makale

makale
BORU GİRİŞİNDE DÜZGÜN SIRALI ENJEKTORLU
TÜRBÜLANS ÜRETİCİ BULUNAN ISI
DEĞİŞTİRGEÇLERİNDE ISI GEÇİŞİNİN ve BASINÇ
DÜŞÜMÜNÜN İNCELENMESİ
GİRİŞ
Cengiz YILDIZ, Gülşah ÇAKMAK '
Bu çalışmada, konsantrik tipteki ısı değiştirgeçlerinde ısı
geçişinin iyileştirilmesi amacıyla, içteki borunun giriş
kısmına yerleştirilmiş olan düzgün sıralı enjektörler ile •
elde edilen dönel akış deneysel olarak incelenmiştir. Isı
değiştirgeçte sıcak hava içteki borunun içinden
geçerken, ısının aktarıldığı ve soğuk su halka aralıktan
geçmektedir.
Yapılan deneylerde; içteki boru ginşine monte edilen
enjektörler farklı çap ve sayıda kullanılmış ve faridı
Reynolds sayılarındaki zıt ve paralel akış durumlarına
ait ısı geçişleri ölçülmüştür. Elde edilen bulgular
göstermektedir ki; ısı değiştirgecinde kullanılan
enjektörlerin sayısının arttırılması ve çaplarının
küçültülmesi ısı geçişinin iyileştirilmesinde önemli
etkendir. Isı geçişindekı iyileşmenin maksimum değer
aldığı durum; zıt akıştı değiştirgeçte 6 mm çaplı ve 5 sıralı
enjektör kullanılmasına karşılık gelmiştir. Enjektör
elemanların kendilerinin neden olduğu basınç
düşümünün, ısı geçişindekı iyileşmenin yanında daha
düşük kaldığı da gözlenmiştir.
Anahtar sözcükler : Isı değiştirgeci, enjektör, dönmeli
akış
In this work, to enhance heat transfer rates, swirl motion
with injectors in straight line rows on the entrance sec­
tion of a inner pipe of a concentric tube heat exchanger
were investigated expenmentally. In the experimental
setup, hot air was passed through the innep pipe while
cold water was flowing through the annulus.
In the experiments, the injectors with the various num­
bers of the diameters were placed at the entrance sec­
tion innerpipeofa concentric tube heat exchanger and
experiments were earned out for both parallel and countercurrent flow models of the fluids at different Reynolds
numbers. Heat transfer rates increased with decreasing
diameters and with increasing number of injectors on
the swirl elements used in the experiments. The highest
enhancement was seen to occur in countercurrent flow
mode of the exchanger with swirl elements having 6
mm diameter in 5 straight line rows. The heat transfer
increase in tube with swirl elements, at constant
Reynolds number in comparison with empty tube, while
less pressure drop than the heat transfer occurs.
Keywords: Heat exchanger, injector, swirl flow
Fırat Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makına
Mühendisliği Bolumu
I
sı değiştirgeçleri farklı sıcaklıklardaki iki veya daha fazla akışkan
arasında ısı geçişini sağlayan cihazlardır. Isı değiştirgecinin tasarımı
önemli olup; ısı geçişi, basınç düşümü, boyut, verim ve
ekonomiklilik tasarım açısından önemli parametrelerdir. Isı
değiştirgeçlerini imalat özelliklerine ve kullanım yerlerine göre
sınıflandırmak mümkündür. Kullanılan yer ve kullanım amacı ısı
değiştiricisinin tipinin belirlenmesinde önemli etkenlerdir.
Enerjinin pahalı olması ve dünyanın büyük bir enerji darboğazı
içine girmesi nedeniyle mevcut enerjinin verimli kullanılması önem
taşımaktadır. Bu amaçla son yıllarda ısı değiştirgeçlerinde malzeme ve
enerji tasarrufu yapmak amacıyla çeşitli çalışmalar yapılmaktadır.
