ISI DEĞĠġTĠRGEÇLERĠ DENEYĠ 1. Teorik Esaslar: Isı değiştirgeçleri, iki akışın karışmadan ısı alışverişinde bulundukları mekanik düzeneklerdir. Isı değiştirgeçleri endüstride yaygın olarak kullanılırlar ve değişik tasarımlarda olabilirler. En basit ısı değiştirgeci modeli çapları farklı iç içe geçmiş borulardan oluşur. Akışlardan biri içteki boruda akarken, diğeri iki boru arasındaki boşlukta akar. Sıcak akışkandan soğuk akışkana ısı geçişi, akışkanları birbirinden ayıran silindirik boru cidarından olur. Daha gelişmiş tasarımlarda, iç borunun yerini gövde içinde dönüşler yapan bir boru demeti alır. Bu şekilde ısı geçiş yüzeyi ve buna bağlı olarak da ısı geçişi arttırılmış olur.[1] İki akışkan arasındaki sürekli ısı alışverişi sebebiyle sıcaklıklar yüzey boyunca değişirler. Bu sıcaklık değişimleri akışkanların akış yönlerine bağlı olup ısı değiştirgeçlerini yönlerine göre dört sınıfta ayırmak mümkündür; [2] a) Aynı yönlü paralel akım b) Zıt yönlü paralel akım c) Çapraz akım d) karışık akım 2. Isı DeğiĢtirgeçleri ile Ġlgili Termodinamik Bağıntılar: İçinde tek fazlı akışkan aktığı eş eksenli bir ısı değiştirgecindeki sıcaklık dağılımı aynı yönlü ve zıt yönlü akımlar için Şekil 1 de gösterilmiştir.
Şekil 1. Aynı yönlü ve zıt yönlü paralel akımlı ısı değiştirgeçlerindeki sıcaklık dağılımının uzunlukla değişimi. İki akış (aynı zamanda metal cidarla iki akış) arasındaki sıcaklık farkı ısı değiştirgeci boyunda değişmektedir. Eğer yerel sıcaklık farklarının ortalama değeri bulunursa ısı transferi hesapları kolaylaşır. Akışkan arasındaki ortalama sıcaklık farkını veren ifade; şeklinde tanımlanır. Benzer ifadeler akış ile cidar arasındaki ortalama sıcaklık farkı içinde kullanılabilirler. Isı transferi miktarı; olarak verilir. Ölçülen sıcaklıklar ve kütlesel debiler için sıcak akışkandan ısı transferi miktarı; soğuk akışkana ısı transferi miktarı; olarak yazılır. Toplam ısı transferi katsayısı;
boru iç yüzeyi ile sıcak akışkan arasındaki yüzey ısı transferi katsayısı; boru dış yüzeyi ile soğuk akışkan arasındaki yüzey ısı transferi katsayısı; olarak yazılabilir. Isı değiştirgeçlerinde ısı transferine etki eden faktörlerin fazlalığından, ısı değiştirgeçleri problemlerinin teorik çözümü hemen hemen imkansızdır. Bununla beraber, deneysel araştırmalarla birleştirilen benzerlik analizleriyle hesapları kolaylaştırıcı boyutsuz sayılar bulunmuştur. Bu deneyde kullanılacak boyutsuz sayılar; Nusselt Sayısı Reynolds Sayısı Prandtl Sayısı şeklinde verilmiştir. Tam gelişmiş türbulanslı akım için; bağıntısı kullanılabilir. Bu bağıntılar kullanılırken akışkan özellikleri, akışkanın giriş ve çışı sıcaklıkları ortalama karışım sıcaklığında değerlendirileceklerdir. [3] 3. Deney Tesisatı: Deney standı tüm ekipmanları ile birlikte şematik olarak şekil 2 de gösterilmiştir.
