PARALEL VE ZIT AKIŞLI ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ DENEYİ Arş. Gör. Emre MANDEV 1. Giriş Mühendislik uygulamalarında en çok karşılaşılan konulardan birisi, farklı sıcaklıklardaki iki veya daha fazla akışkan arasındaki ısı transferidir. Bu ısı transferi, karışım odaları veya ısı eşanjörleri kullanılarak gerçekleştirilebilir. Isı eşanjörlerinde aralarında ısı transferi gerçekleşen akışkanlar katı bir cidar ile ayrılmış olup birbirleri ile karışmazken, karışım odalarında akışkanların tamamı karıştırılır. Isı değiştiricileri yanı eşanjörler endüstrinin en önemli ısı tekniği cihazlarından olup bunlar; buharlaştırıcı, yoğuşturucu, ısıtıcı, soğutucu vb. değişik adlar altında kimya ve petrokimya endüstrilerinin, termik santrallerin, soğutma, ısıtma ve iklimlendirme tesislerinin hemen her kademesinde değişik tip ve kapasitelerde görülebilir. Isı değiştiricileri genellikle konstrüksiyon özellikleri ve akış tiplerine göre sınıflandırılırlar. Bu sınıflandırmalar çözüm proseslerini ve analiz yöntemlerini doğrudan etkileyeceği için oldukça önemlidir. Aşağıda ısı değiştiricileri için konstrüksiyon özellikler ve akış tiplerine göre sınıflandırmalar verilmiştir. Akış tiplerine göre ısı değiştiricileri; 1. Paralele akışlı 2. Zıt akışlı 3. Çapraz akışlı Konstrüksiyon özelliklerine göre ısı değiştiricileri; 1. Borulu ısı değiştiriciler Düz borulu ısı değiştiriciler Spiral borulu ısı değiştiriciler Gövde ve boru tipi ısı değiştiriciler 2. Levhalı ısı değiştiriciler Contalı levhalı ısı değiştiriciler Gövde levhalı ısı değiştiriciler Spiral levhalı ısı değiştiriciler Lamelli levhalı ısı değiştiriciler 3. Kanatlı yüzeyli ısı değiştiriciler Levhalı kanatlı ısı değiştiriciler Borulu kanatlı ısı değiştiriciler 4. Rejeneratif ısı değiştiriciler Sabit dolgu maddeli rejeneratörler Döner dolgu maddeli rejeneratörler
2. Amaçlar Deney düzeneği, deney ekipmanları ve mevcut 4 tip ısı değiştiricisinin tanıtılması Isı değiştiricilerinin herhangi birinde zıt ve paralel akış şartlarının incelenmesi Deneysel verilerin toplanması, işlenmesi ve literatürler uyumunun incelenmesi Isı değiştiricisi için birinci kanun analizinin yapılması ve değerlendirilmesi 3. Düzenek Deney düzeneği GUNT marka WL110 model ısı değiştiricisi gövdesi ve ekipmanlarından oluşmaktadır. Düzeneğin görseli aşağıda verilmiştir. WL 110: Isı değiştiricisi gövdesi sıcak ve soğuk akışkanların istenilen şartlara getirildiği ve ilgili ısı değiştiricisi ekipmanlarına gönderildiği bölümdür. Gövdeye soğuk akışkan açık sistem olarak bağlanırken, sıcak akışkan ise tank içerisinde kapalı devre olarak çalışmaktadır. Gövde üzerinde sıcak ve soğuk akışkanların debilerinin ayarlandığı iki adet vana bulunmaktadır. Ayrıca gövde üzerinden sıcak akışkanın sıcaklığı bir termostat vasıtası ile istenilen değere getirilebilmektedir. Gövde üzerindeki indikatörler yardımıyla sıcak ve soğuk taraf için giriş, çıkış, orta bölge sıcaklıkları ve akışkan debileri kolaylıkla okunabilmektedir. WL 110.01: Çift Borulu Isı Değiştiricisi (L=360mm D=16 mm d=10 mm Aort=0,025 m 2 )
WL 110.02: Plakalı Isı Değiştiricisi (Aort=0,048 m 2 ) WL 110.03: Gövde Borulu Isı Değiştiricisi (L=400 mm D=44 mm d=7x4 mm Aort=0,02 m 2 ) WL 110.04: Karıştırıcılı Ceket Tipi Isı Değiştiricisi (Aort=0,05 m 2 ) 4. Verileri Toplama Deneyler öğretim elemanın takdirine göre istenilen ısı değiştiricisinde farklı sıcaklıklar ve debilerde gerçekleştirilir. Ayrıca akış şartları da değiştirilerek zıt ve paralel akış durumları da incelenir. Veriler sistem kararlı hale geldikten sonra okunarak aşağıdaki tablo doldurulur. Akış Tipi Th,g Th,ç Tc,g Tc,ç V h V c 5. Hesaplamalar yapılmalıdır. Hesaplamalar her bir deney için aşağıda maddeler halinde verilen prosedür izlenerek Öncelikle akış karakteristiklerini (laminer veya türbülanslı Rekritik=2300) belirlemede kullanılacak Reynolds sayısı her iki taraf için hesaplanmalıdır. Eşitlikte verilen çap değeri hidrolik çaptır, halka şeklindeki borularda hidrolik çapın nasıl hesaplandığı hususuna dikkat edilmelidir.
