YOĞUŞMA ISI TRANSFERİ DENEYİ Arş. Gör. Emre MANDEV 1

YOĞUŞMA ISI TRANSFERİ DENEYİ
Arş. Gör. Emre MANDEV
1. Giriş
Yoğuşma katı-buhar ara yüzünde gerçekleşen faz değişimi işlemi olup işlem sırasında gizli ısı
etkisi önemli rol oynamaktadır. Yoğuşma yoluyla buharın sıvıya dönüştürülmesi buhardan katı
yüzeye ısı verilmesi suretiyle gerçekleşir.
Yoğuşma işleminde akışkan hareketi söz konusu olduğundan, bu işlem sırasında gerçekleşen
ısı alış verişi taşınım yoluyla ısı transferi kapsamında değerlendirilir. Ancak, bu işlem
sırasındaki faz değişimi nedeniyle katı yüzeyle akışkan arasındaki ısı alış verişinin akışkan
sıcaklığını etkilemeden gerçekleşmesi ısı taşınımının diğer türlerine göre farklılık arz
etmektedir. Yoğuşmayı gerçekte önemli ve özel kılan şey aslında çok küçük sıcaklık farkları
altında yüksek mertebelerde ısı transferinin gerçekleşebiliyor olmasıdır.
Akışkanın sıvı fazındaki yoğunluğu ile buhar fazındaki yoğunluğu arasındaki fark nedeniyle
faz değişimi işlemi sırasında 𝑔(𝜌𝑙−𝜌𝑣) ile orantılı bir kaldırma kuvveti oluşur ve bu kuvvet de
bir doğal taşınımın ortaya çıkmasına yol açar. Böylece, gizli ısı ve doğal taşınımın birleşik
etkisiyle, yoğuşma işlemi sırasındaki ısı taşınım katsayısı, faz değişiminin olmadığı
durumlardaki ısı taşınım katsayısına göre çok daha büyük değer almaktadır. Aynı cümleleri
kaynama içinde kurabiliriz.
Şekil 1. Deney Düzeneği
1. Yoğuşturucular
2. Isı değiştirgeci
3. Buhar tutucusu
4. Sıcaklık, kütlesel debi ve basınç göstergeleri
5. Isıtıcı
6. Soğutma suyu bağlantıları
7. Su jeti pompası
8. Sıcaklık sensörü
9. Soğutma suyu ayar valfi
10. Soğutma suyu kütlesel debisi sensörü
2. Yoğuşmada Isı Transferi
Bir buharın sıcaklığı doyma sıcaklığının altına düşürüldüğü zaman yoğuşma meydana gelir.
Endüstriyel cihazlarda yoğuşma işlemi, buharın soğuk bir katı yüzeyle temas etmesi sonucu
gerçekleşir ki bu tür bir yoğuşma yüzey yoğuşması olarak isimlendirilir. Yoğuşma işlemi
sırasında açığa çıkan buharın gizli enerjisi (ısısı) yüzeye geçer ve yüzeyde yoğuşuk oluşur.
Bilinen diğer yoğuşma şekilleri homojen yoğuşma ve doğrudan temas yoğuşmasıdır. Bunlardan
birincisinde, buharın başka bir gaz içerisinde damlacıklar halinde yoğuşup asılı kalarak sis
oluşturması söz konusu iken; ikincisinde, buharın soğuk bir sıvının serbest yüzeyi ile temas
etmesi sonucu yoğuşması söz konusudur.
Yukarıda belirtildiği gibi, endüstriyel cihazlarda çoğunlukla karşılaşılan yoğuşma yüzey
yoğuşması şeklindedir ve yüzey yoğuşması da film şeklinde yoğuşma ve damlacık şeklinde
yoğuşma olmak üzere iki farklı şekilde oluşabilir. Film şeklinde yoğuşma genellikle temiz ve
düzgün yüzeylerde meydana gelirken, damlacık şeklinde yoğuşma daha çok kirli veya kolay
ıslanabilme özelliği taşıyan malzemelerle (silikon, teflon, çeşitli vakslar ve yağ asitleri gibi)
kaplanmış özel yüzeylerde meydana gelir. Damlacık oluşumu yüzeydeki çatlak, oyuk ve
çukurlarda başlayıp yer çekimi etkisiyle aşağıya doğru kümelenip akma şeklinde devam eder.
Şekil 2. Film ve Damlalı Yoğuşma
Yoğuşma ister film şeklinde isterse damlacık şeklinde olsun; yoğuşuk, buharla soğutucu yüzey
arasında, yoğuşuk kalınlığıyla orantılı bir ısıl direnç oluşturur. Yoğuşuk kalınlığı da, film
yoğuşması halinde, akış doğrultusunda ilerledikçe büyüdüğünden endüstriyel uygulamalarda
ya kısa düşey yüzeyler, ya da yatay silindir şeklinde yüzeyler tercih edilir. Bu yüzden çoğu
yoğuşturucu, içerisinden bir soğutucu akışkan akan yatay boru demetleri şeklinde yapılır ve
boruların dış tarafından da yoğuşturulacak buhar geçirilir. Isı transferi açısından damlacık
yoğuşmasının daha etkin olmasına karşılık, yüzeyin sürekli olarak damlacık yoğuşması
rejiminde tutulması güç olduğundan, yoğuşturucu tasarım hesaplamaları çoğu zaman film
yoğuşması esas alınarak yapılır.
Şekil 3. Endüstriyel Yoğuşturucu Örneği
2. 1. Film Yoğuşma
Boru çapının film kalınlığına göre büyük olduğu durumda düşey boruların dış yüzeyinde
laminar film yoğuşma için ortalama ısı transferi katsayısı aşağıdaki gibi hesaplanır.
