İki Fazlı Akışlarda Isı Transfer İyileştirmesi - 2

05 Mayıs 2007 Dergi: Mayıs-2007
Diğer taraftan dünya enerji rezervlerinin gittikçe azalması, ülkeleri enerji kaynaklarını daha verimli kullanmaya ve alternatif enerji kaynakları bulma çalışmalarını yoğunlaştırmaya itmiştir. Bu çabalardan birisi de ısı transferini iyileştirme amacıyla yürütülen çalışmalardır. Bu makalede iki fazlı akışta kullanılan ısı transfer iyileştirme yöntemleri ayrıntılı olarak incelenmiş ve iki fazlı akışlarda ısı transfer iyileştirmesi ile ilgili temel bulgular vurgulanmıştır.


Anahtar Kelimeler: İki fazlı akış, akış rejimleri, faz değişimi, kaynama, yoğuşma, ısı transferi iyileştirmesi.

Abstract

Two phase flow and heat transfer are gaining more and more importance in industry. Two phase flow is widely used in vapor generators, refrigeration systems, nuclear reactors, chemical processing industry and refineries and in many other fields of  industrial systems. On the other hand depletion of world energy sources makes the country to use energy sources more efficiently and to find alternative energy resources. One of these efforts is the studies related to heat transfer enhancement. In this study heat transfer enhancement techniques for two phase flows are studied in detail and basic results related to heat transfer enhancement techniques for two phase flows are summarized.

Keywords: Two phase flow, flow regimes, phase change, boiling, condensation, heat transfer enhancement.

Şekil 3. Ticari iyileştirilmiş kaynama yüzeyleri. (a) İntegral kanatçıklı boru, (b) Trane eğimli kanatçık, (c) Wieland.GEWA-TWTM, (d) Hitachi Thermoexcel-ETM, (e) Wolverine Turbo-BTM veya Furukawa ECR-40TM, (f) Wieland GEWA-SETM [2]

4. Havuz Kaynamada Isı Transfer İyileştirmesi

Havuz kaynamada ısı transfer iyileştirmesi için kullanılan iki temel iyileştirme geometrisi vardır: gözenekli yüzeyler ve yapısal yüzeyler. 1968 yılından beri bu alanda hızlı gelişmeler olmuş ve çeşitli yüksek performanslı borular ticari olarak kullanılır seviyeye gelmiştir. Şekil 3?de çeşitli ticari iyileştirilmiş kaynama yüzeyleri gösterilmiş, Çizelge 4?de havuz kaynamada kullanılan ısı transfer iyileştirme yöntemleri ve bunların karakteristikleri özetlenmiştir.

5. İki Fazlı Akışlarda Isı Transfer İyileştirmesi

İki fazlı akışlar için çeşitli ısı transfer iyileştirme yöntemleri kullanılmaktadır. Bu yöntemler aşağıda ayrıntılı olarak incelenmiştir.

5.1. İki Fazlı Akışlarda Kullanılan Isı Transfer İyileştirme Yöntemleri

5.1.1. İşlenmiş ve Pürüzlü Yüzeyler

Bir borunun iç yüzeyini modifiye etmek oldukça zor olmasına rağmen literatürde iç akışlarda çeşitli işlenmiş ve pürüzlü yüzeyler kullanılmıştır. Pürüzlü yüzeyler rastgele kum taneli pürüzlülükten ayrık tümseklere kadar çok çeşitli konfigürasyonlarda üretilebilir. Pürüzlülük esasen tek fazlı akış ısı transferini iyileştirmek için kullanılır ve türbülans oluşturarak türbülans sınır tabakasını etkiler. Pürüzlülüğün en etkin olduğu sınır tabaka bölgesi akışkan akımının yapısına bağlıdır. Gazlarda tüm türbülanslı sınır tabaka ısıl direnci etkileyebilirken, sıvılarda baskın olan viskoz alt tabakadır. Pürüzlülük laminer akış ısı transferinde az etkiye sahiptir veya hiç etkisi yoktur. Pürüzlülük kaynamada çekirdekleşme sitelerinin artmasını sağlayabilir [3]. Yüzey pürüzlülüğünün aşırı soğutulmuş kritik ısı akısını sadece yaklaşık %10 arttırdığı bulunmuştur. Buharlaştırıcı boruları için çeşitli pürüzlülük konfigürasyonları geliştirilmiştir. Çift çaplı borular, yarıklı helisel yerleşik iyileştirme aygıtları, helisel kanatçıklar ve makine ile yapılmış çıkıntılar buharlaşmayı, kritik ısı akısını, ve post dry-out ısı transfer karakteristiklerini iyileştirir [1].