VDh Re Akış karakteristikleri belirlendikten sonra Nusselt sayısı hesaplanır. Burada akış 0.8 karakteristiğine göre Colburn eşitliği ( Nu 0,023Re Pr n ısıtmada n=0,4 soğutmada n=0,3), halka şeklindeki borular için Kays ve Perkins Tablosu, veya tam gelişmiş laminer iç akış için ampirik Nusselt sayıları kullanılacaktır. (Bknz. Yunus Çengel Isı Transferi Zorlanmış İç Taşınım ve Isı Değiştiricileri Bölümleri) Ardından belirlenen Nusselt sayıları yardımıyla soğuk ve sıcak taraflar için hi ve hd iç ve dış taşınım katsayıları belirlenecektir. Nu k h D Toplam ısı transfer katsayısı U, iç ve dış taşınım katsayıları kullanılarak yaklaşık olarak aşağıdaki gibi hesaplanır. U 1 1 1 h h i d Devamında sıcak ve soğuk taraftan elde edilen giriş ve çıkış sıcaklıkları yardımıyla T 1, T 2 ve T Lm ifadeleri hesaplanır. T Lm T1 T2 ln( T / T ) 1 2 Sonuç olarak ısı değiştiricide meydana gelen ısı transferi Q aşağıdaki gibi hesaplanır. Q UA T s Lm Ardından soğuk ve sıcak tarafa geçen ısı miktarı da ayrı ayrı hesaplanmalıdır. Ve aşağıdaki tablolar doldurulmalıdır. Q m cp T T h h h h, g h, ç Q m cp T T c c c c, ç c, g Not: Hesaplamalarda kullanılacak termofiziksel özellikleri belirlerken ortalama sıcaklık verilerini kullanmayı unutmayınız.
Deney No Re i Re d İç karkater Dış Karakter Nu i Nu d h i h d Deney No U T 1 T 2 T Lm Q Q h Q c 6. Deney Raporu Raporun ilk sayfası öğrenci ve deney bilgilerini içeren kapaktan oluşmalıdır. Bu kapak sayfasına ad, soyad, numara, grup numarası, deneyin yapıldığı tarih, deneyin adı muhakkak yazılmalıdır. Devam eden sayfaya verin toplandığı tablo doldurulmuş olarak konulmalıdır. Ardından 4 farklı deney için hesaplamalar yapılmalıdır ve hesaplama kısmında verilen tablolar doldurularak rapora eklenmelidir. Her hafta öğretim elemanı tarafından bir ödev verilir, bu ödev de raporun sonuna eklenmelidir. Deney raporları bireysel olarak hazırlanmalıdır, hazırlanan rapor PDF formatında deney yapılış tarihinden 1 hafta sonra emre.mandev@erzurum.edu.tr adresine saat 12:00-14:00 arasında mail olarak gönderilecektir. Rapor gönderim gününde deney saati bitiminde rapor göndermiş öğrencilerle öğretim elemanının odasında rapor değerlendirmesi yapılacaktır.