402 makine mühendisliğilaboratuvarı deney

BAŞKENT ÜNİVERSİTESİ MAKİNE
MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
MAK - 402 MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI
DENEY – 4
İÇİNDE SABİT SICAKLIKTA SİLİNDİRİK ISITICI
BULUNAN DİKDÖRTGEN PRİZMATİK SAC KUTU
YÜZEYLERİNDEN ZORLANMIŞ TAŞINIM İLE ISI
TRANSFERİNİN İNCELENMESİ
BAŞKENT ÜNİVERSİTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
MAK 402 – MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI
DENEY - 4
İçinde sabit sıcaklıkta silindirik ısıtıcı bulunan dikdörtgen prizmatik sac kutu
yüzeylerinden zorlanmış taşınım ile ısı transferinin incelenmesi
GİRİŞ
Isı geçişinin gerçekleşmesini sağlayan farklı mekanizmalar ısı geçişi türleri olarak
adlandırılır. Bir sistemdeki ısı geçişi iletim, taşınım ve ışınım ısı geçişlerinin toplamı olarak
ifade edilebilir. Taşınım ile ısı transferi, herhangi bir yüzey ve bu yüzey üzerinde hareket eden
akışkan arasındaki enerji aktarımını ifade eder. Taşınım ile ısı transferi doğal taşınım ve
zorlanmış taşınım olmak üzere iki şekilde gerçekleşir.
Doğal taşınımda akış, akışkan içindeki sıcaklık değişimlerinin neden olduğu yoğunluk
farklarından kaynaklanan kaldırma kuvvetleri ile ilişkilidir. Doğal taşınımın temel dayanak
noktası, ısınan akışkanın daha yukarı (yüzeye) çıkmaya yatkın hale gelmesi, yani yükselmesi
ve daha soğuk akışkanın aşağı (dibe) hareket etmesidir. (Örneğin ısınan sıcak havanın
radyatör yüzeyinden yukarı doğru yükselmesi).
Zorlanmış taşınımda ise akışkan hareketi basınç farkı sebebiyle oluşur. Zorlanmış
taşınımda akış, bir fan, bir pompa veya atmosferik rüzgarlar gibi bir dış etki ile oluşur.
Zorlanmış ısı taşınımı için iki ayrı akım söz konusudur. Bir yüzey üzerinde (levha, boru v.b)
sınırlandırılmayan serbest bir akışkan hareketi varsa, bu durum için dış akış tanımlaması
yapılır. Akışkan hareketi yüzeyler tarafından sınırlandırılıyorsa ( boru veya kanal içi akım
gibi) bu durumda iç akımdan söz edilir.
Bir akışkan ortamda akarken çeşitli gerilimlere maruz kalır ve bu durumda akış
özellikleri değişebilir. Akışkanlar mekaniğinde bu değişken durumlar laminer akış ve
türbülanslı akış olmak üzere ikiye ayrılır. Laminer sınır tabaka içinde, akışkan hareketi çok
düzenlidir ve parçacıkların akış çizgileri boyunca hareket ettikleri gözlenir. Türbülanslı sınır
tabaka içinde akışkan hareketi çok düzensizdir ve akış içinde ani değişimler gözlenir. Düşey
bir levha çevresindeki taşınımda başlangıçta sınır tabaka gelişimi laminerdir, ancak belirli bir
uzaklıktan sonra akışkan özelliklerine, yüzey ile çevre arasındaki sıcaklık farkına ve yüzey
pürüzlülüğüne bağlı olarak türbülans girdapları oluşmaya başlar, bu geçiş bölgesinin ardından
da akım tamamen türbülanslı hale gelir. Aşağıdaki şekilde bir levha üzerindeki akışın
karakteristiği gösterilmektedir.
Türbülanslı Bölge
Laminer Bölge
Tam Türbülanslı Akış
Laminer Bölge
Geçiş Rejimi
1
Laminer Bölge
Herhangi bir taşınım probleminin incelenmesinde ilk adım sınır tabakanın laminer veya
türbülanslı olduğunun belirlenmesidir. Bir akışın laminer veya türbülanslı olduğuna karar
vermek için Reynolds sayısını kullanırız. Reynolds sayısı:
Re x =
ρU ∞ x
μ
ile ifade edilir. Bu formüle göre akış, Rex≤5x105 iken laminer, Rex ≥5x105 iken türbülanslıdır.
Bu deneyde kullanılan dikdörtgen prizmatik sac kutu içinde elektrikli ısıtıcı
bulunduğundan, problemin çözümünde yüzeylerde sabit ısı akısı kabulü yapılacaktır.
DENEYİN AMACI
İçinde sabit sıcaklıkta silindirik ısıtıcı bulunan dikdörtgen prizmatik sac kutunun yatay
ve dikey yüzeylerinden zorlanmış taşınım altında üç farklı hava hızı için lokal Nusselt
sayılarının ( Nu x ) konuma göre değişiminin incelenmesi.