İşlenmiş yüzeyler pürüzlü yüzeylerin aksine yüzey bitirme işlemlerinin bağıl olarak küçük ölçekli değişimine sahip yüzeyler veya kaplama uygulanmış yüzeylerdir. Bu değişimler süreksiz olabilir ve genellikle kaynama ve yoğuşmayı iyileştirmek amacıyla kullanılırlar. Yüzeye yapılan değişiklikler tek fazlı akış ısı transferini etkilemeyecek kadar küçüktür, yani pürüzlülük yüksekliği çok azdır. İşlenmiş yüzeyler kaynamalı akışda havuz kaynamasından daha az etkin olmaktadır [1, 3].

Şekil 4. Dış kanatçıklar (a) Uzunlamasına kanatçık, (b) Radyal kanatçık, (c) İğneli kanatçık, (d) Sürekli kanatçık, (e) Eliptik kesitli kanatçık, (f) Sargılı-telli kanatçık [3]

5.1.2. Genişletilmiş Yüzeyler

Isı transferini iyileştirmek amacıyla genişletilmiş yüzeyler uzun yıllardan beri kullanılmaktadır (Şekil 4 ve 5). Kanatçıklar genellikle zorlanmış ısı transferini iyileştirirler, bunun yanında küçük kanatçıklar kaynama ve yoğuşmayı iyileştirmek amacıyla kullanılırlar. İntegral veya yerleşik içten kanatçıklı borular soğutma buharlaşma uygulamalarında düz boruya göre ısı transfer miktarını birkaç kat arttırır. Düşey veya yatay buharlaştırıcılar için iyileştirilmiş ısı transfer boruları üretilmektedir. Bir araştırmada aşağı doğru inen film buharlaşmasında içten kanatçıkların kullanımıyla ısı taşınım katsayısının 10 kat oranında artabileceği bulunmuştur. Dış cidarda yoğuşmayı iyileştirmek için geliştirilen çift oluklu ve spiral oluklu boruların iç tarafta buharlaşan akışkanın da ısı taşınım katsayısını arttırdığı belirlenmiştir [1, 3].

5.1.3. Yerleşik İyileştirme Aygıtları

Yerleşik boru iyileştirme aygıtları ısıtılan yüzeyde enerji transferini indirekt olarak geliştirmek amacıyla akışkan akımına yerleştirilen elemanlardır. Bu aygıtlar normal olarak zorlanmış taşınımı iyileştirmek amacıyla kullanılırlar fakat kaynamayı iyileştirmek için kullanılan aygıtlar da bulunmaktadır. Yerleşik boru iyileştirme aygıtları kaynama kritik ısı akısını arttırmak için ısıtılmış yüzey yanındaki akışı karıştırmak amacıyla kullanılmaktadır. Özel bilezikler ve iyileştirme aygıtları kullanılarak çubuk demetlerinde kritik gücün arttığı belirlenmiştir. Ağ ve tüy tipi iyileştirme aygıtları kullanarak aşırı soğutulmuş kaynamayı inceleyen bir çalışmada kritik ısı akıları yaklaşık olarak %100 artmış, ancak cidar sıcaklıkları kısmi film kaynamanın oluşması nedeniyle çok yüksek olmuştur [1, 3].

