyulur ısının transfer edildiği reküeratörler ve hem duyulur hem de izli ısının transfer edildiği rejeneratörler olmak üzere iki ru altında incelenebilmektedir. Bu çalışmada, endüstriyel uyulamalarda ve atık ısı eri kazanım sistemlerinde yayın olarak kullanılıyor olması bakımından reküeratif ti ısı değiştireçleri üzerinde durulmuştur. Hareketsiz sabit arçalardan oluşan reküeratif ti ısı değiştireçlerinde ısı transferi; farklı sıcaklıkta aynı veya değişik yönlerde akabilen, aynı veya farklı tür akışkanlar arasında bulunan katı ortamlar üzerinden erçekleşmektedir. Bu ısı değiştireçlerinde, ısı transferine katılan akışkanların birbirlerinden ayrı kanallardan eçmesi ve karışmaması, bu sistemlerin endüstriyel uyulamalarda eniş bir kullanım alanı bulmasını sağlamıştır. Bunun yanında imalat, montaj, bakım ve işletmesinin kolay olması da önemli bir üstünlük olarak örülmektedir. Uyulama yeri ve şekline öre reküeratif ti eşanjörler ek çok şekilde dizayn edilmektedir. Fakat özellikle son yıllarda hemen her yerde atık ısı eri kazanım sistemlerinin önem kazanması ve bu sistemlerde de levhalı ti ısı değiştireçlerinin kullanılmasının tercih edilmesi nedeniyle, levhalı ti ısı değiştireçlerinin incelenmesi uyun örülmüştür. Bu amaçla Fakültemiz Laboratuvar şartlarında tasarımı ve imalatı yaılan levhalı ti ısı değiştireci, hazırlanan bir deney düzeneğinde test edilmiş, ölçüm sonucu belirlenen verim değerleriyle literatürde tesit edilen değerler karşılaştırılmış ve ermodinamiğin. kanununa öre tasarım kriterleri incelenmiştir. Literatürde bu konuda çok sayıda çalışma olu, bunlardan önemli örülenler aşağıda sunulmuştur. Bejan (1978, bir ısı değiştirecini; sonlu sıcaklık farkı altında, ısı transferinden dolayı meydana elen kayılar ve kanallarda sürtünmeden dolayı olan basınç kayıları olmak üzere iki kısımda incelemiştir. Isı transfer alanının artmasıyla ısı transfer kayılarının azaldığını, basınç kayılarının arttığını ve bu kayıların ısı değiştirecindeki tersinmezlik derecesini belirlediğini tesit etmiştir. Isı değiştireci verimliliğini de entroi üretim birimi sayısı kullanarak ifade etmiştir. Bu çalışmaya öre, akışkan duvar sıcaklığı farkının minimuma indirilmesi veya ısı transfer katsayısının akışkan omalama ücüne oranının maksimuma çıkarılması ibi tasarım kriterlerinin kullanımı ısıl verimliliğin iyileştirilmesi için yeterli olmaktadır. Bejan (198, entroi denesizlik eşitliği veya entroi üretim denesini açık bir sistemin kontrol hacmine uyulamış ve az-az ısı değiştireçleri için entroi üretimini; sonlu sıcaklık farkı altında meydana elen entroi üretimi ile sürtünmeden doğan basınç kaybı nedeniyle meydana elen entroi üretiminin tolamı şeklinde tanımlamıştır. Entroi üretimi sıfır olduğunda enerji dönüşüm kalitesinin en yüksek olduğunu ve entroi üretiminin sıfırdan büyük değerlere çıktıkça enerji dönüşüm kalitesinin düştüğünü ifade etmiştir. Bejan ve Poulikakas (198, ermodinamiğin I. ve II. kanunlarından yararlanarak zorlanmış konveksiyonla ısı transferinde, enişletilmiş yüzeyler için entroi üretiminin en aza indirilmesi üzerine çalışmalar