DENEY DÜZENEĞİ
Deney düzeneği, Cr-Ni paslanmaz çelikten imal edilmiş 1 mm kalınlığında, tam
merkezine 450 W gücünde silindirik çubuk tip ısıtıcı yerleştirilmiş bir sac kutu, rüzgar tüneli,
4 adet sayısal göstergeli kontrol cihazı ve frekans kontrollü fan motorundan oluşmaktadır. Sac
kutunun iki yüzeyine sıcaklık ölçümleri için 65 mm aralıkla altışar adet termo-eleman
bağlanmıştır. Ölçüm hassasiyeti ±2% olan, hava akımı hızı ve sıcaklık ölçer aleti, rüzgâr
tüneli girişinde tam merkezde bulunmaktadır. Prizmatik kutu merkez ekseni boyunca
yerleştirilen çubuk ısıtıcının ölçümler süresince sabit sıcaklıkta kalabilmesi için bir röle, ısıtıcı
sayısal göstergeli kontrol cihazına bağlı bulunmaktadır. Isıtıcı sıcaklığının kontrol
edilememesi durumunda sıcaklığın aşırı derecede artarak ısıtıcının yanmasını engellemek için
devre üstünde ayrıca bir adet emniyet termostatı bulunmaktadır. Bu kontrol cihazı ile ısıtıcı
yüzeyinde 200±5°C aralığında sıcaklık hassasiyeti sağlanmaktadır.
Deney Düzeneği
2
Termo- eleman mesafeleri:
X1= 0.065 m
X2= 0.13 m
X3= 0.195 m
X4= 0.26 m
X5= 0.325 m
X6= 0.39 m
DENEY PROSEDÜRÜ
Frekans kontrollü fan motoru çalıştırıldıktan ve hız 1m/s olarak ayarlandıktan sonra
rejimin kararlı duruma gelmesi için bir süre beklenir. Sistem kararlı rejime ulaştıktan sonra
prizmatik kutunun yatay ve dikey yüzeylerine bağlı bulunan termo-elemanlar sayısal
göstergeli kontrol cihazına takılır ve sıcaklık değerleri ölçülür. Prizmatik kutunun A ve B
yüzeylerindeki her nokta için 10 saniyede bir sıcaklık değerleri kaydedilir. Yüzeylerdeki her
nokta için 10 adet sıcaklık değeri alınır. Aynı işlemler hız=2 m/s ve hız=3 m/s için tekrarlanır.
HESAPLAMALAR
1. Üç ayrı hızda her nokta için bulunan ortalama sıcaklık değerlerine göre Reynolds
sayılarını ( Re x ) hesaplayınız. Reynolds sayısına göre akışın laminer ya da türbülanslı
olduğuna karar veriniz.
2. Akışın türüne göre ilgili denklemleri kullanarak lokal Nusselt sayılarını( Nu x )
hesaplayınız.
3. Lokal Nusselt sayılarının( Nu x ), her bir ölçüm noktasına göre değişiminin grafiğini
her üç hız için aynı grafik üzerine gelecek şekilde çiziniz.
SONUÇLAR VE YORUMLAR
1. Yatay ve dikey levhalardaki ısı transferinin hız ve konuma göre değişimini
yorumlayınız.
2.
Her
yüzeyde
bulunan
6
adet
sıcaklığın
ortalamasını
alınız.
Buna göre bulunan ortalama yüzey sıcaklık değerlerini kullanarak yatay ve dikey levhalardan
dış ortama olan ortalama ısı taşınımını 2 m/s hız için ayrı ayrı hesaplayınız ve çıkan sonuçları
yorumlayınız.
3. Yapılan deneydeki hata kaynakları ve çözüm önerilerini belirtiniz.
3
Ölçümler:
1-V=1 m/s
Devir=……..
Ortam Sıcaklığı (T∞)=…….
A YÜZEYİ SICAKLIK DEĞERLERİ
T1
T2
T3
T4
T5
T6
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
B YÜZEYİ SICAKLIK DEĞERLERİ
T1
T2
T3
T4
T5
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
4
T6
2- V=2 m/s
Devir=……..
Ortam Sıcaklığı (T∞)=…….
A YÜZEYİ SICAKLIK DEĞERLERİ
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T4
T5
T6
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
B YÜZEYİ SICAKLIK DEĞERLERİ
T1
T2
T3
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
5
3. V=3 m/s
Devir=……..
Ortam Sıcaklığı (T∞)=…….
A YÜZEYİ SICAKLIK DEĞERLERİ
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T4
T5
T6
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
B YÜZEYİ SICAKLIK DEĞERLERİ
T1
T2
T3
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
6
BAŞKENT ÜNİVERSİTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
MAK 402 MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI
DENEY- 5
“İçinde sabit sıcaklıkta silindirik ısıtıcı bulunan dikdörtgen prizmatik sac kutu
yüzeylerinden zorlanmış taşınım ile ısı transferinin incelenmesi’’
Ad Soyad
: ………………………………
Öğrenci No : ………………………………
Tarih
: ………………………………
7
Deneye gelmeden önce ısı transferi kitabınızdan zorlanmış ısı transferi konusuna
çalışarak geliniz.
Raporlarınızı rapor yazım kılavuzuna göre yazınız.
Denklemler
Sabit yüzey sıcaklığı lokal Nusselt sayısı(Laminer Akış);
Sabit yüzey sıcaklığı lokal Nusselt sayısı(Türbülanslı Akış);
Sabit yüzey sıcaklığı ortalama Nusselt sayısı(Laminer Akış);
Sabit yüzey sıcaklığı ortalama Nusselt sayısı(Türbülanslı Akış);
Sabit ısı akısı lokal Nusselt sayısı(Laminer Akış);
Sabit ısı akısı lokal Nusselt sayısı(Türbülanslı Akış);
Sabit ısı akısı ortalama Nusselt sayısı;
Nu = 0.680ReL1/2Pr1/3