5.1.4. Dönmeli Akış Aygıtları

Dönmeli akış aygıtları akışa dönme, ikincil hareket veya her ikisini birden kazandıran aygıtlardır. Bükülmüş şeritler, bobinli borular, vorteks jeneratörleri, genişletilmiş tel bobinler en yaygın olarak kullanılan dönmeli akış aygıtlarıdır (Şekil 6). Bu aygıtlar ilk yıllarda sıvıların tek fazlı zorlanmış ısı taşınımında uygulama alanı bulmuş daha sonraları gazlar, iki fazlı akış ve yoğuşmada da ilgi çekmeye başlamıştır [3]. Suyun aşırı soğutulmuş kaynamasında spiral eğimli veya teğetsel delikli giriş vorteks üreteçleri çok büyük ısı akıları sağlamaktadırlar. 1.73*108 W/m2 büyüklüğünde kritik ısı akıları elde edilmiştir. Boruda suyun aşırı soğutulmuş kaynaması veya iç borusu ısıtılmış halkasal akışta giriş dönmesinin kritik ısı akısını artırmada etkin olduğu belirlenmiştir [1].

Basitliği ve mevcut ısı değişim cihazına adapte edilebilirliği nedeniyle bükülmüş şeritler oldukça popülerdir. Kısa bükülmüş şerit toplam basınç düşümüne az etki yaparken ısıl problemi giderebildiği için sıcak spot uygulamaları için idealdirler. Bükülmüş şeritli aşırı soğutulmuş kaynama için kaynama eğrileri boş boru için olan eğrilere benzerdirler ve kritik ısı akısı % 100?e kadar arttırılabilir [3].

5.1.5. Yüzey Gerilim Aygıtları

Kılcal hareket üreten bir yüzey iki fazlı akış ısı transferini (kaynama ve yoğuşma) iyileştirmede kullanılabilir. Bu yüzeyler gözenekli, yarıklı veya ağ örtüyle kaplanmış olabilir. Böyle bir yüzey kullanmaktaki amaç sıvı akışını buharlaşma bölgesine yönlendirmek veya yoğuşma alanından uzaklaştırmak olabilir. Yüzey gerilim aygıtları kaynamada çekirdekleşme sitelerinin sayısını arttırır. Yüzey gerilim aygıtları ilk yıllarda ısı boruları ve termosifonlarda kullanılmasına rağmen günümüzde kullanımı bunlarla sınırlı değildir [3].

5.1.6. Gözenekli Yapılar

Gözenekli yapılar esas olarak kaynamayı iyileştirmek amacıyla kullanılırlar. Bu yapıların amacı çok sayıda çekirdekleşme siteleri sağlayarak buhar üretmek için gerekli kızgın ısı miktarını minimuma indirmektir. Cidarda sıvı filmi olmasını sağlayarak sıvı boyunca ısı transferine olan ısıl direnç azaltılabilir. Bu, sinterlenmiş kaplama kullanarak yapılabilir. Böyle yapıları içeren çeşitli borular ticari olarak bulunmakta ve soğutma sistemlerinde kullanılmaktadır (Şekil 7) [3].

5.1.7. Katkı Maddeleri

Tek fazlı ve iki fazlı akış ısı transferini iyileştirmek için çeşitli tip katkı maddeleri kullanılmaktadır. Gazlarda zorlanmış ısı taşınımı ince sisler, düşük veya yüksek yoğunluklu katı partikülleri eklenerek; sıvılarda katı partikülleri ve gaz kabarcıkları eklenerek iyileştirilebilir. İki fazlı akışta ise sıvı izleyici katkı maddeleri kaynamalı ısı transferinde, kimyasal maddeler damlacıklı yoğuşmada kullanılmaktadır. Katkı maddeleri aşırı soğutulmuş çekirdekli kaynamada pek etkili değildir; akışkan ile yüzey arasındaki sıcaklık farkı bazı katkı maddelerinde azalırken diğerlerinde artmaktadır. Bir araştırmada düşey boruda yukarı doğru akışta deniz suyunun buharlaşmasında bir katkı maddesi ilave edildiği zaman ısı taşınım katsayısısnın iki katına çıktığı belirlenmiştir [1, 3].