yamışlardır. Yatıkları incelemeler sonucu çeşitli kanatçık şekilleri için entroi üretim oranını belirleyerek tersinmezliğin en aza indirilmesini analitik ve rafiksel metodlarla sunmuşlardır. Eğrican (1989, ermodinamiğin I. kanununa dayanan loaritmik ortalama sıcaklık farkı (LMD ile etkinlik-transfer birimi (e-tu yöntemleri ve ermodinamiğin II. kanununa dayanan entroi üretim birimi yöntemini içeren bir çalışma yamıştır. Bu çalışmada ikinci kanunla ilili entroi üretim birimi yöntemi detaylı incelenmiş ve ters akımlı kovan-borulu ısı değiştirecine yöntemin uyulanışı az türbini reküeratörü örnek verilerek sunulmuştur. Sekulic (1990, bir ısı değiştiricisi için enerji dönüşüm kalitesini ermodinamiğin II. kanununa dayanarak incelemiş ve bunu iriş sıcaklıklarının oranı, ısıl kaasite oranları ve ısı değiştirecinin etkinliği şeklinde üç değere bağlamıştır. Sekulic (1990 iriş sıcaklığı oranı, akışkanın ısıl kaasite oranı, akış düzeni ibi farklı arametrelerle ısı değiştirecinin ısı transfer birimi sayısının enerji dönüşüm kalitesi üzerine etkilerini farklı ısı değiştireçleri için incelemiş ve akışkanların birbirine karışmadığı çaraz akım ısı değiştireçleri için maksimum entroi üretimini eşitlik haline etirmiştir. Mühendislik Bilimleri Derisi 1996 (3 185-19 186 Journal of Enineerin Sciences 1997 (3 185-19
Çaraz Akımlı Bir Isı Değiştirecinin eorik ve Deneysel Analizi, R.. Oğulata, F. Doba Van Den Bulck (1991, çaraz akımlı ısı değiştireçlerinin en uyun tasarımları üzerine çalışmış ve ısı değiştirecinin maksimum etkinliği için transfer yüzey alanının en uyun dağılımını belirlemiştir.. LEVHALI İP ISI DEĞİŞİRECİ VE DEEY DÜZEEĞİ Sabit arçalardan oluşan levhalı ısı değiştirecinde, levha tabakaları ile taze ve atık hava kanalları birbirinden sızdırmaz bir şekilde ayrılmıştır. Isı transferi doğrudan sıcak atık hava ile soğuk taze hava akımı arasında erçekleşir (veya tersi durumda. Bu ti ısı değiştireçleri çaraz akım rensibiyle çalışmaktadır. Şekil 1 de sözkonusu ısı değiştirecine, imalatı ve deneyi yaılan ısı değiştireci örnek olarak österilmiştir. Şekilden örüldüğü üzere herhani bir işlem sonucu oluşan atık hava, ısı değiştirecinin bir yöndeki kanallarından eçerken, ısısını kanal duvarları aracılığıyla diğer yöndeki kanallardan eçen taze havaya aktarmaktadır. Bu suretle atık havanın ısı yükünden yararlanılmış olmaktadır. Her iki yönde de hava bir çok kanallardan eçtiği için, ısı transfer yüzey alanı oldukça büyüktür. Bu ti ısı değiştireçlerinde, temiz ve atık akışkanların ayrı kanallardan birbirine karışmadan eçmesi nedeniyle, özellikle atık akışkanın kirli ve tozlu olması durumunda kullanımı oldukça önem arzetmektedir. Ancak kirli akışkan kullanılması durumunda, kanalların birikintiler nedeniyle ısıl direncinin artmasını önleyebilmek için atık akışkanın bir filtreden eçirilmesi zorunluluğu vardır. Levhalı ti ısı değiştireçlerinin kanal malzemesi ve eometrisi çok değişik özellik ve biçimde seçilebilmektedir. Laboratuvar şartlarında tasarımı ve imalatı yaılan ısı değiştireci (Oğulata, Doba ve Küçük, 1995 de detaylı olarak açıklanmıştır. Isı