6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), 16-18 May 2011, Elazığ, Turkey Dar Bir Kanal Ġçerisine YerleĢtirilmiĢ Farklı Sıcaklıklardaki Paralel Su Jetlerinin Isıl KarıĢım Karakteristiklerinin Ġncelenmesi Y. Varol 1, B. Kok 2 1 Fırat Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Elazığ/Türkiye, yvarol@gmail.com 2 Fırat Üniversitesi, Teknik Bilimler M.Y.O., Elazığ/Türkiye, besirkok@gmail.com Investigation of Thermal Mixing Characteristics of Parallel Water Jets with Different Temperatures Which Inserted in A Narrow Channel Abstract In this study, thermal mixing characteristics of two parallel water jets which inserted in a narrow channel with different temperature has been investigated experimentally. The channel is insulated and the flow is discharged from channel via a small pipe. The experiments were performed for different inclination angle (θ = 0 o, 30 o, 60 o and 90 o ). of the channel. In the performed experiments, the lowest value for thermal mixing is obtained for = 0 o. Thermal mixing is increased with increasing of channel inclination angle. Keywords Jet Flows, Mixed Convection on Jets, Parallel Jets, Heat Transfer I.GĠRĠġ Birçok mühendislik uygulamasında farklı amaçlar için jet kuvvetlerinden yararlanılmaktadır. Jet kuvvetler; kullanılarak iki veya daha fazla gaz ya da sıvının karıģtırılması, bilinen pervaneli karıģtırıcılara alternatif olarak son yıllarda en fazla tercih edilen metotlardan biridir. Çünkü bu metot ile daha düģük maliyetli, daha hızlı ve homojen sonuç elde etmek mümkündür. Literatürde farklı sıcaklıklardaki jetlerin karıģım karakteristiklerine dair pek çok sayısal ve deneysel çalıģma mevcuttur. Dağtekin ve Öztop [1], yaptıkları sayısal çalıģmada bir tarafı kapalı ve zemini sıcak bir kanala dikey olarak yerleģtirilen farklı hızlara sahip çift jetin akıģ ve ısı transfer karakteristiklerini incelemiģlerdir. Wang vd. [2-4], farklı sıcaklıklardaki ve karģıt yönlerdeki iki jetinin çeģitli geometrik kombinasyonlara bağlı karıģım etkinliğini incelemiģlerdir. Devahastin ve Mujumdar [5], yaptıkları sayısal çalıģmada karģıt akımlı farklı sıcaklıklara sahip iki buhar jetinin akıģ ve karıģma karakteristiklerini zamana bağlı olarak çözmüģlerdir. Bu çalıģma sonucunda, hem giriģ jeti hızının hem de sistemin geometrik yapısının karıģımın etkinliği üzerinde önemli etkisinin olduğu tespit edilmiģtir. Ayrıca literatürde birbirine T Ģeklinde veya farklı açılarda bağlanmıģ boru-kanal ve içerisinden farklı sıcaklıklarda akıģkanın geçtiği pek çok sayısal ve deneysel çalıģma mevcuttur [6-11]. Ergen [12], düģük lüle plaka aralıklarında çarpan hava jetinin ısı transferi özelliklerini PHOENICS ticari yazılımını kullanarak sayısal olarak incelemiģtir. Sonuç olarak lüle plaka mesafesinin çok düģük olduğu durumlarda lüle çıkıģında maksimum bir ısı transferi sağlandığını tespit etmiģtir. Köseoğlu [13], jet ile çarpma plakası arasındaki sıcaklık farkının yerel ve ortalama Nusselt sayısına etkisini deneysel ve sayısal olarak incelemiģtir. Bu çalıģmada, konu ile