5.1.8. Bobinli Borular

Bobinli borular esasen dönmeli akış aygıtlarıdır. Bununla birlikte boruya bir aygıt yerleştirmek veya boru yüzeyine bağıl olarak küçük modifikasyonlar yapmak yerine tüm boru geometrisi radikal olarak değiştirilir. Genel olarak daha yüksek ısı transfer performansına sahiptirler. Kaynamanın iyileştirilmesi geometrik koşullara ve akış koşullarına çok duyarlıdır. Zorlanmış taşınım buharlaşmasında çevresel ortalama ısı taşınım katsayısında önemli iyileşmeler oluşmakta ve bobinli boru çapı azaldıkça iyileşmeler artmaktadır. Aşırı soğutulmuş bölgede kritik ısı akısı kıyaslanabilir düz borudan daha düşüktür; bununla beraber, kritik ısı akısı veya kritik kuruluk derecesi çıkış kuruluk derecelerinin 0.2 ve daha yüksek değerlerinde düz borudakinden genellikle oldukça daha yüksektir. Ayrıca post dryout ısı taşınım katsayısının helisel bobinlerde arttığı belirlenmiştir [1, 3].

5.1.9. Mekanik Yardımcılar

Mekanik yardımcılar normal olarak akışkana veya cidarın çok yakınındaki bölgeye uygulanırlar. Mekanik yardımcılar kullanarak ısı transferini iyileştirme mekanik yöntemlerle akışkanın karıştırılması, yüzeyin dönmesi veya çok viskoz akışkanlar için yüzey kazıyıcılar kullanmayı kapsar (Şekil 8). Yüzeyi kazıyan karıştırıcılar ve mixerler çok viskoz plastiğin hava ile akışı gibi çok viskoz akışkanlı kimyasal proseslerde yaygın olarak kullanılır. İyileştirme için mekanik yardımcıları kullanan ısı değiştiricileri mekanik destekli ısı değiştiriciler olarak adlandırılır. Yüzey kazıma yöntemi kimyasal proses endüstrisinde viskoz sıvılar için oldukça yaygın olarak kullanılır ve ayrıca gazların boru akışlarına uygulanabilir. İnce buhar filmleri oluşturma için kazıyıcıların kullanımı önerilir [3, 10].

5.1.10. Akışkan ve Yüzey Titreşimi

Akışkan ve yüzey titreşimi çoğu ısı değiştiricilerinde farklı etkinlik dereceleriyle oluşan doğal bir prosestir. Titreşimin frekansı ve genliği, özellikle titreşim aktif ısı transfer iyileştirme yöntemi olarak kullanıldığında, ısı değiştiricisine olan güç giriş miktarına bağlıdır. Titreşim yönteminin pratik kullanımı için temel sınırlama gerekli güç tüketimidir. Titreşim aygıtları pahalıdır ve ısı transfer iyileştirmesi için bu yöntemin yapay kullanımı henüz endüstriyel uygulamaya sahip değildir. Bununla birlikte ısı transfer akışkanı ve ısı transfer yüzeylerinin titreşimi ısı transfer prosesinin ve aygıtın çalışma koşulunun doğal bir parçasıdır. Bu bağlamda doğal koşullardaki bu titreşim etkileri aşırı güç gerektirmeden ısı değiştirici tasarımına dahil edilmek amacıyla incelenmeli ve değerlendirilmelidir [10].

Akışkan Titreşimi

Genel olarak akışkan titreşimi akış kesici veya elektriksel transdüser kullanılarak akışkan ortamına uygulanır. Frekans 1-10 MHz arasında değişir. Isı transfer iyileştirmesi esas olarak akustik indüklenmiş akış ve ilave ajitasyon nedeniyle oluşur. Yüzey titreşim yöntemine kıyasla güç tüketimi daha düşüktür. Sonik veya ultrasonik akışkan titreşimlerinin akış kaynamasını önemli derecede etkilemediği bulunmuştur [1, 10].