değiştirecinde 0.35 mm kalınlığında alüminyum levha kullanılmıştır.isı transfer kütlesi (matris, özellikle ısı transfer yüzeyini artırmak ve imalat kolaylığı nedeniyle ikizkenar üçen rofilli olarak düşünülmüştür, şekil. İkizkenar üçenin taban uzunluğu a ve kenarları 1. a olu a=1.77 mm olarak tasarlanmıştır (Oğulata, Küçük, 1995.. Soğ. Çık.. Sıc. Çık.. Sıc. ir. Sıcak Akýþkan. Soğ. ir. Soğuk Akışkan Şekil 1 Çaraz akım levhalı ti ısı değiştireci İkizkenar üçen rofilli levhalar, alüminyumdan düz levhalarla birbirinden ayrılarak, üst üste çaraz akış sağlayacak şekilde kü biçimli çerçeve içerisine yerleştirilerek monte edilmiştir. İmalatı yaılan levhalı ti ısı değiştirecinin verim değerlerini tesit etmek amacıyla, şekil 3 te österilen deney düzeneği kurulmuştur. Deney düzeneği için erekli olan iriş ve çıkış hava kanalları 0.7 mm kalınlıktaki alvanizli sactan imal edilmiştir. Reküeratörün temiz hava tarafındaki ilk kanalın içerisine 10000 kcal/h kaasiteli kat kaloriferinden elen sıcak suyun dolaştığı serantin yerleştirilmiştir. Ayrıca kanal içerisinde düzün bir hız dağılımı elde edebilmek ve daha sağlıklı ölçümler yaabilmek amacıyla, fan çıkışından hemen sonra ve serantin öncesi tel elekler yerleştirilmiştir. Deney düzeneğine kısma klaesi de yerleştirilerek farklı hızlarda ölçüm yama imkanı sağlanmıştır. Isı değiştirecinin verimini tesit edebilmek için reküeratöre iren ve çıkan akışkanların sıcaklık ve hava hızları sürekli olarak ölçülmüştür. Deney düzeneğindeki sıcaklık ölçümleri termoelemanlar kullanılarak otansiyometreler yardımıyla yaılmıştır. Kullanılan termo-elemanların cinsi Fekonstantan olarak seçilmiştir. Sıcaklığın ölçülebilmesi için ölçüm yaılacak her kanala üç adet termo-eleman yerleştirilmiş ve aynı kesitte üç ayrı düzlemde tarama yaılarak sonuçlar elde edilmiştir. Dolayısıyla her kesitte dokuz noktada ölçüm yaılmış ve bunların aritmetik ortalaması alınarak ereken yerlerde kullanılmıştır. Hava kanallarından eçen havanın hızını ölçmek için de analo hız ölçerden yararlanılmıştır. Aynı şekilde hız da her kesitte dokuz noktada ölçülmüş ve bunların aritmetik ortalamaları alınmıştır, şekil. Mühendislik Bilimleri Derisi 1996 (3 185-19 187 Journal of Enineerin Sciences 1997 (3 185-19
Çaraz Akımlı Bir Isı Değiştirecinin eorik ve Deneysel Analizi, R.. Oğulata, F. Doba Deney sonuçları kat kaloriferi su sıcaklığının 60 o C, 70 o C, 80 o C değerleri için klae tam açık konumdayken ablo 1 de, klae yarı açık konumdayken ablo de verilmiştir. Şekil 5 de ısı değiştiricinin iriş ve çıkış noktaları yer almaktadır. Kontrol Hacmi Şekil Kanal eometrisi Şekil 3 Deney düzeneği 1,ç ( o C.7 5. 0.8,ç ( o C 38.3 39.6 35.0 V1, (m 3 /s 0.18 0.19 0.19 P1, (Pa 1308. 130.5 1300.6 P, (Pa 503. 507.1 99. P1,ç (Pa 681.3 677. 673.6 P,ç (Pa 7.8 7.8 7.8 Etkinlik, (e (% 7.9 71.3 70. Şekil Kanallarda ölçüm yaılan noktalar ablo 1 Klae am Açık Konumdayken Ölçüm Değerleri (Su sıcaklığı 60, 70, 80 o C Ölçüm Değerleri 60 o C 70 o C 80 o C 1, ( o C 33.6 3. 8.8, ( o C 50.5 58.3 59.5 1,ç ( o C.9 6.5 5.6,ç ( o C 37.6 37.7 35. V1, (m 3 /s 0.19 0. 0. P1, (Pa 131.3 1308. 