1/4
ℎ𝑓𝑖𝑙𝑚
∗
𝑔𝜌𝑙 (𝜌𝑙 − 𝜌𝑣 )ℎ𝑓𝑔
𝑘𝑙3
= 0.943 [
]
𝜇𝑙 (𝑇𝑑𝑜𝑦 − 𝑇𝑠 )
Burada;
g = yerçekimi ivmesi (m/s2)
ρl ve ρv = sıvı ve buharın özgül kitleleri (kg/m3)
μl = sıvının viskozitesi (kg/m.s)
kl = sıvının ısıl iletkenliği (W/m.°C)
L = sülündür yüksekliği (m)
Ts = plaka yüzey sıcaklığı (°C)
Tdoy = yoğuşan akışkanın doyma sıcaklığı (°C)
cpl = sıvının ısıl kapasitesi (W/kg.K)
(
𝑊
. °𝐶)
𝑚2
0 < 𝑅𝑒 < 30
∗
ℎ𝑓𝑔
= ℎ𝑓𝑔 + 0.68𝑐𝑝𝑙 (𝑇𝑑𝑜𝑦 − 𝑇𝑠 )
olarak tanımlanmıştır.
Sıvı özellikleri muhakkak film sıcaklığına göre okunmalıdır ( 𝑇𝑓 = (𝑇𝑠 + 𝑇𝑑𝑜𝑦 )/2 ).
2. 2. Damlacıklı Yoğuşma
Damlacıklı yoğuşma birçok yüzey-akışkan ikilisiyle deneysel olarak çalışılmaktadır. Bunlardan
bakır yüzeylerde buharın yoğuşması üzerine olan çalışmalar en çok dikkati çekmiştir. P. Griffith
(1983), bakır yüzeylerde buharın damlalı yoğuşması için şu basit bağıntıyı vermiştir.
ℎ𝑑𝑎𝑚𝑙𝑎𝑐𝚤𝑘𝑙𝚤 = (
51104 + 2044𝑇
255310
22℃ < 𝑇𝑑𝑜𝑦 < 100℃
)
𝑇𝑑𝑜𝑦 > 100℃
𝑊
( 2 . ℃)
𝑚
2. 3. Deneysel Verilerin Kontrolü
Deney düzeneğinde soğutucu akışkan giriş çıkış sıcaklıkları arasında aşağıdaki bağıntı
yazılabilir.
𝑄̇ = 𝑚̇𝑐𝑃 (𝑇ç𝚤𝑘𝚤ş − 𝑇𝑔𝑖𝑟𝑖ş ) = 𝜌𝑉̇ 𝑐𝑃 (𝑇ç𝚤𝑘𝚤ş − 𝑇𝑔𝑖𝑟𝑖ş )
Bu bağıntıdan elde edilen enerji değeri yoğuşan sudan soğutma suyuna geçen enerjidir.
Yoğuşan akışkanın yüzeye transfer ettiği enerji aynı zamanda aşağıdaki gibi de ifade
edilebilir. Bu bağıntılarda gerekli akışkan özellikleri ortalama akışkan sıcaklığı dikkate
alınarak belirlemnmelidir.
𝑄̇ = ℎ𝑦 𝐴(𝑇𝑑𝑜𝑦 − 𝑇𝑠 )
Hesaplanan film ve damlacıklı yoğuşma ısı transferi katsayıları, yukarıda verilen
bağıntılar ile karşılaştırılmalıdır.
Deneyin Amacı
1. Sistemde iki farklı yüzey üzerinde oluşan iki farklı yoğuşma mekanizmasını
gözlemlemek.
2. Düzenekten alınan veriler yardımıyla damlacıklı ve film yoğuşma ısı transferi
katsayılarını belirlemek.
Deneyin Yapılışı
1. Tankı 90 - 100 °C ye ısıtın.
2. Hem yüzey sıcaklıkları arasındaki gerekli fark hem de buhar sıcaklığı elde edilsin diye
soğutma suyu kütlesel debisini ayarlayın.
3. Buhar sıcaklığı sabit kalsın diye ısıtıcı gücünü ayarlayın.
4. Gerekirse doğru sıcaklık farkı için soğutma suyu kütlesel debisini tekrar ayarlayın.
5. Yoğuşma prosesi yoğuşma borularında açık şekilde gözlemlenebilir.
6. Tüm sıcaklık ve kütlesel debileri okuyun, not edin ve değerlendirin.
Rapor İçeriği
1. Öğrenci adı, soyadı, numarası, grup numarası, deney tarihi ve deney adının belirtildiği
rapor kapağı hazırlanacak (Çıktı Alınacak).
2. Ekte verilen tablo (Çıktı Alınıp Elle Doldurulacak).
3. Hesaplamalar (Bilgisayar çıktısı olmayacak).
4. Deney sonrasında yürütücünün verdiği ödev (Her hafta değişiklik gösterecektir).
Adı Soyadı:
Tarih:
Basınç:
Film Yoğuşma
Damlacıklı Yoğuşma
Soğutma Giriş Sıcaklığı
T1
T4
Soğutma Çıkış Sıcaklığı
T2
T5
Yüzey Sıcaklığı
T3
T6
Buhar Sıcaklığı
T7
Soğutma Debisi
F1
F2
Yüzey Alanı
A
0.00426 m2
Sıcaklık
Yoğuşma
Yoğunluk
Isıl Kapasite
Film Sıcaklığında
(Ts+Tdoy) / 2
Film
Yoğuşma
Damlacıklı
Yoğuşma
Ortalama Sıcaklıkta
(Tg+Tç) / 2
Film
Yoğuşma
Damlacıklı
Yoğuşma