MAK-LAB006 PARALEL ZI AKIġLI ISI DEĞĠġĠRĠCĠSĠ DENEYĠ. GrĢ: Müendslk uygulamalarında en öneml ve en çk karşılaşılan knulardan brs farklı sıaklıklardak k veya daa fazla akışkan arasındak ısı transferdr. Sözü edlen akışkanlar genellkle katı br dar le brbrnden ayrılmaktadırlar. Bu azlar genellkle ısı değştrs (eşanjör larak adlandırılmaktadır. Isı değştrler endüstrnn en öneml ısı teknğ azları lup bunlar; buarlaştırıı yğuşturuu ısıtıı sğutuu vb. değşk adlar altında kmya ve petrkmya endüstrlernn termk santrallernn sğutma ısıtma ve klmlendrme tesslernn emen er kademesnde değşk tp ve kapastelerde görüleblr.. Deney Amaçları : Eş merkezl br ısı değştrsnde ters ve paralel akışın gösterlmes Isı değştrler çn ermdnamğn brn kanunun yazılması Sıak ve sğuk bölgelern ısı taşınım katsayılarının belrlenmes ve tplam ısı geçş katsayısının esaplanması Daresel brularda lamner akış çn Nusselt ve Graetz sayıları çn deneysel snuçlara dayanan amprk br bağıntının elde edlmes. 3. Deney Düzeneğ: Eş merkezl brular arasındak ısı transfern nelemek çn Şekl de görünen LAMINER / VISCOUS FLOW HEA RANSFER UNI H970 adlı deney düzeneğ kullanılmaktadır. est bölgesnn şematk resm Şekl. de verlmektedr. Deney düzeneğ br ısı değştrs lduğuna göre sstemde en az k akışkan bulunmalıdır. Burada sıak akışkan larak ısı transfer yağı sğuk akışkan larak şebeke suyu kullanılmaktadır. Bu sstemde yağ tek yönde ve su er k yönde dlaşablmektedr. Dlayısıyla em paralel akış em de zıt akış neleneblmektedr. Yağın dlaşımını sağlayan küçük br pmpa deney düzeneğnn en alt bölgesne yerleştrlmştr. Bu pmpa üç ayrı ızda çalışablmektedr. Deney düzeneğnn su grş rtumunu şebeke musluğuna bağlayarak ssteme su grş sağlanır. Suyun debs br rtametre yardımıyla ölçülmektedr. Rtametre 4
ISI DEĞĠġĠRĠCĠSĠ çıkış brusu deney amaına göre ya üst tarafa (paralel akış çn veya alt tarafa (zıt akış çn bağlanır Yağ ger dönüģü Su çıkıģ veya grģ 3 5 Rtametre Sıaklık gösterges Nen lambası Kntrl vanası (su Isıtıı ayarlayıı Su grģ ermstat Açma-kapama anatarı Ölçüm kabı 0.6 0.4 0. 0 Kntrl vanası (yağ Su grģ veya çıkıģ 4 6 Isıtıı tankı Yağ pmpası (=00 W Yağ ısıtıısı (500W ġekl. Deney düzeneğnn şematk resm. Yağın debs k şeklde değştrleblr. Pmpanın çalışma ızı değştrlerek veya ısı 43
