Özel Laboratvar Deney Föyü Deney Adı: Mikrokanatlı borlarda türbülanslı akış Deney Amacı: Düşey konmdaki iç yüzeyi mikrokanatlı bordaki akış karakteristiklerinin belirlenmesi 1 Mikrokanatlı Bor ile İlgili Kısa Bilgi Günümüzdeki endüstriyel proseslerin çoğ, işlevini yerine getirmek için bünyelerinde ısı değiştiricileri barındırmaktadır. Dolayısıyla ısı değiştirici sistemlerinin daha verimli çalışmasını sağlamak, karlılık oranını arttırma arayışının içindeki en önemli alanlardan biri haline gelmektedir. Daha yüksek ısı transfer oranının sağlanması için geliştirilen yglamalardan biri mikrokanatlı borlardır. Mikrokanatlı borların iç veya dış yüzeyleri, yüzey alanını arttırmak için değişik formdaki kanatçıklarla kaplıdır. Kesin bir tanım olmamakla birlikte kanat yüksekliğinin iç çapa oranı (D e /e) 0,02 ile 0,04 arasında olan borlar mikrokanatlı olarak adlandırılmaktadırlar (Şekil 1). Yapılan deneysel çalışmalar soncnda mikrokanatlı borların çeşitli ısı transferi yglamaları için düz borya oranla iki kat veya daha fazla iyileşme sağladığı görülmüştür. Bna rağmen mikrokanatlı bor kllanımının doğrdğ basınç düşümü düz borlara göre yaklaşık iki kat daha fazla olmaktadır. Dolayısıyla yapılacak olan mikrokanat yglamasının basınç düşümü, malzeme tasarrf, enerji tasarrf gibi konlar açısından ayrıntılı irdelenmesi gerekmektedir. Şekil 1: Mikrokanatlı bor kesit görüntüsü
2 Teorik Bilgiler Şekil 2 de bir cidar üzerindeki laminer ve türbülans kayma gerilmelerinin dağılımı gözükmektedir. Şekilden de görüleceği gibi cidar yüzeyine yakın bölgede laminer gerilmeler daha fazla fazladır. Cidardan zaklaştıkça ise b drm değişmekte ve türbülans gerilmeleri laminer gerilmeleri baskı altına almaktadır. B drm bize türbülanslı akışta da cidar kenarındaki hız profilini tahmin etme olanağı sağlar. Aşağıdaki şekilde τ w kayma gerilmesi olp hızın çeperden akış merkezine doğr değişimi ile alakalıdır: τ = µ y τ w = µ y Ykarıdaki kısmi diferansiyelden çıkış işleminin açıklaması viskoz alt tabakada hız gradyeninin Şekil 2 de de görüldüğü üzere hemen hemen sabit kalmasıdır. Dolayısı ile b bölgedeki hız gradyeni doğrsala çok yakın olarak kabl edilebilir. Viskoz sınır tabaka yanındaki hız dağılımını ölçmek için yapılan deneyler soncnda Çeper Yasası adı verilen bir denklem geliştirilmiştir: = ρy µ B denklemdeki hızı sürtünme hızı adı verilen sanal bir büyüklüktür ve τ w /ρ değerini almaktadır. Ykarıdaki denklemin sadece pürüzsüz yüzeyler için kllanılabileceğine dikkat edilmelidir. Pürüzlü yüzeylerde hız profili Nikradse tarafından önerilen aşağıdaki denklem ile yapılabilir: = 2, 5 log ( y e ) + B B denklemde B, bor pürüzlülüğüne göre değişik değerler almaktadır. Tamamıyla pürüzlü bir yüzeyde B değeri 8, 5 olarak alınabilir. Bna göre denklem tam pürüzlü bölgede, ( y ) = 5, 75 log + 8, 5 e halini alır. Son olarak ykarıdaki denklemlerde yer alan y değerinin cidardan olan mesafe oldğ ve dairesel bir bor için y = R r şeklini alacağı belirtilmelidir. Şekil 2: Türbülanslı akışta hız ve kayma gerilmesi 2
