T.C. ONDOKUZ MAYIS ÜNİVESİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ISI DEĞİŞTİİCİ (EŞANJÖ) DENEYİ Hazırlayan Yrd.Do.Dr. Lütfü NAMLI SAMSUN
ISI DEĞİŞTİİCİSİ (EŞANJÖ) DENEYİ 1. GİİŞ Mühendislik uyulamalarında en önemli ve en ok karşılaşılan konulardan biri, farklı sıcaklıklardaki iki veya daha fazla akışkan arasındaki ısı transferidir. Sözü edilen akışkanlar enellikle katı bir cidar ile birbirinden ayrılmaktadırlar. Bu cihazlar, ısı değiştiricisi (eşanjör) olarak adlandırılmaktadır. Isı değiştiricileri, endüstrinin en önemli ısı tekniği cihazları 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 örülebilir.. DENEYİN AMAÇLAI Eş merkezli bir ısı değiştiricisinde ters akışın österilmesi, Isı değiştiricileri iin Termodinamiğin Birinci Kanunu nun yazılması, Soğuk bölenin ortalama ısı taşınım katsayısının ( h ) belirlenmesi ve toplam boyutz ısı eiş katsayısının ( Nu ) hesaplanması, Dairesel borularda, laminer akış iin Nusselt ve eynolds sayıları iin deneysel sonulara dayanan ampirik bir bağıntının elde edilmesi. 3. DENEY DÜZENEĞİ Eş merkezli borular arasındaki ısı transferini incelemek iin Şekil 1 de örünen GUNT ISI POMPASI EĞİTİM SETİ (ET 10) adlı deney düzeneğinin bir bölümü (kondenser kısmı) kullanılmaktadır. Bu deneyin yapılacağı test bölesinin şematik resmi ise; Şekil de verilmektedir. Şekil 1. GUNT Isı pompası eğitim seti (ET 10).
1. Araba 11. Sıcaklık sensörü. Kompresör 1. Ortak eksenli kondenser 3. Data iriş bağlantısı 13. Debiöler () 4. Ana düğme 14. Soğutma sarılı tankı 5. Presostat 15. Kontrol valfi 6. Basın transmiteri 16. Sirkülasyon pompası 7. Fanlı evaporatör 17. Boşaltma valfi 8. Genişleme valfi 18. Soğutma yu bağlantıları 9. Gözleme camı 19. Kontrol valfi ve debiöler 10. Filtre/Kurutucu 0. Dijital östere Deney düzeneği bir ısı değiştiricisi olduğuna öre sistemde en az iki akışkan bulunmalıdır. Burada sıcak akışkan olarak soğutucu akışkan (134a), soğuk akışkan olarak şebeke yu ile soğutulan ve kapalı devre sisteme sahip kullanılmaktadır. Bu sistemde sadece zıt akışlı ısı değiştiricisi incelenebilmektedir. Sıcak akışkan olan soğutucu akışkanın (134a) dolaşımı, deney düzeneğinin diğer kısmı olan soğutma evriminde bulunan kompresör ile sağlanmaktadır. Soğuk akışkan ise; deney düzeneğinin sağ alt kısmına yerleştirilmiş bir sirkülasyon pompası vasıtasıyla sistemde dolaşımı sağlanmaktadır. Bu pompa ü ayrı hızda alışabilmektedir. Kapalı devre dolaşan yun debisi, bir debi öler yardımıyla doğrudan elektronik bir östereden okunabilmektedir. 1. Su boşaltma valfi 10. Kondenser ıkışı soğutucu. Soğutma yu bağl. (iriş) 11. Kondenser 3. Soğutma yu bağl. (ıkış) 1. Kondenser ıkışı sıcaklık sensörü 4. Kontrol valfi 13. Kondenser iriş sıcaklığı dijital österesi 5. Sirkülasyon pompası 14. Kondenser irişi sıcaklık sensörü 6. Debiöler 15. Debi değeri d. österesi 7. Soğutma sarılı, ısıtma eşanjörlü tankı 16. Akış oranı 8. Kondenser ıkış sıcaklığı dijital österesi 17. Kontrol valfi 9. Kondenser irişi soğutucu 18. Sirkülasyon pompası düğmesi Şekil. Test bölesi (ısı değiştirici). 3