d=.7 değştrsnde yer alan yağ kntrl vanası yardımıyla deb değştrleblr. Şekl de görüldüğü gb yağ debsn ölçmek çn br ölçü kabı kullanılmaktadır. Bu kabın altında ısıtıı tankı (yağ depsu mevuttur. 5.9mm 90 mm r=5.65 4.4mm ġekl. est bölgesnn byutları. ankın çnde bulunan ısıtıı yardımıyla sstemde dlaşaak lan yağ ısıtılır. Deney düzeneğnn rtasında bulunan resta yardımıyla ısıtıı elemanın güü değştrleblmektedr. Nen lambanın yanıp sönme ızı da ısıtıının çalışma etknlğn göstermektedr. Ayrıa sstemn güvenlğn sağlamak amaıyla termstat kullanılmıştır. Yağ sıaklığı 80 C üzerne çıktığında tmatk larak ısıtıı devre dışı kalarak yağ ısıtma şlem durdurulmaktadır. Sstemde bulunan altı adet termuple yardımıyla altı yerel nktada sıaklık değerler dğrudan ndkatör sıaklık göstergesnden kunablr. Her numaranın gösterdğ sıaklık aşağıdak gbdr:. Yağ grş sıaklığı. Yağ çıkış sıaklığı 3. Yağ grşndek bru dar sıaklığı 4. Yağ çıkışındak bru dar sıaklığı 5. Su grş veya çıkış sıaklığı 6. Su ıkış veya grş sıaklığı n 44
4. Deney yapılıģı:. Şebeke suyu açılır ve suyun debs rtametre yardımıyla 0 gr s larak ayarlanır.. Yağ kntrl vanası tamamen açılır. 3. Ölçüm kabının çndek slndrk eleman yukarıya çekldkten snra aynı knumda (açık knumda durması çn 90 çevrlr. 4. Isıtıı tankındak yağ mktarı kntrl edlr. Eğer yağ mktarı yeterl değlse yağ debsnn ölçümünde ata meydana geleeğnden deney snuçları da dğru ve gerçekç lmayablr. Isıtıı tankın çersndek yağ mktarı en az.5 lt lmalıdır. 5. Açma kapama anatarı kullanılarak deney düzeneğ çalıştırılır. Isıtıı güü %75 larak ayarlanır. 6. Yağın grş sıaklığı 70 C le 80 C arasına gelene kadar ısıtıı tam güçte çalıştırılır. İstenlen grş sıaklığına erşldğ zaman su debs ve ısıtıı güünü değştrerek yağ grş sıaklığının sabt kalması sağlanır. Sstem sürekl rejm alne geldğnde bütün sıaklık değerler nt edlr. 7. Yağ debsn ölçeblmek çn ölçü tankı çersndek slndrk eleman 90 çevrlp aşağıya ndrlr. Böylee yağın ısıtıı tankına grmes engellenr ve ölçü kabının çnde yağ brkmeye başlar. Br krnmetre yardımıyla yağın ölçü kabına dlma süres belrlenr. 8. Bütün ölçümler yapıldıktan snra su debs maksmuma ayarlanır. Böylee yağın sğuması sağlanır. Yağın sıaklığı 40 C n altına düştüğünde sstem kapatılır. Deney dezeneğnde kullanılan yağ SHELL HERMIA OIL B lup özellkler aşağıda verlmştr: k=0.87 W/mK =6.64x0-3 kg/m.s (70 C rtalama sıaklık çn Verlen bu değerler rtalama sıaklık çn geçerl lup yğunluk ve özgül ısının sıaklıkla değşm Şekl 3. de verlmektedr. 45