ilgili yapılan çalıģmalar da göz önünde bulundurularak kanal eğim açısının ısıl karıģım üzerindeki etkileri inceleniģtir. II.DENEY DÜZENEĞĠNĠN TANITILMASI Deney düzeneği ġekil 1 de görüldüğü gibi su kanalı, rota metreler, veri derleyici (data logger) ve su ısıtıcısından oluģmaktadır. Sistemin ana unsurlarından olan su kanalı 2 mm kalınlığında sac kullanılarak imal edilmiģtir. Bu sac, kanalın ebatları 400 x 800 x 30 mm olacak Ģekilde kıvrılmıģ ve gerekli yerler kaynaklı birleģtirme yapılmıģtır. Kanalın giriģ bölgesine birbirine paralel iki adet su jeti monte edilmiģtir. Bu jetler arası mesafe 250 mm olarak belirlenmiģtir. Kanal içerisindeki suyu dıģarı boģaltmak amacıyla bir adet su tahliye vanası çıkıģa yerleģtirilmiģtir. Su kanalının üst kısmı kanal içindeki akıģın görülebilmesi için 5mm kalınlığında flexiglass ile kapatılmıģtır. 298
Dar Bir Kanal İçerisine Yerleştirilmiş Farklı Sıcaklıklardaki Paralel Su Jetlerinin ġekil 1: Deney setinin çalıģma diyagramı Kanal içerisinden ısıl çiftler vasıtasıyla ölçümler alınmıģtır. Sistemde 20 tanesi kanal içerisinde, iki tanesi giriģlerdeki su jetlerinde ve bir tanesi su tahliye bölgesinde olmak üzere toplam 23 adet ısıl çift (ġekil 2) kullanılmıģtır. Bu ısıl çiftler veri derleyiciye bağlanmıģ olup sonuçlar doğrudan bilgisayara aktarılmaktadır. Su kanalı 30 x 30 mm kutu profil kullanılarak imal edilmiģ bir sehpaya bağlanmıģtır. Bu sehpa yardımı ile su kanalına istenilen açı verilebilmektedir. Deneyler ġekil 2 de görüldüğü gibi farklı kanal eğim açıları (θ = 0 o, 30 o, 60 o ve 90 o ) için yapılmıģtır. Deney setinde sıcak ve soğuk su jetlerinin debilerini ölçmek ve jetlere istenilen debide su verebilmek için iki adet rota metre kullanılmıģtır. Bu rota metrelerin üzerinde bulunan debi ayar vanaları sayesinde sisteme verilen suyun debisi kolayca ayarlanabilmektedir. Deneylerde kullanılan sıcak su; elektrikli bir su ısıtıcısı kullanılarak ısıtılmıģtır. Soğuk su olarak da Ģebeke suyu kullanılmıģtır. Kanal yüzey alanı ġekil 2 de görüldüğü gibi X ekseni boyunca 5 sütuna ve Y ekseni boyunca 4 satıra bölünmüģtür. Bu satır ve sütunların kesiģim noktalarına birer ısıl çift yerleģtirilmiģtir. Kanal içerisindeki akıģın dıģ ortam sıcaklığından etkilenmemesi ve kanal içerisinden ısı kaybı oluģmaması için su kanalı cam yünü ile yalıtılmıģtır. 299
Y. Varol, B.Kok ġekil 2: Deney seti III.BULGULAR A. Kanal eğim açısının tahliye bölgesine etkisi ġekil 2 de görüldüğü gibi T5, T10, T15 ve T20 sıcaklık ölçüm noktalarından oluģan sütun su tahliye vanasına en yakın bölgede olduğu için bu sütun boyundaki sıcaklık değiģimleri önem taģımaktadır. Yapılan deneyler sonucunda giriģ nozullarına su verildikten yaklaģık 450 sn sonra kanal içerisindeki karıģımın sürekli rejime geldiği tespit edilmiģtir. Bu sütunun 450. saniyedeki yani sürekli rejime geldiği andaki kanal eğim açısına bağlı ısıl değiģmeleri ġekil 3 te verilmiģtir. Yapılan bu deneylerde, giriģteki su jetlerinin nozul çapı D = 5 mm, sıcak su sıcaklığı T sıcak 35 o C, soğuk su sıcaklığı T soğuk 20 o C, soğuk