Şekil 3. Test bölesinin boyutları. Test bölesi i ie emiş bakır boruların kanal şeklinde bükülmesiyle imal edilmiştir. Test bölesinin aılmış durumda ölüleri Şekil 3 de verilmiştir. Şekil 4 de şematik akış diyaramında örüldüğü ibi sistemde bulunan dört farklı termoeleman (thermocouple) yardımıyla her iki akışkanın iriş (T 5 ve T ) ve ıkış sıcaklıları (T 6 vet 3 ) doğrudan dijital sıcaklık österesinden okunabilmektedir. Suyun debisi, yine doğrudan bir dijital östere (F 1 ) vasıtasıyla ölülebilmektedir. Şekil 4. Isı değiştiricisi (eşanjör) şematik akış diyaramı. 4
Şekil 4 de österildiği ibi her bir ölüm noktasının tanımı aşağıda verildiği ibidir: T 5 : Su (soğuk akışkan) iriş sıcaklığı T 6 : Su (soğuk akışkan) ıkış sıcaklığı T : Soğutucu akışkan [134a] (sıcak akışkan) iriş sıcaklığı T 3 : Soğutucu akışkan [134a] (sıcak akışkan) ıkış sıcaklığı F 1 : Su (soğuk akışkan) debisi 4. DENEYİN YAPILIŞI Deney düzeneği aşağıda verilmiş sırayla alıştırılmalıdır. 1. Soğutma yu musluğunu aın.. Kompresörü aın. 3. Fanları aın. 4. Sirkülasyon pompasını aın. 5. Isı pompası test düzeneğinde emme ve basma (dağıtma) basınlarının stabil (durağan) hale elmesini bekleyin. 6. Sıcaklıkları ve debiyi ölün. 5. HESAPLAMALA 5.1. Enerji denesi Bir ısı değiştiricisinin performansı hakkında bili sahibi olabilmek iin, ısı değiştiricisindeki toplam ısı eişi ile akışkan iriş ve ıkış sıcaklıkları, toplam ısı eiş katsayısı ve ısı eişi toplam yüzey alanı arasında bir bağıntı bulunması erekir. Çevreye olan ısı kaybı, potansiyel ve kinetik enerjilerdeki değişimler ihmal edilmiştir. Ayrıca faz değişiminin olmadığı ve özül ısıların sabit kaldığı kabul edilmiştir. Bu şartlara sahip bir ısı değiştiricisi iin: Sıcak akışkandan (134a) olan ısı eiş miktarı; Q = m& C T ) (1) p, (,, Soğuk akışkana () olan ısı eiş miktarı; Q = m& C T ) () (,, bağıntıları yazılabilir. Yukarıda sayılan kayıplar ihmal edilirse; Q = Q (3) olmalıdır. Termodinamiğin birinci kanunun analizi bize sıcak akışkanın entalpisindeki düşüşü ve soğuk akışkanın entalpisindeki yükselişi vermektedir. Bu da enerji denesi olarak adlandırılır. Buna öre: veya Q = m& ( h h ) + m& ( h h ) (4) Q = m& C T ) + m& C ( T ) (5) p, ( 3 6 T5 olur. Teoride (4) denkleminin veya (5) denkleminin değeri sıfırdır. Ancak deney sırasında birok nedenden dolayı sonu sıfırdan farklı ıkabilmektedir. 5