130.5 P, (Pa 588. 580.7 580.7 P1,ç (Pa 59.3 588. 576.8 P,ç (Pa 7.8 7.8 7.8 Etkinlik, (e (% 69 68.9 68.8 ablo Klae Yarı Açık Konumdayken Ölçüm Değerleri (Su sıcaklığı 60, 70, 80 o C Ölçüm Değerleri 60 o C 70 o C 80 o C 1, ( o C 3.6 33. 30.9, ( o C 50.3 56.7 9.0 3. ISI DEĞİŞİRECİİ II. KAUA ÖRE AALİZİ Bilindiği ibi ermodinamiğin I. kanunu enerjinin korunumunu ifade etmekte ve tasarlanan bir sürecin erçekleşi erçekleşmeyeceği hakkında bili vermediği ibi maksimum verimle çalışan bir makinanın yaılmasını mümkün kılmaktadır. Ancak erçek çevrimlerde tersinmezlikler nedeniyle her zaman kayılar sözkonusu olmakta ve enerji nitelik olarak bozulmakta, bunun sonucunda entroi artışı meydana elmektedir. Bu nedenle entroi üretiminin minimum seviyede tutulması ile ısı transferini erçekleştiren ısı değiştireçlerinde; enerjinin etkin bir şekilde kullanıldığını belirleyebilmek için, ermodinamiğin II. kanununa öre analiz erekmektedir. ermodinamiğin I. kanununa dayanarak e-tu yöntemi ile akışkanların iriş sıcaklıkları, kütlesel debileri, akışkanların fiziksel özellikleri ve ısı değiştiricinin tii verildiğinde, akışkanların ısı değiştiricisinden çıkış sıcaklıklarının ve sıcak akışkandan soğuk akışkana eçen ısı miktarının hesalanabilme imkanı vardır. Etkinlik Mühendislik Bilimleri Derisi 1996 (3 185-19 188 Journal of Enineerin Sciences 1997 (3 185-19
Çaraz Akımlı Bir Isı Değiştirecinin eorik ve Deneysel Analizi, R.. Oğulata, F. Doba (e, erçekte transfer edilen ısının, ideal durumda transfer edilen ısıya, başka bir deyişle sonsuz ısı iletim yüzeyinden kayısız olarak iletilen ısı miktarına oranı (Bayazıtoğlu ve Özışık, 1988 tarafından tanımlanmaktadır. Şekil 5 Isı değiştirecinin iriş ve çıkış noktaları Buna öre etkinlik, Çýkýþ Q Q max olarak ifade edilir. Burada maksimum ısı,. Q max (m c min (1,, (1 ( şeklinde belirlenmekte ve 1 indisi sıcak, indisi soğuk akışkanı simelemektedir. erçekte transfer edilen ısı ise,.. Q (mc ( = (mc ( şeklinde olu, 1 1, 1,ç,ç, ( mc 1 Csic, (mc Cso, (mc min C min tarifleri yaılarak etkinlik ifadesi Csic ( 1, 1, ç C ( min 1,, C so (,ç, C ( min 1,, (3 ( (5 şeklinde yazılabilmektedir. Burada Cmin sıcak ve soğuk akışkanlardan ısıl kaasitesi daha küçük olandır. C = 1 için ise etkinlik, ( 1, 1, ç (, ç, ( ( 1,, Eþanjö r 1,, Çýkýþ Atýk Hava, iriþ emiz Hava, iriþ (6 halini almaktadır. Bu denklemden yararlanarak akışkanların çıkış sıcaklıkları, etkinliğe ve iriş sıcaklıklarına bağlı olarak, 1, ç 1, (1,, (7 ç (,, 1,, (8 biçiminde belirlenebilmektedir. ransfer birimi ise tu ile österilmekte ve AK tu C min (9 şeklinde tanımlanmaktadır. örüldüğü ibi transfer birimi; ısı değiştirecinin ısıl kaasitesinin, akışkanın ısıl kaasitesine oranı şeklindedir. Burada A tolam ısı transfer alanını, K ise tolam ısı transfer katsayısını östermektedir. Çaraz akım rensibiyle çalışan levhalı ti ısı değiştirecinde ise etkinlik, C =Cmin/Cmax ve tu arametrelerine bağlı olarak, (Bayazıtoğlu ve Özışık, 1988 tarafından şu şekilde verilmiştir. = 1 - ex 1 0. ( tu ex ( C ( tu 0.78 1 C (10 Bilindiği ibi bir ısı değiştirecinde, sonlu sıcaklık farkı altında ısı