suyun kütlesel debisi M soğuk = 3 lt/dk ve sıcak suyun kütlesel debisi M sıcak = 3 lt/dk olarak belirlenmiģtir. ġekilde görüldüğü gibi θ = 0 o, 30 o ve 60 o kanal eğim açılarında sütun boyunca ortalama 0.5-1 o C aralığında bir sıcaklık değiģimi meydana gelmiģtir. Fakat kanal eğim açısının θ = 90 o olduğu durumda yaklaģık 1.5 o C lik bir sıcaklık değiģimi meydana gelmiģtir. Buradan θ = 90 o de sütun boyunca ısıl karıģımın nispeten daha kötü olduğu anlaģılmaktadır. T5 noktasında bütün kanal eğim açıları için sıcaklık değerinin birbirine yakın olduğu görülmektedir. ġekil 3. AkıĢ tahliye bölgesindeki sütunun t = 450. saniyedeki kanal eğim açısına bağlı sıcaklık değiģimi B. Akış Kanalı Boyunca Karışım İndeksinin İrdelenmesi Yapılan bu çalıģmada sıcak ve soğuk su arasında mükemmel karıģım hedeflenmiģtir. Bu doğrultuda kanal içerisinde karıģım verimini veren, 300
Dar Bir Kanal İçerisine Yerleştirilmiş Farklı Sıcaklıklardaki Paralel Su Jetlerinin St MI 100 T bağıntısı kullanılmıģtır. Burada S t sıcak ve soğuk su sıcaklığı arasındaki standart sapmayı göstermektedir. Standart sapma, S t n i 1 ile hesaplanır. 2 T T n 1 h ort (1) / (2) EĢitliklerde MI (mixing index), karıģım indeksini, ΔT, sıcak ve soğuk su arası sıcaklık farkı ve T ort, sıcak ve soğuk suyun ortalama sıcaklığını ifade etmektedir. Kanal, ġekil 2 de görüldüğü gibi X ekseni boyunca 5 sütuna bölünmüģtür. ġekil 4 te verilen grafikte bu sütunların ortalama karıģım indeksleri verilmiģtir. Grafik karıģım indeksinin kanal boyunca yüzde cinsinden değerlerini vermektedir. Burada kanal içerisinde sıcak ve soğuk suyun hiç karıģmadığı nokta olan x = 0 metre mesafesinde karıģım indeksi %100 dür. Bu indeks yüzdesinin MI = 0 a yaklaģması sıcak ve soğuk suyun karıģım veriminin iyileģmesi anlamına gelmektedir. ġekil 4. KarıĢım indeksinin t = 450. saniyedeki kanal boyunca değiģimi ġekil 4 te görüldüğü üzere kanal boyunca ısıl karıģım verimi kanal eğim açısı θ = 0 o de diğer durumlara göre nispeten daha düģüktür. En verimli ısıl karıģımın θ = 30 o olduğu Ģekilden anlaģılmaktadır. oluģturulmuģtur. Bu eğriler Tecplot programı kullanılarak elde edilmiģtir. ġekil 5 te farklı kanal eğim açılarına bağlı eģ sıcaklık eğrilerinin karģılaģtırılması verilmiģtir. C. Kanal Eğim Açısının Eş Sıcaklık Eğrileri Üzerindeki Etkisi Bu bölümde kanal içerisine yerleģtirilen ısıl çiftlerin 450. saniyedeki sıcaklık ölçümleri kullanılarak eģ sıcaklık eğrileri 301
Y. Varol, B.Kok 29.129.5229.9430.3630.7831.231.6232.0432.46 o C 28.22 28.8 29.38 29.96 30.54 31.12 31.7 o C Frame 001 17 Nov 2009 Frame 001 11 Nov 2009 a) b) 29.42 29.94 30.46 30.98 31.5 32.02 32.54 o C 28.35 29.2 30.05 30.9 31.75 32.6 33.45 o C c) d) ġekil 5. EĢ sıcaklık eğrilerinin t = 450. saniyedeki kanal boyunca değiģimi a) = 0 o, b) = 30 o, c) = 60 o, d) = 90 o IV. SONUÇLAR Kanal içerisinde sıcak ve soğuk su jetlerinin ısıl karıģımı yukarıda verilen grafiklerden de görüldüğü gibi kanal eğim açısından oldukça etkilenmektedir. Gerek tahliye bölgesi gerekse bütün kanal boyunca θ = 0 o de ısıl kalıģım