Yapılan çalışmalarda belli bir kapasite için daha küçük boyudu ısı
değiştirgecinin tasarımı ön planda tutulmaktadır. Ancak, bu işlem
sırasında sabit yatırım maliyetinin göz önünde bulundurulması ve
yapılan çözümün pahalı olmaması gerekir. Enerjinin verimli
kullanılması için bir çözüm ise, ısı değiştirgecine giren akışkanın sabit
sıcaklığına karşılık ısı geçişini arttırmak, yani ısı değiştirgecinde
ortalama sıcaklık farkını düşürmektir. Bu yöntemle sistemin
termodinamik verimi arttırılarak işletme maliyeti azaltılır. Isı geçişini
iyileştirme yöntemleri aktif ve pasif yöntemler olarak iki grupta
incelenebilir [1,2].
Aktif yöntemde akışkana bir ilave enerji verilerek ısı değiştiricisinde
ısı geçişi iyileştirilir. Örnek olarak bir elektrik motoru tarafından tahrik
edilen mikser vb. Elemanlar vasıtasıyla akışkanın karıştırılması, sistemin
döndürülmesi veya akış ortamının titreştirilmesi verilebilir. Pasif
yöntemde ise, akışkana bir ilave enerji verilmeden ısı geçişinin
iyileştirilmesi amaçlanır. Örnek olarak ısı geçiş yüzeyinin işlenmesi,
değişik geometrik profiller ve tasarımlar kullanılarak akışın
yönlendirilmesi gibi yöntemler sayılabilir.
Yapılan çalışmada ısı değiştirgeçlerinde ısı geçişini iyileştirmek için
en çok ısı taşınım katsayısının arttırılması üzerinde durulmuştur. Isı
taşınım katsayısını arttırmak için kullanılan başlıca yöntemler; yüzey
pürüzlülüğünün arttırılması, genişletilmiş yüzeyler kullanması ve akışa
dönme verilmesidir.
Isı taşınım katsayısını arttırmak için genellikle boru içinde türbülans
artırıcı yollar denenir. Zira, akışkan ile boru duvarı arasındaki ısı geçişinde
ısıl sınır tabaka önem taşımaktadır. Sınır tabaka akış türü ile ilgili olup
Mühendis ve Makına - Cilt. 43 Sayı 514
32
makale
laminar akışta daha kalın, türbülanslı akışta daha incedir.
Bu nedenle türbülanslı akışta ısı geçişi laminar akışa göre
daha iyidir. Sınır tabaka kalınlığı inceldikçe akışkan ile
boru arasındaki ısı geçişinin daha iyi olduğu bilinmektedir.
Bu çalışmada da türbülansı arttırmak için enjektör
elemanlardan yararlanılmıştır.
Dönmeli akış, birçok uygulamalarda ısı ve kütle
geçişini arttırmak için kullanılır. Isı ve kütle geçişinde
dönme etkilerini araştırmak için çok sayıda deneysel ve
sayısal çalışmalar yapılmıştır. Birçok araştırmacı dönel
akışın etkisini inceleyerek, dönel akışın ısı geçişinin
artışında önemli bir etken olduğunu göstermiştir [3,4].
Ayrıca akışkanın ısı taşınım katsayısını arttırmak amacıyla
çeşitli tip türbülatörlerin denendiği çalışmalar da
yapılmıştır [5].
Hirai vd (1986) konsantrik bir borudaki türbülanslı
dönmeli bir akışta ısı ve momentum geçişini sayısal ve
deneysel olarak inceleyerek sonuçlar elde ederek, ısı ve
m o m e n t u m taşınımındaki artmanın nedenini
açıklamışlardır [6]. Teknik uygulamalarda ve doğada
karşılaşılan dönmeli akışlara ait örneklemeler Lught
(1983) tarafından yapılmıştır [7]. Kompleks türbülanslı
akış için Kobayahi vd (1987) modeller geliştirmişlerdir
[8]. Algifri vd (1987) ısı değiştirgeçlerinin farklı
çeşitlerinde ısı geçişinin iyileşmesinde etken olan
dönmeli boru akışının yanma odaları gibi sistemlerin
tasarımında önem taşıdığını göstermişlerdir [9].