5.. Taşınım katsayısı ve toplam ısı transfer katsayısı Isı taşınım katsayısı belirlenirken Newton soğuma kanunundan yararlanılmaktadır. Boru boyunca sıcak akışkandan (134a) soğuk akışkana () een toplam ısı miktarı aşağıdaki ibi hesaplanır: Q = ha( ΔT ) (6) ve h : ortalama ısı taşınım katsayısı ( W m K) Δ T : ortalama sıcaklık farkı ( C ) A : ısı transferi yüzey alanı; ( m ) A = π dl (7) d : soğuk akışkanın () etiği borunun i apı (m) L : soğuk akışkanın () etiği borunun uzunluğu (m) Şekil 5 ten örüldüğü ibi sıcaklık ısı değiştiricisi boyunca paralel ve zıt akış durumları iin akış doğrultunda değişmektedir. Dolayısıyla uyun bir sıcaklık farkı elde etmek iin loaritmik sıcaklık farkı kullanılmalıdır ( Δ T = ΔT ). Bu deneyde sadece zıt akış durumu iin deneyler yapılacaktır. lm Şekil 5. Paralel ve zıt akışlar iin sıcaklıkların ısı değiştiricisi (eşanjör) boyunca değişimi. ΔT1 ΔT ΔT lm = (8) ΔT1 ln ΔT Paralel akış iin ; ΔT 1 ΔT 3 5 6,,,, (9) Zıt akış iin ise : ΔT 1 ΔT 3 6 5,,,, 6 (10)
Burada; Δ Tlm loaritmik sıcaklık farkını ifade etmektedir. Ancak laminer akışlar iin sıcaklıkların aritmetik ortalaması da eerli olup hesaplamalarda kullanılabilir. Bu deneyde soğuk tarafındaki ortalama ısı taşınım katsayısı h belirlenecektir. Bu nedenle akışkanının, ısı değiştiriciye iriş ve ıkışı arasında kazandığı toplam ısı miktarının belirlenmesi erekmektedir. Buna öre akışkanının toplam kazandığı ısı miktarı, () eşitliğinde de verildiği ibi; Q = m& C ΔT (11) bağıntısıyla hesaplanabilir. Burada veya T,, Δ T ; Δ (1) Δ T 6 5 (13) şeklinde hesaplanabilir. Kayıplar ihmal edildiği durumda Q = Q olacaktır. Bu durumda (6) ve (11) denklemi birbirine eşitlenirse ve yeniden düzenlenirse ortalama ısı taşınım katsayısı; h m = & C AΔT ΔT lm (14) bağıntısıyla hesaplanır. Buradan aşağıdaki ibi boyutz ısı transfer katsayısı olan ortalama Nu (Nusselt) sayısı hesaplanabilir: hd Nu = (15) k Burada; k soğuk akışkanın () ısı iletim katsayısıdır ve değeri ortalama sıcaklığa öre özelik tablondan okunacaktır. (14) eşitliğinde yer alan soğuk akışkanın () kütlesel debisi m& aşağıdaki ibi hesaplanabilir: 3 3 m & ( k / s) = ρ ( k / m ) V& ( m / s) (16) Burada V & hacimsel debidir ve (lt/saat) biriminden doğrudan östere (F 1 ) üzerinden okunabilir. 5.3. Soğuk akışkan () iin eynolds (e) sayısı Soğuk akışkan i borudan aktığı iin eynolds sayısı aşağıdaki ibi hesaplanabilir: Vd e = (17) ν Burada ν (m /s) kinematik viskozite, V (m/s) soğuk akışkanın () ortalama hızıdır. Ortalama hız 7
aşağıdaki ibi hesaplanabilir: V 4V& = (18) π d Kinematik viskozite ise; ortalama akışkan sıcaklığına öre özelik tablondan okunacaktır. 5.4. Soğuk akışkan () iin Prandtl (Pr) sayısı ν Pr = α = η / ρ k / ρ C η C = k (19) (19) eşitliğinde η (k/ms veya Ns/m ) dinamik viskozite ve C (kj/kk) ısıl kapasitedir ve her iki büyüklüğün değeri de ortalama sıcaklığa öre özelik tablondan okunacaktır. 