YASSI VE ÇOKLU KANALLI ALÜMİNYUM TÜPLERDEN OLUŞAN ARAÇ KLİMASI BUHARLAŞTIRICISININ HİDROLİK VE ISIL PERFORMANSININ BELİRLENMESİ Murat VONAL * , Tahsin ENGİN * , Zeki TOSUN ** ve Ahmet PERUT ** * Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü 54187 Serdivan, SAKARYA, [email protected] ; [email protected] ** Kale Oto Radyatör A.Ş. 34416 Gebze,KOCAELİ, [email protected] ; [email protected] Özet: Bu çalışmada, yassı alüminyum tüplü ve menfez kanatlı buharlaştırıcılar için termo-hidrodinamik tasarım hesaplamaları yapılmıştır. Tüp, çoklu kanallara sahiptir. Tüp boyunca küçük aralıklar alınarak hesaplamalar yapılmış ve her küçük aralık için elde edilen sonuçlar toplanarak toplam basınç düşümü ve ısı geçişi hesaplanmıştır. Toplam ısı geçiş miktarının hesaplanmasında etkinlik - NTU yöntemi kullanılmıştır. Kanallar içerisinden geçen çevrim akışkanı üç farklı rejim bölgesine ayrılmış ve bu bölgeler için farklı basınç düşümü ve ısı taşınım katsayısı bağıntıları kullanılmıştır. Boru boyunca her küçük aralık için işlemleri tekrar etmek uzun ve zaman alıcı olacağından bir algoritma üzerinden kod haline getirilmiştir. Anahtar Kelimeler: Buharlaştırıcı tasarımı, Isı transferi, Basınç düşümü, Çift faz akışı, Nem alma, Menfez kanat ANALYSIS OF THERMAL AND HYDRAULIC PERFORMANCE OF FLAT AND MULTI-CHANNEL ALUMINUM TUBES EVAPORATORS USED FOR AUTOMOBILE AIR CONDITIONERS Abstract: In this study, thermal and hydraulic design calculations are done for flat aluminum tubes and louver finned evaporators. Tubes have multi-channel. Calculations are done by using small increments along tube flow direction. Total pressure drop and heat transfer rate are calculated by summing results of each increment. The effectiveness – NTU method is used for calculating total heat transfer rate. Refrigerant in multi-channel was divided into three regions and for these regions, different pressure drop and heat transfer coefficient correlations are used. Repeating such calculations for all small increments along tubes is time consuming, and so a code is written to perform tedious calculations. Keywords: Evaporator design; Heat Transfer, Pressure Drop, Two Phase Flow, Dehumidification, Louver Fin SEMBOLLER A Ac,o Ai Ao br21 bp br bw,m Bo Cc cp Co CR Dh (dP/dz) (dP/dz)fr f Fh Frle g G ho,s Toplam ısı geçiş alanı [m2] Hava tarafı minimum serbest akış alanı [m2] Tüp iç kısım ısı geçiş alanı [m2] Hava tarafı toplam yüzey alanı [m2] Çevrim akışkanı giriş ve çıkış sıcaklıklarının ortalama değerindeki sıcaklıkta, havanın doyma eğrisinin eğimi [J/kgK] Tüp duvarının iç ve dış yüzey sıcaklıklarının ortalama değerindeki sıcaklıkta, havanın doyma eğrisinin eğimi [J/kgK] Tüp ortalama ve çevrim akışkanı sıcaklıklarının ortalama değerindeki sıcaklıkta, havanın doyma eğrisinin eğimi [J/kgK] Dış yüzey su film ortalama sıcaklığında, havanın doyma eğrisinin eğimi [J/kgK] Kaynama sayısı [=q''/(G ilv)] Daralma kayıp katsayısı Özgül ısı [J/kgK] Taşınım sayısı [=((1-x)/x)0.8 (ρv/ ρl)0.5] Hava ve çevrim akışkanı ısıl kapasite oranı [=Cmin/Cmaks] Hidrolik çap [m] Kanal içi çift faz toplam basınç düşümü gradyeni [Pa/m] Sürtünmeden kaynaklanan çift faz basınç düşümü gradyeni [Pa/m] Sabit sıcaklık için sürtünme faktörü Kanat boyu [m] Froyd sayısı [=G2/( ρl2 g Dh)] Yerçekimi ivmesi [m/s2] Çevrim akışkanı kütlesel akısı [kg/m2s] Yüzeyde yoğuşmanın olduğu durumda, duyulur ısı geçişi hesabı için kullanılan ısı taşınım katsayısı ULIBTK’13 19. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi 9-12 Eylül 2013, SAMSUN ho,w hr hrl hr,100 i ir k Kc Ke m NTU P Pr Q Re rp t T U Vc W x α ∆P ε ηf η ρ σ Ω [W/m2 K] