Isı Eşanjörüne Yerleştirilen Konik-Halka Yüzey Elemanlarının Isı Transferine Etkisi

ÖZET
Bu çalışmada, konik-halka yüzeylerin paralel akışlı ısı eşanjörlerinde, türbülanslı akış için ısı transferine etkileri deneysel olarak araştırılmıştır. İlk önce boş boru deney sonuçlarının literatürde verilen bağıntılarla uyum içinde olduğu belirlenerek, deney elemanlarının kalibrasyonu gerçekleştirilmiştir. Sınır tabakanın peryodik olarak yenilenmesine imkân verecek şekilde imal edilen ve 2 ayrı düzende eşanjör içerisine yerleştirilen konik halka yüzeyler, Reynolds sayısının 10000 değerinde, 1. tip konik halkalı yüzey için ise ısı transfer katsayısını % 230 değerinde. 2. tip konik halkalı yüzey için % 200 değerinde iyileştirmiştir. Aynı Reynolds sayısında basınç kayıpları 1. tip konik-halkalı yüzey için % 2000, 2. tip konik-halkalı yüzey için % 1500 değerinde artmıştır. Deneylerde ölçümler Reynolds sayısının geniş aralığında yapılmıştır. 1000<Re< 10000). 

1- GİRİŞ
Son yıllarda her konuda olduğu gibi ısı eşanjörleri konusunda da malzeme ve enerji tasarrufu yapmak amacıyla birçok çalışma yapılmaktadır. Belli bir kapasite için daha küçük boyutlu ısı eşanjörü yapmak gözönünde bulundurulan en önemli amaçlardan birisidir. Fakat bu yapılırken sabit yatırım maliyetini de gözönünde bulundurmak gerekir. Çünkü yapılan çözüm pahalı olmamalıdır. Diğer bir çözüm ise ısı eşanjörüne giren akışkanın sabit sıcaklığına karşılık ısı transferini artırmak, yani ısı eşanjöründe ortalama sıcaklık farkını düşürmektir. Dolayısıyla sistemin termodinamik verimini artırarak işletme maliyeti azaltılır [1].
Isı transferini iyileştirme yöntemlerinden birisi de sınır tabakanın sürekli yenilenmesidir. Bu amaçla, literatürde silindirik borular içerisine yerleştirilmiş konik-halka yüzey elemanlarının ısı transferine etkisi incelenmiştir [1,2,3] ve ısı transfer katsayısının artacağı gösterilmiştir. Bu çalışmada, ısı eşanjörlerinde ısı transferini artırmak için birbirleri ile bağlantılı tek-tip konik-halka yüzey elemanları incelenecektir. Şekil 1'de bu sistemler gösterilmiştir. Burada içerisine konik-halka yüzey elemanlarının yerleştiridiği silindirik borunun dış çapı D_O, iç çapı D_i, daralan-genişleyen konik-halka yüzey elemanlarının en küçük kesik konik çapı D_S, en büyük kesik konik çapı dış borunun iç çapı D_di, ve dış çapı D_do, koniklik eğim açısına daralan-genişleyen konik yüzey elemanının hatvesi P, cidar kalınlığı t ve boyları L ile gösterilmiştir.

Bu deneysel çalışmada, aynı tip konik-halka yüzey ele inanlarının 2 ayrı bağlantı şeklinin ısı transferine etkisi ayrı ayrı Şekil-2 dedir

2- DENEY DÜZENEĞİ
Şekil 3'de deney düzeneği şematik olarak gösterilmiştir. Deney düzeneği hava fanı, elektrikli hava ısıtıcısı, varyak, hava-su ısı eşanjörü, sıcaklık ölçüm cihazı, U manometresi, daralan-genişleyen konik-halka yüzey elemanları, su tankı ve diğer yardımcı elemanlar ve ölçüm aygıtlarından meydana gelmiştir. Düzenekte ısı transfer edilen akışkan olarak seçilen su bir dinlenme tankından kendi serbest düşüşü ile alınarak ısı eşanjörüne girmektedir. Ayrıca suyun debisi bir vana ile ayarlanabilir. Suya ısı aktaran akışkan olarak seçilen hava, hava fanı tarafından ortamdan emilerek hava ısıtıcısına gönderilir. Burada istenen sıcaklığa kadar ısıtma, sisteme bağlı varyak yardımı ile yapılmaktadır. Sisteme giren hava miktarı bir vana yardımıyla ayarlanır. Deney düzeneğindeki konik-halka yüzeylerinin yerleştirildiği iç boru bakır, dış boru ise galvanizli çeliktir.