Dellenback vd (1987) eksenel olarak ani genişleyen
bir boru içinden geçen türbülanslı dönmeli akışta ısı
geçişini incelemişlerdir [10]. Sparrow ve Chaboki (1984)
bir boru içindeki ısı geçişi ve türbülanslı hava akışındaki
dönme etkileri üzerine deneysel bir çalışma yaparak,
dönmeli hareketin borunun giriş kısmındaki ısı geçişinin
iyileşmesi açısından önemini göstermişlerdir [11].
Bu çalışmada da konsantrik tip ısı değiştirgeçlerinde
ısı geçişinin iyileştirilmesi amacıyla iç borunun giriş
bölgesine değişik çap ve sayıda düzgün sıralı enjektörler
(dönme elemanları) yerleştirilerek ısı geçişindeki ve
basınç düşümündeki değişim incelenmiştir.
uzunluğa tekabül eden ısı transfer yüzeyinde(dF) sıcak
akışkandan soğuk akışkana geçen ısı miktarı dQ [12];
(Şekil 1)
Şekil 1. Aynı Yönlü Paralel Akışlı Isı Değiştirgecinde Sıcaklıklarının
Uzunlukla Değişimi.
Sıcak akışkandan soğuk akışkana geçen ısı miktarı
dQ = m .Cp .dT
(1)
Q=mhCph(Toh-V
(2)
h
h
h
ve
olarak ifade edilir. Soğuk akışkan dT c kadar ısındığına
göre, soğuk akışkana geçen ısı enerjisi miktarı
dQ = m .Cp .dT
c
c
(3)
c
ve
Q = m Cp (T -T. )
c
c
oc
ıc
(4)
olur. Böylece soğuk ve sıcak akışkanlar için
YÖNTEM
ve
Isı değiştirgeci boyunca sıcak ve soğuk akışkanların
sıcaklıklarının değişiminin bilinmesi ısı değiştirgeçleri
hesaplamaları için temel veridir. Isı değiştirgecinin di
uzunluğunda sıcak ve soğuk akışkanların sıcaklıklarının
sıra ile dT h ve dT c kadar değiştiği kabul edilirse, bu
Mühendis ve Makına - Cilt 43 Sayı 514
Q = h h .A.(T n -T w ) = h c .A.(T w -T B )
(6)
eşitlikleri yazılabilir.
Ortalama akışkan sıcaklığı T , akışkanın giriş ve çıkış
33
makale
sıcaklıklarının aritmetik ortalaması olup, akışkanın fiziksel
özelliklen ortalama akışkan sıcaklığına göre seçilir. Duvar
sıcaklığı T ise, boru duvarında ölçülen yüzey sıcaklıklann
aritmetik ortalaması olarak alınır.
Bilindiği gibi, Ortalama Nusselt Sayası
Burada, Q enjektörlü ısı değiştirgecinde aktarılan ısı
enerjisi miktarı, Q
enjektörsüz ısı değiştirgecinin
aktardığı ısı enerjisi
miktarıdır. AP enjektörlü ısı
değiştirgecindeki basınç düşümü, AP enjektör
bulunmayan ısı değiştirgecinin basınç düşümü değeridir.
DENEY DÜZENEĞİ
(7)
Deney düzeneğine ilişkin şematik resim Şekil 2' de
ve Reynolds sayısı
görülmektedir. Tasarımı yapılan ısı değiştirgecinin iç
(8)
eşıdiklerı ile tanımlanmaktadır.