iletiminden ve kanallarda sürtünmeden dolayı meydana elen kayılar olmak üzere iki tür enerji kaybı vardır. ermodinamiğin II. kanununa öre ısı değiştirecindeki tersinmezlik derecesini österen bu kayıların minimuma indirenmeleri için çeşitli yöntemler eliştirilmiştir. (Bejan, 199, her iki türden kayıların minimuma indirenmeleri için entroi üretim birimi olarak isimlendirilen bir ölçü kullanımış ve bunu birim zamandaki entroi üretiminin, ısı kaasitesine oranı şeklinde boyutsuz bir sayı olarak, S C s. (11 şeklinde tarif etmiştir. Entroi üretim birimi s nin sıfıra yaklaşması kayıların sıfıra yaklaştığını, büyük değerler alması da kayıların fazla olduğunu östermektedir (Bejan, 199. Deneli çaraz akım hali C =1 için sıcaklık farkı ve sürtünme nedeniyle basınç düşümü özönüne alınarak şekil 6 ya öre entroi üretimi ise,.... S m c m c m R P. 1,ç,ç 1,ç m R P,ç ln ln ln ln (1 P P 1,, şeklinde yazılabilmektedir. Eşitlik (1 deki ilk iki terim örüldüğü ibi ısı transfer tersinmezliğini, son iki terim ise akışkanın sürtünmesini ifade etmektedir. 1,, Mühendislik Bilimleri Derisi 1996 (3 185-19 189 Journal of Enineerin Sciences 1997 (3 185-19
Çaraz Akımlı Bir Isı Değiştirecinin eorik ve Deneysel Analizi, R.. Oğulata, F. Doba Soðuk akýþkan çýkýþ eşitlik (15 de verilen entroi üretim birimi, aşağıdaki şekle dönüştürülmüştür. Sýcak akýþkan iriþ Sýcak akýþkan çýkýþ 0 R P s 0. 77. tu ( ( 1, c P (18 Bir ısı değiştirecinde kayıları azaltabilmek, entroi üretim biriminin minimum seviyede tutulmasını erektirmektedir. Bu nedenle herhanibir ısı değiştireci tasarımına esas olacak konstrüksiyon boyutlarının etkileri özönüne alınmalıdır. Bu amaçla eşitlik (18 ile verilen entroi üretim biriminin, Şekil 6 Çaraz akım hali için sıcaklık değişimleri Çıkış basınçları için, basınç kayıları dikkate alınarak P = P P, P = P P 1,ç 1, 1,ç, (13 eşitliklerini yazmak mümkün olabilmektedir. Böylece eşitlik (1 şu şekilde, s. S, 1, ln, 1, ln, 1, 1 ( 1 1 ( 1 C min, R P R P ln 1 ( ln 1 ( c P c P 1,, 1 (1 ifade edilebilmektedir. İdeal bir ısı değiştireci için (1-e ve (DP/P1, değerleri 1 den çok küçük kabul edilebilmektedir (Bejan, 199. Bu durumda eşitlik (1 yeniden düzenlenerek s 1 R P P ( 1 (,, ( ( c P P 1,, şekline etirilebilmektedir. 1 1, (15 Eşitlik (10 ile verilen etkinlik değeri bu çalışmada, C =1 deneli çaraz akım için yeniden düzenlenerek eşitlik (15 de eçen (1-e ifadesi 1-e=0.77tu-0. (16 şeklinde önerilmiştir. Bir boyutsuz sıcaklık farkı tanımı ile, 1, 1,, Soðuk akýþkan iriþ (17 P P L f D P L tu D St (19 (0 tarifleriyle (Bejan, 199 yeniden yazılan, boyut arametrelerini de içeren şekil önem kazanmaktadır. s 0. 77( L 0. 0. ( St D R L f ( c D (1 Burada boyutsuz kütle hızı, St Stanton sayısı ve f sürtünme faktörü olarak tariflenmiştir (Bejan, 199. P, u St Re Pr ( Eşitlik (1 ifadesinden entroi üretim birimini minimum yaacak, otimum akış yolu uzunluğu şeklinde tanımlanan (L/Dot değeri, L ( c ( ot ( 0. 1908 D 0 St R f. 1/ 1. (3 şeklinde bulunabilmektedir. Bu ifadenin eşitlik (1 de yerine konulması ise, s,min 0. 77 ( L ( ot St D 0. 0. R L f ( c D ot minimum entroi üretim birimini vermektedir. Entroi üretim biriminin minimum seviyede tutulabilmesi için, otimum akış yolu uzunluğuna benzer şekilde, ısı transfer alanı ve kütle akış hızlarının da etkileri incelenmek istenebilir. Bu durumda, ısı transfer alanı A ve kanal kesit alanı Ac değerleriyle hidrolik çaın tanımından, Mühendislik Bilimleri Derisi 1996 (3 185-19 190 Journal of Enineerin Sciences 1997 (3 185-19