Özgül ısı (kg/lt C (kj/kgk ( C ( C ġekl 3. Akışkana at özelk değşm grafkler. 4. Hesaplamalar: Enerj denges Br ısı değştrsnn perfrmansı akkında blg sab lablmek çn ısı değştrsndek tplam ısı geçş le akışkan grş ve çıkış sıaklıkları tplam ısı geçş katsayısı ve ısı geçş tplam yüzey alanı arasında br bağıntı bulunması gerekr. Çevreye lan ısı kaybı ptansyel ve knetk enerjlerdek değşmler mal edlmştr. Ayrıa faz değşmnn lmadığı ve özgül ısıların sabt kaldığı kabul edlmştr. Bu şartlara sap br ısı değştrs çn: q m C sıak akışkandan lan ısı geçş mktarı p ( q m C sğuk akışkana lan ısı geçş mktarı p ( bağıntıları yazılablr. ermdnamğn brn kanunun analz bze sıak akışkanın entalpsndek düşüşü ve sğuk akışkanın entalpsndek yükselş vermektedr. Bu da enerj denges larak adlandırılır. q m ( m ( veya ; 46
q m C ( m C ( 6 5 erde bu denklemn değer sıfırdır. Yalnıza deney sırasında br çk nedenden dlayı snuç farklı çıkmaktadır. aşınım katsayısı ve tplam ısı geçrme katsayısı İç ve dış taraftak ısı taşınım katsayısı belrlenrken Newtn sğuma kanunundan yararlanılmaktadır. q UA( Burada; U : tplam ısı geçrme katsayısı ( W m K : rtalama sıaklık farkı ( C A : ısı transfer yüzey alanı ( m Şekl 4 ten görüldüğü gb sıaklık ısı değştrs byuna paralel ve zıt akış durumları çn akış dğrultusunda değşmektedr. Dlayısıyla uygun br sıaklık farkı elde etmek çn lgartmk sıaklık farkı kullanılmalıdır. 3 4 3 4 yağ sğuk su sıak sğuk yağ sğuk sıak sğuk su 6 5 6 5 Yağ Yağ Sıaklık Cdar Su Sıaklık Cdar Su Uzunluk Uzunluk ġekl - 3 Paralel ve zıt akıģta sıaklık dağılımı ġekl 4. Paralel ve zıt akışlar çn sıaklıkların ısı eşanjörü byuna değşm. 47
48 ln LM Paralel akış çn ; 6 5 Zıt akış çn se : 6 5 Burada; LM lgartmk sıaklık farkını fade etmektedr. Anak lamner akışlar çn sıaklıkların artmetk rtalaması da geçerl lup ve esaplamalarda kullanılablr. U W m K İç brunun sıaklığa karşı dren mal edleblr lduğundan dlayı tplam ısı geçş katsayısı esaplanırken göz önüne alınmamıştır. Sıak akışkan tarafındak ısı taşınım katsayısını esaplamak çn akışkan sıaklığı ve dar sıaklığı kullanılaaktır. Buna göre sğuk akışkan tarafındak ısı taşınım katsayısı esabında sğuk akışkan sıaklığı ve dar sıaklığı kullanılaaktır. Bunun çn artmetk rtalama sıaklık farkı kullanılır. Sıak akışkan ve dar çn: ( ( 4 3 m Cdar ve sğuk akışkan çn : ( ( 6 4 5 3 m Isı taşınım katsayılarının bulunması çn öne ısı transfer mktarı belrlenmeldr. Bunun çnde sıak ve sğuk akışkanların deblernn bulunması gerekr. Sğuk akışkanın debs dğrudan rtametreden kunablr. Sıak akışkan çn: sn zamanı tplama m mktar tplanan m 3 3 m kg ; bağıntısı kullanılır.