Şekil 2. Su-Su Paralel Akımlı Çift Borulu Isı Değiştirgeci deney standı Eş merkezli çift borulu ısı değiştirgecinde, sıcak su göbek boru içinden, ısı alan soğuk su ise göbek boruyu çevreleyen dış boru içinden akmaktadır. Sıcak ve soğuk suyun ısı değiştirgecine giriş ve çıkış sıcaklıkları, aynı anda ve birbirinden bağımsız termoelemanlar yardımıyla ölçülmektedir. Dış çapı 9,5mm ve iç çapı 7,9mm olan göbek borusu içinden geçirilen sıcak su, paslanmaz çelik ve bronz alaşımından yapılmış laboratuvar tipi küçük bir santrifüj pompa aracılığıyla sirküle ettirilmektedir. Dış çapı 12,7mm ve iç çapı 11,1mm olan dış borudan geçen soğuk su şebekeden alınmaktadır. Bakır malzemeden imal edilmiş olan ısı değiştirgecinin uzunluğu 870mm dir. Sıcak akışkan olarak kullanılan suyun ısıtılması, 220V 50Hz şebeke gerilimi ile beslenen 3,1kW gücündeki elektriksel ısıtıcıyla gerçekleştirilmektedir. Emniyet açısından sıcak su için maksimum işletme sıcaklığı (sıcak akışkan giriş sıcaklığı) 80 o C olarak sınırlandırılmıştır. Sıcak su için değişik işletme sıcaklığı değerleri, deney standına özel olarak monte edilmiş bir şalter yardımı ile ayarlanır.
Sıcak ve soğuk akışkanların ısı değiştirgecindeki debilerini ölçmek için iki adet ratometre kullanılmaktadır. Akışkan debilerinin istenen değerlere getirilmesi, akış kumanda valflerinin konumları değiştirilerek sağlanmaktadır. 4. Deneyin Yapılması ve Ġstenenler: a) Sıcak akışkanın giriş sıcaklığının ayarlanması b) Sıcak ve soğuk akışkanların debilerinin ayarlanması c) Sirkülasyon pompası çalışırken sıcak akışkan debisinin değiştirilerek ölçüm noktalarındaki sıcaklık değerlerinin okunması d) Sıcak ve soğuk akışkanların ısı transferi miktarlarının belirlenmesi e) İç ve dış borulardaki su hızlarının belirlenmesi f) Ortalama sıcaklık farkının, sıcak su ve boru iç yüzeyi, soğuk su ve boru dış yüzeyi, sıcak akışkan ve soğuk akışkan için belirlenmesi g) Boru iç yüzeyindeki ısı transfer katsayısının belirlenmesi h) Boru dış yüzeyindeki ısı transfer katsayısının belirlenmesi i) Toplam ısı transfer katsayısının belirlenmesi j) Nu, Re ve Pr sayılarının belirlenmesi k) Sıcak ve soğuk akışkanların ısı transferi miktarlarının sıcak su debisine bağlı değişiminin grafik olarak gösterimi l) Prandtl sayısı sabit iken Nusselt sayısının Reynolds sayısına bağlı değişim grafiğinin gösterilmesi m) Reynolds sayısının sıcak akışkanın debisine bağlı değişim grafiğinin gösterilmesi yapılacaktır. 5. Yararlanılan Kaynaklar: 1. Çengel, Y.A., Boles, M.A., Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik, McGraw-Literatür Yayıncılık, Eylül 1996, İSTANBUL. 2. Karakoç, S., Örneklerle Isı Transferi, Tıp & Teknik Yayıncılık, Ekim 1998, ANKARA. 3. P.H. HILTON Ltd., Experimental Operating and Maintenance Manual Water-Water Turbulent Flow Heat Transfer Unit, 1993, HAMPSHIRE, ENGLAND.
EK 1. ÖLÇME PROTOKOLÜ Akış Yönü: Aynı Yönlü Zıt Yönlü Ölçme Sıra No 1 2 3 4 5 6 Sıcak su girişi t 1 ( o C) Sıcak su çıkışı t 2 ( o C) Cidar sıcaklığı t 3 ( o C) Cidar sıcaklığı t 4 ( o C) Soğuk su t 5 ( o C) Soğuk su t 6 ( o C) Sıcak su debisi m sı (g/s) Soğuk su debisi m so (g/s) Logaritmik ortalama sıcaklık farkı ΔT m ( o C) Sıcak su ortalama sıcaklığı (t 1 + t 2 )/2 ( o C) Ortalama sıcaklıktaki özgül ısı c (J/kg o C) Ortalama sıcaklıktaki yoğunluk ρ (kg/m 3 ) Ortalama sıcaklıktaki ısı iletim katsayısı λ (W/mK) Ortalama sıcaklıktaki viskozite µ (N.s/m 2 ) Ortalama sıcaklıktaki Prandtl sayısı Pr Ortalama sıcaklıktaki Reynolds sayısı Re Sıcak akışkanın ısı transferi miktarı Q sı (W) Soğuk akışkanın ısı transferi miktarı Q so (W) Toplam ısı transferi katsayısı K (W/m 2 K) Isı değiştirgecinin ısıl verimi η