Çaraz Akımlı Bir Isı Değiştirecinin eorik ve Deneysel Analizi, R.. Oğulata, F. Doba A L D A c bağıntısı kullanılarak boyutsuz ısı transfer alanı, A L 1 D (5 (6 şeklinde tanımlanmıştır. Buna öre eşitlik (1 ile verilen entroi üretim birimi, s 0. 77 ( St A 0. 0. 0. R f A c 3 (7 şeklinde yazılabilmektedir. Entroi üretim birimini minimum yaacak boyutsuz otimum kütle hızı ise, ot ( 0. 1908 3A ( 1. St 0. R f c 1/ 3. (8 biçiminde, minimum entroi üretim birimi ise bu ifadelerin yerine konulmasıyla s,min 0. 77( 0 St A. 0. 0. ot şeklinde yazılabilmektedir. R f A c 3 ot. ARIŞMA VE SOUÇ (9 Laboratuvar şartlarında imalatı yaılan levhalı ti ısı değiştirecinin ölçümler sonucu bulunan etkinlik değerinin, tu ile değişimi şekil 7 de verilmiştir. örüldüğü ibi deneyi yaılan ısı değiştirecinin C =1 deneli çaraz akım hali için belirlenen etkinlik değerleri, teorik değerlerle çok iyi uyum sağlamaktadır. Bir ısı değiştirecinde etkinliğin artırılabilmesi için; ısı transferi ve sürtünmeyle oluşan basınç kayıları şeklinde belirtilen kayıların azaltılabilmesi, entroi üretim biriminin minimum seviyede tutulmasını erektirmektedir. Bu amaçla entroi üretim birimini minimum seviyede tutacak, tasarıma esas eşanjör konstrüksiyon boyutlarının özönüne alınması uyun olacaktır. Bunun için konstrüksiyon boyutlarını içeren ve eşitlik (3 ile verilen otimum akış yolu uzunluğunun boyutsuz kütle hızı ile değişimi belirlenmelidir. Şekil 8 de bu değişim ile beraber deneysel ölçüm değeri de österilmiştir. örüldüğü ibi boyutsuz kütle hızının artması veya birim alandaki kütle debisinin artması, ısı transferi açısından daha küçük bir otimum akış yolu uzunluğunu yeterli örmektedir. Şekil 9 da ise, bu otimum akış yolu uzunluğu ile temin edilebilen minimum entroi üretim biriminin değişimi yine deneysel olarak tesit edilen değerle beraber österilmiştir. Burada kanallarda oluşan basınç kayılarının daha az olacağı nedeniyle küçük boyutsuz kütle hızlarında, büyük olan otimum akış yolu uzunluğunun, daha uyun minimum entroi üretim birimi sağladığı örülmektedir. Otimum akış yolu uzunluğunun artması, L nin artması veya D nin azalması şeklinde değerlendirilecek olursa sürtünme, dolayısıyla basınç kayılarının artmasıyla bu zaten beklenen bir durumdur. Sonuç olarak otimum akış yolu uzunluğunun artması; ısı değiştirecindeki akışkanın sürtünme tersinmezliklerine, azalması ise akışkanlar arasındaki ısı transferi tersinmezliklerine neden olduğu söylenebilir. Minimum entroi üretim biriminin sağlanması için, ısı transfer alanı kriterinin de özardı edilmemesi erekmektedir. Bunun için eşitlik (6 ile tanımlanan boyutsuz ısı transfer alanının, eşitlik (8 ile verilen otimum boyutsuz kütle hızı ile değişimi ve deneyi