Borularda teorik Nusselt sayısını hesaplamak için ise
boru iç çapı 35 mm, dış boru iç çapı 70 mm ve boru
uzunluğu 750 mm'dir. Isı değiştirgecinde dönel akış
oluşturmak amacıyla iç borunun ucuna galvanizli sacdan
yapılan 100 mm uzunluğunda portatif olarak sökülüp
takılabilen enjektörlü kapaklar eklenmiştir.
(9)
Isı değiştirgecinin iç borusundan sıcak hava, iç
Şekil 2. Deney Setinin Şematik Resmi
Dittus-Boelter denkleminden faydalanılmıştır [13].
Ayrıca ısıl kazanç oranını belirlemek için net ısıl
kazanç ve ek basınç düşümü miktarı belirlenmiştir. Buna
göre net ısı kazancının ek basınç düşümüne oranı
boyutsuz olup, aşağıdaki şekilde hesaplanmışür (Net ısı
kazancı/Ek basınç düşümü).
(10)
borunun dışından ise su geçmektedir. Gerekli hava bir
kompresör yardımıyla sağlanmakta ve ısıtma işlemi
reostalı bir elektrikli ısıtıcı ile denetlenmektedir. Sıcak
akışkan, soğuk akışkan ve yüzey sıcaklıklarının ölçülmesi
amacıyla Demir-Konstantan termoelemanlanndan
yararlanılmıştır. Hava ve su debisi de rotametreler
yardımıyla ölçülmüştür. Havanın basınç düşümü sulu U
manometresiyle, suyun basınç düşümü ise cıvalı U
manometresiyle ölçülmüştür. Deneyler değişik Reynolds
sayılarında zıt ve paralel akışlar için tekrarlanmıştır. Isı
Mühendis ve Makına - Cilt 43 Sayı 514
34
makale
değiştirgecinin çevreye olan ısı kaybını azaltmak için dış
borunun dış yüzeyi cam yünü ile yalıtılmıştır.
Deneylerde kullanılan döndürme elemanları üzerinde
0 = 6 ve 0 = 9 mm çaplarında 5 mm uzunluğunda 6, 8,
10 (2 sıralı); 12,16, 20 (4 sıralı) enjektörler düzgün sıralı
olarak dizilmişlerdir. Enjektörler dönel elemana 90° açılı
olarak yerleştirilerek deneyler yapılmıştır (Şekil 2).
BULGULAR
Elde edilen deneysel bulgular ile Reynolds sayısına
bağlı olarak Nusselt sayısının değişimini veren grafikler
çizilmiştir (Şekil 3, Şekil 10). Değişim grafiklerinden
görülmektedir ki;
1- Enjektörlü döndürme elemanlarının kullanılmasıyla,
ısı geçiş miktarında enjektörsüz sisteme göre iyileşme
sağlanmıştır.
2- Deneylerde kullanılan döndürme elemanlarındaki
enjektör sayısının artmasıyla Nusselt Sayısı artmakta
Şekil 4. Zıt Akışh Düzgün Sıralı Enjektörlü Isı Değiştirgecinde NuRe İlişkisı(d=9mnı,n=2)
edildiği görülmüştür (Şekil 5). Aynı koşullar altında
paralel akışh sistemde ise bu iyileşme miktarları yaklaşık
% 5-10 daha düşük kalmıştır.
ve dolayısıyla da ısı geçişi iyileşmektedir.
3- Aynı Reynolds Sayılarında enjektör delik çapının
küçülmesiyle ısı geçişinin iyileştiği ve Nusselt
Sayısının arttığı görülmektedir.
4- Debideki artış ile birlikte Re Sayısı da attığından, ısı
geçişinde de iyileşme görülmüştür.
5- Zıt akıştaki ısı transferi paralel akışa göre daha fazla
olmuştur.