3- DENEYSEL SONUÇLARIN HESABI
a- Su Debisi: Su debisi ölçekli kapta toplanan su miktarının toplama zamanına bölünmesiyle bulunmuştur.

b- Isı Transferi : Suyun aldığı ısı ;

eşitliğiyle hesaplanmıştır. 

c- Hava Debisi: Çevreye kaybedilen ısı ihmal edilebilir olduğundan, havanın verdiği ısı suyun aldığı ısıya eşit kabul edilebilir. Öyleyse hava debisi;

d- Hava için Reynold sayısı

f- Isı Transfer Katsayısı :

g- Hava için Nusselt sayısı :

4- SONUÇ
Şekil 4'de deney elemanının girişi ve çıkışı lirasında ölçülen basınç kayıpları, nominal Reynolds sayısının fonksiyonu olarak çizilmiştir. Ayrıca diyagramda boş boru gösterilmiştir

Şekil 5'de Nusselt sayısının nominal Reynolds sayısına bağlı değişimi gösterilmiştir.

Elde edilen deney sonuçları, lam türbülanslı akışla daralan genişleyen konik-halka yüzey elemanlarının ısı eşanjörlerinde ısı transferini iyileştirmesi açısından çok daha etkili olacağını göstermiştir. Basınç kaybı pek düşük mertebede değildir. Boyutlar üzerinde herhangi bir optimizasyon işlemi yapmaksızın elde edilen bu sonuçlar, konu üzerinde daha ileri araştırma yapmayı gerekli kılmaktadır. Bu çalışmaların sonucu basınç kayıplarında azalma umulmaktadır. Konik-halka yüzey elemanlarının dizilişi ve eğimlcrindeki değişiklik sonraki çalışmalara konu olacaktır.

KAYNAKLAR
1. Tanyıldızı, V., Ayhan, T. ve Karabay, H. "Silindirik Boru İçerisine Yerleştirilen Rendemsi Türbülatörlerin Isı Transferine Etkisi", Isı Bilim ve Tekniği Dergisi, Cilt 13. Sayı 4, Sayfa 7-11, 1990.
2. Ayhan, T. ve Karabay, H., "Silindirik Boru İçine Yerleştirilen Daralan-Genişleyen Konik Yüzeylerin Isı Transferine Etkisi", Isı Bilim ve Tekniği Dergisi, Ciltli, Sayı 4, Sayfa 39-43. 1988.
3. Ayhan, T. Karabay, H. ve Tanyıldızı, V., "Silindirik Borular İçerisine Yerleştirilen Konik-Halka Yüzey Elemanlarının Isı Transferine Etkisi", Isı Bilimi ve Tekniği dergisi. Cilt 14, Sayı 2, Sayfa 23-28, 1991.
4. Yılmaz, T. ve Ayhan, T, "Birbirleriyle Bağlantılı Daralan-Genişleyen Kanallarda Isı Transferi" Isı Bilim ve Tekniği 4. Ulusal Kongresi, 133-149, 1983.
5. Yılmaz, T., "Paralel ve Paralel Olmayan Aralıklı Kanatçıklar İçeren Kanallarda Isı Transferi", Çukurova Üniversitesi, Müh. Mim. Fakültesi Dergisi, Cilt 1, Böl. 1, No.l, 1986.
6. Dağsöz. A.K.. Isı Geçişi Cilt 1 Isı İletimi, İ.T.Ü. Kütüphanesi, Sayı 978, İstanbul. 
7. Suzuki, K., Hirai, E. and Mıyake, T., "Numerical and Experimental Sludies on a Two-Dimensional Model of an Offset-Strip-Fin Typc Compact Heat Exchanger Used at Low Reynolds Number", Int. J. Heat Mass Transfer, Vo. 28. No. 4. pp. 823-836, 1985.
8. Schendne, C, Tagliafko, L. and Tanda, G., "Second Law Performancc Analysis for Offset Slrip-Fin Heat Exchangers" Heat Transfer Engincering, Vol. 12, No. 1, pp. 19-26, 1991.