Tüm b bilgiler ışığında iç yüzeyi mikrokanatlı bor, pürüzlü bir yüzey olarak kabl edilip hız profili b kabl doğrltsnda yaklaşık olarak hesaplanabilir. Ancak ykarıdaki denklemlerden de görülebileceği üzere çeper kayma gerilmesi değeri tespit edilmeden bir hız profili blmak söz kons olmayacaktır. Çeper kayma gerilmesi ise sürtünme faktörü ile aşağıdaki şekilde ilişkilidir: f = 8τ w ρv 2 ort B ifadedeki f, yani Darcy sürtünme faktörü ise bor içindeki basınç düşümünün deneysel olarak tespit edilmesi ile blnabilir. Kapalı kanallardaki tam gelişmiş akışta meydana gelen basınç düşümü tüm akış türlerine göre değişim göstermeksizin aşağıdaki şekilde ifade edilir: P = f LρV 2 ort 2D 3 Deney Tesisatı ve Deneyin Yapılışı Tesisat şeması Şekil 3 te gösterildiği gibidir. Test devresine alınan ve kapalı devre olarak frekans konvertörlü bir pompa yardımıyla devridaim edilen s, karşıt akışlı ısı değiştiricisine girmeden önce istenilen sıcaklığa kadar sıcak s tankından gelen s ile plakalı ısı değiştiricisinde ısıtılmaktadır. Karşıt akışlı ısı değiştiricisinde ise iç bordan akan ısınmış s, ısı değiştiricinin halka kısmından akan soğk s ile soğtlmaktadır. Sistemde basınç ölçümleri iç bornn ısı değiştiriciye giriş ve çıkışlarında alınmakta olp ısı değiştiricinin her iki tarafındaki s için de sıcaklık ölçümü yapılmaktadır. Mikrokanatlı bornn akış özellikleri belirlenmek istendiğinden dolayı ısı değiştiricinin içindeki bor, özellikleri Tablo 1 de verilen mikrokanatlı bordr. Deneyler frekans konvertörlü pompanın devrinin değiştirilmesi ile sağlanacak farklı debi değerlerinde yapılacaktır. İstenen debi değeri sağlandıktan sonra fark basınç cihazından basınç düşümü oknacak olp, hesaplarda kllanılacak sya ait termofiziksel özellikler ise Pt100 sıcaklık ölçerlerden Şekil 3: Deney tesisatının şematik gösterimi 3
Tablo 1: Mikrokanatlı borya ait geometrik özellikler D e 7,48 mm D o 8 mm t 0,26 mm e 0,22 mm p 0,34 mm α 35 n 65 ad. L 1,1 m alınan verilerin bilgisayar üzerinden oknması ile elde edilecektir. Deneyle ilgili dikkat edilecek noktalar, pompanın çalışmıyor drmdayken fark basınç cihazından ölçülen değerin sıfır olması ve deney esnasında bilgisayardan oknan sıcaklık değerlerinin kalibrasyon denklemine konlmadan tabloya işlenmemesidir. Kalibrasyon denklemine girilmeyen sıcaklık değerleri gerçek değerlerden oldkça farklı çıkabilir! Eğer fark basınç cihazı pompa çalışmıyor drmda sıfırdan farklı bir değer okyorsa sistem kontrol edilip cihaz sıfırlanmalıdır. Farklı deneylerde oknan debi ve basınç düşümü ( P ) ile test devresindeki akışkanın giriş ve çıkış sıcaklık değerleri föy sonnda blnan Tablo 2 ye girilmelidir. Tabloda dikey çizginin sağ tarafında kalan değerler ise hesaplanarak blnacaktır. Blnan değerler yardımıyla deney esnasında belirtilecek iki adet ölçüm sonc için hız profili çıkarılacaktır. Hız profilini çıkarmak için Teorik Bilgiler bölümünden faydalanılabilir. İki farklı debideki hız profili için örnek Şekil 4 te gösterilmiştir. Şekil 4: Örnek hız profili karşılaştırması 4
Tablo 2: Deney verileri Deney No Debi (L/dk) P (mbar) T g ( C) T c ( C) f V ort (m/s) τ w 1 2 3 4 Deney Rapornda Yapılacaklar: Deneyin amacı Tablo 2 de belirtilen değerlerin hesaplanması Belirtilecek iki farklı deney için hız profilinin Şekil 4 teki gibi grafik olarak gösterimi Hız profilinin çiziminde belirtilen iki farklı deneyden birine ait tüm hesapların gösterimi Elde edilen sonçların yorm 5