Yapılan deneysel çalışmada en iyi ısı geçişinin zıt akışh,
6 mm çaplı ve 20 enjektörlü ısı değiştirgecinde elde
Şekil 5. Zıt Akışh Düzgün Sıralı Enjektörlü Isı Değiştirgecinde Nu-Re
Ihşkısi(d=6mm,n=4)
Şekil 3. Zıt Akışh Düzgün Sıralı Enjektörlü Isı Değiştirgecinde Nu-Re
Ilişkisı(d=6mm,n=2)
Mühendis ve Makına - Cilt 43 Sayı 514
Basınç düşüşünün enjektörlü ısı değiştirgeçlerinde
enjektörsüz ısı değiştirgeçlerine göre daha fazla olduğu
görülmüştür. Enjektör çapının küçülmesiyle ve enjektör
sayısının artmasıyla basınç d ü ş ü ş ü n ü n arttığı
gözlemlenmiştir.
Net ısı kazancı/Ek basınç kaybı oranının enjektör
çapının küçülmesiyle azaldığı, enjektör sayısının
artmasıyla arttığı görülmüştür (Şekil 7, Şekil 10).
Enjektörlü sistemde kazanılan ısı miktarı, meydana gelen
ek basınç düşümünün enerji cinsinden değerine göre daha
fazla olmuştur.
35
makale
Şekil 6. Zıt Akıştı Düzgün Sıralı Enjektörlıi Isı Değiştirgecinde Nu-Re Şekil 8. Zıt Akışlı Düzgün Sıralı Enjektörlü Isı Değiştirgecinde
Ilişkısi(d=9mm,n=4)
(Qu/APJ-Re Değişimi (d=9mm,n=2)
Şekil 7. Zıt Akışh Düzgün Sıralı Enjektörlü İsı Değiştirgecinde
(Qn/ÄPJ-Re Değişimi (d=6mm,n=2)
SONUÇ
Yapılan çalışmalar sonucunda enjektörler yardımıyla
akışa dönme etkisi verilerek ısı değiştirgecindeki ısı
geçişinde önemli düzeyde iyileşme sağlanabileceği
görüldü. Bu iyileşmenin; enjektör sayısı, çapı, dizilişi ve
Reynolds Sayısına bağlı olarak artabileceği ortaya
konulmuştur.
Enjektörlü döndürme elemanlarının ısı değiştirgecine
ilavesiyle enjektörler birer dönmeli akış üreticisi olmakta
ve akışkana kazandırılan dönme etkisi ile ısı geçişi
iyileşmektedir. Boru girişine yerleştirilen enjektörler ile
36
Şekil 9. Zıt Akışlı Düzgün Sıralı Enjektörlü Isı Değiştirgecinde
(QNK/APJ-Re Değişimi (d=6mm,n=4)
havanın bağıl hızı ve hız profilleri değişmekte ve akışkana
boru boyunca dönme etkisi verilmektedir. Dolayısıyla
enjektörlü sistemle ısı geçişi, enjektörsüz sisteme göre daha
iyileşmekte ve sistemin ısıl verirninin artması nedeniyle
de işletme masraflarının da azalacağı görülmektedir.
Basınç düşümündeki artışın boş boruya göre büyük
olmasına rağmen, hesaplanan "Net ısı kazancı/Ek basınç
kaybı" incelendiğinde ilave basınç düşüşünün ısıl kazanç
yanında düşük kaldığı görülmektedir. Ayrıca iyi bir
tasarım, enjektör geometrisi, yerleştirme düzenleri
yardımıyla meydana gelen basınç kayıpları minimuma
indirilebilecektir.
Mühendis ve Makina - Cilt 43 Sayı 514
makale
i
K
m
NK
o
w
:
:
:
:
:
Giren akışkan
Ek basınç kaybı
Ortalama
Net ısı ka2ancı
Çıkan akışkan
Duvar
KAYNAKÇA
1.
Patankar S. V., Ivanovıc M., Sparrow E. M., (1979), "Analy­
sis of Turbulent Flow and Heat Transfer in Internally Finned
Tubes and Annulı", J. Heat Transfer. 101, 29-37.
2.