verimi diğer durumlara göre nispeten düģüktür. Kanal içerisinde bazı bölgelerde karıģım verimi iyi gibi görülse de kanal boyunca ısıl değiģimlerin çok çeģitli olması kanal boyunca homojen bir karıģımın oluģmadığı sonucunu vermektedir. Kanal eğim açısı arttırıldıkça soğuk ve sıcak su arası ısıl karıģımın iyileģtiği ve kanal boyunca nispeten daha homojen bir karıģımın oluģtuğu tespit edilmiģtir [14]. KAYNAKLAR [1] Dagtekin, I. ve Oztop, H.F., Heat transfer due to double laminar slot jets impingement onto an isothermal wall within one side closed long duct, Int. Comm. Heat Mass Transfer, 35, 65-75, 2008. [2] Wang, S.J., Devahastin, S. and Mujumdar, A.S., A Numerical Ġnvestigation of Some Approaches to Ġmprove Mixing in Laminar Confined Ġmpinging Streams, Applied Thermal Engineering, 25, 253-269, 2005. [3] Wang, S.J., Devahastin, S. and Mujumdar, A.S., Effect of temperature difference on flow and mixing characteristics of laminar confined opposing jets, Applied Thermal Engineering, 26, 519-529, 2006. [4] Wang, S.J. and Mujumdar, A.S., Flow and mixing characteristics of multiple and multi-set opposing jets, Chemical Engineering and Processing, 46, 703-712, 2007. [5] Devahastin, S. and Mujumdar, A.S., A numerical study of flow and mixing characteristics of laminar confined impinging streams, Chemical Engineering journal, 85, 215-223, 2002. [6] C.Walker, M. Simiano, R. Zboray and H.-M. Prasser, Investigations on mixing henomena in single-phase flow in a T-junction geometry, Nucl. Eng. and Design 239 116 126, 2009. [7] Ting Wang, Sekhar Chintalapati, Ronald S. Bunker and Ching Pang Lee, Jet mixing in a slot, Experimental Thermal and Fluid Science 22 1-17, 2000. [8] Lin-Wen Hu and Mujid S. Kazimi, LES benchmark study of high cycle temperature fluctuations caused by thermal striping in a mixing tee, Int. J. of Heat and Fluid Flow 27 54 64, 2006. [9] H. Kamide, M. Igarashi, S. Kawashima, N. Kimura and K. Hayashi, Study on mixing behavior in a tee piping and numerical analyses for evaluation of thermal striping Nucl. Eng. and Design 239 58 67, 2009. [10] V.S. Naik-Nimbalkar, A.W. Patwardhan, I.Banerjee, G.Padmakumar and G.Vaidyanathan, Thermal mixing in T-junctions, Chem. Eng. Science 65 5901 5911, 2010. [11] Cheng-Chi Chang, Yue-Tzu Yang, Tzu-Hsiang Yen and Cha o-kuang Chen, Numerical investigation into thermal mixing efficiency in Y- shaped channel using Lattice Boltzmann method and field synergy principle, Int. J. of Thermal Sciences 48 2092 2099, 2009. [12] Ergen, H., DüĢük lüle plaka mesafelerinde çarpan hava jetinin oluģturduğu ısı transferinin sayısal olarak incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 2007. [13] Köseoğlu, M.F., Çarpan akıģkan jetleri kullanılarak elektronik elemanların soğutulmasının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 2007. [14] Kok, B., Eğimli kanallarda farklı sıcaklıklardaki sınırlı jet akıģlarında ısıl karıģmanın eneysel olarak incelenmesi,, Yüksek Lisans Tezi,Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ, 2010. 302