yaılan ısı değiştirecinin ölçüm değeri şekil 10 da verilmiştir. örüldüğü ibi boyutsuz ısı transfer alanı arttıkça, ısı transferi açısından erekli olan otimum kütle hızı değeri de azalmaktadır. Şekil 11 de ise boyutsuz ısı transfer alanının, minimum entroi üretim birimi üzerindeki etkisi, ölçüm değeriyle birlikte örülmektedir. Küçük kütle hızlarında, daha çok ereken ısı transfer alanı minimum entroi üretim birimi açısından da daha uyun örülmektedir. Ancak boyutsuz ısı transfer alanının çok yüksek değerler alması, L nin büyümesi veya D nin küçülmesi olarak değerlendirilecek olursa, kullanılan malzemenin fazlalığı nedeniyle ilk yatırım masrafları ile ağırlık roblemlerini meydana etirecektir. Bu nedenle boyutsuz ısı transfer alanını mümkün mertebe azaltacak yüzey alan seçilmesi daha doğru olacaktır. Şekillerin hesinden örüldüğü üzere, ölçümler sonucu belirlenen değerler, teorik değerlere oldukça yakın sonuçlar vermektedir. Değerler arasında oluşan fark ise daha ziyade imalattan meydana elen hatalar ile ölçümden kaynaklanan hatalar olarak kabul edilebilir. 5. SEMBOLLER a İkizkenar üçen rofilin taban kenar uzunluğunun yarısı (m A c Isı transfer alanı (m C Akışkanın ısıl kaasitesi (W/K c Akışkanın özül ısısı (J/k K d Ça (m D Hidrolik ça (m f Sürtünme faktörü (- F Isı transfer yüzey alanı (m Kütle hızı (k/sm K olam ısı tranfer katsayısı (W/ m K Mühendislik Bilimleri Derisi 1996 (3 185-19 191 Journal of Enineerin Sciences 1997 (3 185-19
Çaraz Akımlı Bir Isı Değiştirecinin eorik ve Deneysel Analizi, R.. Oğulata, F. Doba L Isı değiştirecinin kesit kenar uzunluğu (m m Kütlesel debi (K/s u usselt sayısı (- s Entroi üretim birimi (- tu Isı transfer birimi (- Pr Prandtl sayısı (- Q Isı transfer miktarı (W R az sabiti Re Reynolds sayısı (- s Alüminyum levha kalınlığı (m S Entroi (W/K St Stanton sayısı (- Eşanjör etkinliği (- P Basınç kaybı (Pa Sıcaklık farkı (K Akışkanın kanal içindeki ortalama yoğunluğu (k/m 3 6. KAYAKLAR Bayazıtoğlu,Y. Ö., Işık, M.. 1988. Elements of Heat ransfer, (33, Mc-raw Hill Book Comany Bejan, A. 1978. eneral Criterion for Ratin Heat- Exchaner Performance, Int. Journal of Heat and Mass ransfer, Vol 1, 655-658 Bejan, A., Poulikakas, D., 198. Fin eometry for Minimum Entroy eneration in Forced Convection, Journal of Heat ransfer, Vol 10, 616-63 Bejan, A., 199. Entroy eneration hrouh Heat and Fluid Flow, (00 P, John Wiley&Sons, ew York. Eğrican,., 1989. Isı Değiştiricisi asarımında ermodinamiğin II. Kanununa Dayanan Bir Yöntem, Mühendis ve Makina, Sayı 35, Cilt 30, 10-16 Oğulata, R.., Doba, F., Küçük, A., 1995. Levhalı i Atık Isı eri Kazanım Sistemi, ermodinamik Derisi, 67-69 Oğulata, R.., Küçük, A., 1995. Reküeratif i Eşanjörlerde Verim Ölçümü, Ç.Ü. Müh.Mim.Fak. Derisi, Cilt 10, Sayı 1-, 7-57 Sekulic, D.P., 1990. he Second Law Quality of Enery ransformation in a Heat Exchaner, Journal of Heat ransfer, Vol 11, 95-300 Van Den Bulck, E., 1991. Otimal Desin of Crossflow Heat Exchaners, Journal of Heat ransfer, Vol 113, 31-37. Mühendislik Bilimleri Derisi 1996 (3 185-19 19 Journal of Enineerin Sciences 1997 (3 185-19