Yıldız C, Biçer Y., Pehlivan D., (1996), ' T h e Efficiency of
Heat Ehchanger With Rotating Inner Pipe", Energy. 21, 10,
947-954.
Şekil 10. Zıt Akışlı Düzgün Sıralı Enjektörlü Isı Değiştirgecinde
(QNf/APJ-Re Değişimi (d=9mm,n=4)
3.
Taslim M. E., Li T., Spring S. D., (1993), "Experimental
Study of The Effects of Bleed Holes on Heat Transfer an
Pressure D r o p in Trapezoidal Passagers with Tapared
Sunulan sonuçlar göstermektedir ki; enjektörler ısı
taşınım katsayısını arttırmaktadır. Dolayısıyla enjektörlü
dönmeli akış üreticilerinin kullanımı ile enjektörsüz ısı
değiştirgeçli sistemlere göre daha küçük boyutlu
sistemlerin tasarımı sağlanabilmekte ve sistemin verimi
iyileştirilerek işletme maliyetlerinin azaltılması mümkün
olabilmektedir.
SEMBOLLER
A
Cp
AP
D
h
m
n
Nu
Q
Re
Pr
T
U
V
V
Alan(m2)
Özgül ısı(KJ/kgK)
Basınç kaybı(N/m2)
Eşdeğer çap(m)
Isı taşınım katsayısı(KJ/m2K)
Akışkanın küdesel debisı(kg/h)
Enjektör sıra sayısı
Nusselt Sayısı
Isı enerjisi miktarı(KJ/h)
Reynolds Sayısı
Prandtl Sayısı
Sıcaklık(K)
Akışkan hızı(m/s)
Hacimsel debi(m 3 /h)
Dinamik vışkozite(m2/s)
Turbuiators. Int. Gas Turbine and Aeroengine", Congress and
Exposition, ASME. 11, 93.
4.
Sampers W. E J., Lamers A. P. G. G., "Van Steenhoven A.
A., (1993). Anahysis of Experimental and Numenal Results
of a Turbulent Swirling Flow in a Tube", Chemical Engineer­
ing Communications. 125, 183-196.
5.
Farrel P., Wert K., Webb R., (1991), "Heat Transfer and
Friction Characteristics of Turbulator Radiator Tubes", SAE
Technical Paper Series. 13.
6.
Hirai S., Takagi T., Higashjya T., (1989), "Numerical Pre­
diction of Flow Characteristics and Retardation of Mixing in
a Turbulent Swirling Flow", Int. J Heat Mass Transfer. 32, 1,
121-130.
7.
Lught H. J., (1983), "Vortex Flow in N a t u r e and
Techonology", Wiley, Newyork.
8.
Kobayashi T., Yoda M., (1987), "Modified k-e Model for
Turbulent Swirling Flow in a Straight Pipe", JSME Ind J. 30,
66
9.
Algifri A.H., Bhardwaj R.K., Rao Y.V.N., (1988), "Heat
Transfer in Turbulent Decaying Swirl Flow in a Circular Pipe",
IntJ.Heat Mass Transfer. 31,8,1563-1568.
10.
Dellenback P. A., Metzger D. E., Neitzel G. P., (1987),
"Heat Transfer to Turbulent Swirling Flow Through a Sud­
den Axisymetnc Expansion", Journal of Heat Transfer. 109,
613-620.
11.
Sparrow E. M., Chaboki A., (1984), "Turbulent Fluid Flow
and Heat Transfer in a Circular Tube", ASME Journal of
Heat Transfer. 106, 766-773.
indisi er
c
Soğuk akışkan
e
Enjektör
h
Sıcak akışkan
12.
Kays W. M., London A.L., (1984), "Compact Heat Exchang­
ers", McGraw Hill, .Newyork
13.
Incropera, P. E, Dewitt, P. D., "Fundamentals of Fluid and
Mass Transfer", John Wiley, New York, 1990.
Mühendis ve Makına - Cilt 43 Sayı 514
37