Yüzey Titreşimi

Yüzey titreşimi durumunda yüzeyi titreştirmek için kullanılan güç tüketimi özellikle ağır cihazlarda çok yüksektir. Isı transfer yüzeyi çoğunlukla elektrodinamik veya eksantrik motor tahrikli vibratörler ile titreştirilmektedir. Çoğu uygulamalarda titreşim frekansları 1000 Hz?den daha azdır. Isı transfer yüzeyine yakın ikincil akışlar (akustik akımlar) nedeniyle iyileşme meydana gelir. İyileşme oranları genellikle iki katına kadar çıkar. Ağır ısı transfer yüzeyleri için iyileşme akustik enerjiyi yüzeye iletmedeki zorluklar nedeniyle daha düşüktür. Kaynamalı akış ısı transferine yüzey titreşiminin etkisi konusunda az sayıda araştırma yapılmıştır. Suyun düşük hızlı akışı için çekirdekli kaynama katsayıları düşük ısı akılarında bir miktar iyileşmiş fakat yüksek ısı akılarında iyileşme gözlemlenmemiştir. Bir boyler borusu enine titreştirildiği zaman kritik ısı akısında önemsiz değişiklikler oluşmuştur. Akış hızındaki değişimlerle veya diğer konvektif çalkantılarla tam-gelişmiş kaynama genellikle etkilenmediğinden bu sonuçlar beklenen sonuçlardır [1, 10]. z

Makalenin son bölümü haziran sayımızda yayınlanacaktır.

KAYNAKLAR

[1] Bergles, A. E., 1985. Enhancement of boiling and condensing. Two-Phase Flow and Heat Transfer. Eds. by Chen X. J., Veziroğlu T. N., Hemisphere Publishing Corporation, Washington, 283-307.

[2]Webb, R. L., 1994. Principles of Enhanced Heat Transfer, John Wiley & Sons, New York.

[3] Reay, D. A., 1991. Heat transfer enhancement - A review of techniques and their possible impact of energy efficiency in the U.K. Heat Recovery Systems & CHP, 11 (1), 1-40.

[4] Kalinin, E.K., Dreitser, G.A., 1998. Heat transfer enhancement in heat exchangers. Advances in Heat Transfer, Vol. 31, 159-332.

[5] Somerscales, E. F. C., Bergles, A. E., 1997. Enhancement of heat transfer and fouling mitigation. Advances in Heat Transfer, Vol. 30, 197-253.

[6] Jakob, M., 1949. Heat Transfer, John Wiley & Sons, New York, 636-638.

[7] Bell, K. J. 1985. Two-phase flow in heat exchangers. Two-Phase Flow and Heat Transfer. Eds. by Chen X. J., Veziroğlu T. N., Hemisphere Publishing Corporation, Washington, 341-361.

[8] Corradini, M. L., 1997.  Fundamentals of Multiphase Flow. Department of Engineering Physics University of Wisconsin, Madison.

[9] Hewitt, G. F., 1978. Flow Patterns. In Two-Phase Flow and Heat Transfer. Ed. by Butterworth D, Hewitt, G. F., Oxford University Press, 18-39.

[10]Ohadi, M. M., Dessiatoun, S.V., Darabi, J., Salehi, M., 1996. Active augmentation of single-phase and phase-change heat transfer - an overview. Process, Enhanced, and Multiphase Heat Transfer: A Festschrift for A. E. Bergles. Ed. by Manglik, R.M. and Kraus, A.D., Begell House, New York, 277-286.

[11]Yılmaz, M., 1996. Azalan Dönmeli Akışta Isı Transferi, Sürtünme ve Performans Karakteristiklerinin Araştırılması. Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, Erzurum.

[12]Kandlikar, S. G., Celata, G. P., Mariani, A., 1999. Flow Boiling Augmentation. Handbook of Phase Change: Boiling and Condensation. Ed. by Kandlikar, S.G., Shoji, M. and Dhir, V. K., 495-521.

[13] Bergles, A. E. and Webb, R. L. 1985. A guide to the literature on convective heat transfer augmentation. Advances in Enhanced Heat Transfer, HTD 43, 81-89.

[14] Webb, R. L., Bergles, A. E., 1983. Heat transfer enhancement: second generation technology. Mechanical Engineering, 105, 60-67.

[15] Thome, J.R., 1990. Enhanced Boiling Heat Transfer, Hemisphere Publishing Corp., Washington, D.C.

Doç. Dr. Mehmet YILMAZ -Prof. Dr. Ömer ÇOMAKLI

Arş. Gör. Şendoğan KARAGÖZ - Özgür BEDİR

Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü /Erzurum


Etiketler