6. DENEY APOUNDA İSTENENLE 1- Deneyin amacı ve deney setinin tesisat şemasıyla birlikte kısaca tanıtılması. - Yalnız bir deney aşamasının adım adım yazılması. 3- Hesaplar kısmında verilen teorik biliye ve deney verilerine öre Tablo deki değerlerin hesaplanması. (aporda sadece bir ölüm iin hesaplama ayrıntılarının verilemesi erekmektedir.) 4- Elde edilen sonulardan hareketle; Nu enelleştirilmesi (a ve b katsayılarının tayin edilmesi) Nu Pr 5- Dittus-Boelter tarafından verilen; 0.9 = 0.0115(e) 0.4 b = a(e) ibi bir ifadeyle deney sonularının Pr 0. 4 Nu Pr 0.8 = 0.03(e) 0.4 ve Kern tarafından verilen; ifadeleri ile, elde edilen ifadenin rafik ortamda karşılaştırılması. Nu (Her ü ifadenin; OY ekseni ln 0.4 Pr izilmesi uyun olacaktır.) ve OX ekseni ln ( e ) olacak şekilde uyun bir ölekle 8
Tablo 1. Deneyde ölülen büyüklükler Deney No 1 3 4 5 Sıcak akışkanın (134a) iriş sıcaklığı; T ( C) Sıcak akışkanın (134a) ıkış sıcaklığı; T 3 ( C) Soğuk akışkanın () iriş sıcaklığı; T 5 ( C) Soğuk akışkanın () ıkış sıcaklığı; T 6 ( C) Su debisi; F 1 (lt/saat) Sıcak akışkanın (134a) ısı değiştiriciye iriş ve ıkış basıncı; P /3 (bar) Kompresörün harcadığı ü, (W) Tablo. Hesaplanan büyüklükler Deney No 1 3 4 5 Su debisi; m& (k/s) Sıcak akışkan (134a) ile soğuk akışkan () arasındaki ortalama loaritmik sıcaklık farkı; Δ Tlm ( C) Soğuk akışkanın () ısı değiştiriciye iriş ve ıkışı arasındaki sıcaklık farkı; Δ T ( C) Sıcak akışkanın (134a) kaybettiği ısı; Q (veya Q ) (W) Soğuk akışkanın () kazandığı ısı; Q (W) Sıcak akışkan (134a) ile soğuk akışkan () arasındaki toplam ortalama ısı taşınım katsayısı; h (W/m K) Su iin Nusselt ( Nu ) sayısı Soğuk akışkanın () borudaki ortalama hızı; V (m/s) Soğuk akışkan () iin eynolds ( e ) sayısı Soğuk akışkan () iin Prandtl ( Pr ) sayısı 9
Tablo 3. Semboller listesi Semboller Aıklama Birim ( SI ) Q Sıcak akışkanın (134a) kaybettiği ısı W Q Soğuk akışkanın () kazandığı ısı W C, Sıcak akışkanın (134a) özül ısısı kj/k K p C Soğuk akışkanın () özül ısısı kj/k K m& Sıcak akışkanın (134a) kütlesel debisi k/s m& Soğuk akışkanın () kütlesel debisi k/s T, ( T ) Sıcak akışkanın (134a) iriş sıcaklığı C T, ( T 3 ) Sıcak akışkanın (134a) ıkış sıcaklığı C T, ( T 5 ) Soğuk akışkanın () iriş sıcaklığı C T, ( T 6 ) Soğuk akışkanın () ıkış sıcaklığı C Δ T Ortalama sıcaklık farkı C Δ T lm Ortalama loaritmik sıcaklık farkı C A Isı transfer eden yüzey alanı m d Soğuk akışkanın () etiği borunun apı m L Soğuk akışkanın () etiği borunun uzunluğu m Nu Nusselt sayısı --- e eynolds sayısı --- V & (F 1 ) Soğuk akışkanın () hacimsel debisi m 3 / s Pr Prandtl sayısı --- h Ortalama ısı taşınım katsayısı W/m K V Soğuk akışkanın boru iindeki ortlama hızı m/s ρ Yoğunluk k/m 3 η Dinamik viskozite N s/ m (k/m s) ν Kinematik viskozite ( = η / ρ ) m /s k Isı iletim katsayısı W/m K 10