q A m ( W m K ; burada A ısı transfern gerçekleştğ yüzey alanıdır. Sıak akışkanın kaybettğ ısının sğuk akışkanın kazandığı ısı mktarına eşt lduğu kabul edlerek: q A m ( W m K ; Isı taşınım ve tplam ısı geçş katsayısının sıak akışkanın ızıyla değşm grafk alnde gösterlr. Isı değştrlerde sıak akışkan tarafındak ısı taşınım katsayısı öneml lduğundan sğuk akışkanın debs sabt tutularak ç brudak ısı taşınım katsayısı ve tplam ısı geçş katsayısının sıak akışkanın ızıyla nasıl değştğnn nelenmes gerekr. Sıak akışkanın ızını belrlemek çn ; m V (m/s. A bağıntısı kullanılır. Daresel brudalamner akış çn Nusselt - Graetz bağıntısı Deney snuçlarına bağlı larak Nusselt ve Graetz sayıları arasında amprk br bağıntı gelştrlr. Burada sadee ç akış söz knusu lduğundan sıak akışan tarafındak ısı taşınım katsayısı dkkate alınmalıdır. Sstemdek akışın lamner lup lmadığı Reynlds sayısı yardımıyla bulunur. Reynlds sayısı: m d m d Re = A A Nusselt sayısı : Burada : Nu k d : dnamk vskzte m s k : akışkanın ısı letm katsayısı (W/mK lup bu değerler lgl tabllardan bulunablr. 49
İç akışın drdnamk ve ısıl larak gelşmesn nelemek çn Greatz sayısı esaplanmalıdır. Daa snra değşk deblerde (yağın değşk ızlarında Nusselt ve Graetz sayıları arasındak bağıntı neleneektr. Graetz sayısı : Re Pr m C Gz 4 L / d kl Nusselt ve Graetz sayılarının değşmn görmek çn bulmak gerekr. a ve b katsayıları güç denklemn kullanarak elde edlr. p Nu a. Gz b şeklnde br denklem Deney n 3 4 5 Yağ grş sıaklığı C Yağ çıkış sıaklığı C Grşte duvar sıaklığı C Çıkışta duvar sıaklığı C Su grş sıaklığı C Su çıkış sıaklığı C planan yağ mktarı (lt planma zamanı (sn Su debs (gr/sn 5. abllar: abl. Ölçülen değerler abl a. Hesaplanaak büyüklükler (enerj denges Yağ debs (kg/sn Deney n 3 4 5 50
Yağın kaybettğ ısı (W Suyun aldığı ısı (W abl b. Hesaplanaak büyüklükler (ısı taşınım ve tplam ısı geçş katsayısı Deney n 3 4 5 Su ve dar arasındak artmetk rtalama sıaklık farkı ( C Yağ ve dar arasındak artmetk rtalama sıaklık farkı ( C Isı transfer mktarı (W Yağ le dar arasındak ısı taşınım katsayısı ( W m K Su le dar arasındak ısı taşınım katsayısı ( W m K plam ısı geçş katsayısı ( W m K Yağ ızı (m/sn abl. Hesaplanaak büyüklükler (Nusselt Graetz bağıntısı Deney n 3 4 5 Nusselt sayısı Graetz sayısı Reynlds sayısı Deney Raprunun İçerğ:. Deneyn amaı. Yalnız br ölçümün aşamalarının adım adım yazılması 3. Deney düzeneğnn şematk resm. 4. Ölçülen değerler tablsu(abl 5. Hesaplanan değerler tablları (abl a b (Nt: Bu kısımda sadee br ölçüm çn esaplama ayrıntılarının verlmes gerekmektedr. 5
6. Isı değştrs byuna akışkanlar ve darın sıaklık dağılımını gösteren grafk ( ( C -L(mm 7. Isı taşınım ve tplam ısı geçş katsayılarının yağ ızı le değşmn gösteren grafkler. 8. Nu le Gz değşmn grafkte gösterlmes ve bu grafğe Nu=aGz b şeklnde br eğr uydurulması. 9. Deneyn sze katkısı ne lmuştur? abl 3. Sembller lstes Sembller Açıklama Brm ( SI A ısı transfer alanı m A kest alanı m d ç brunun dış çapı m d ç brunun ç çapı m L etkn uzunluk m D dış brunun dış çapı m D dış brunun ç çapı m C özgül ısı j kg - K - Entalp kj kg - m kütlesel deb kg s - Sıaklık ρ Yğunluk kg m -3 ν Vskzte N s m - k ısı letm katsayısı W m - K - Nu Nusselt sayısı --- Re Reynlds sayısı --- Gz Graetz sayısı --- Pr Prandtl sayısı --- ĥ rtalama ısı taşınım katsayısı W m - K - U tplam ısı geçş katsayısı W m - K - q ısı geçş mktarı W V akışkan ızı m s - C 5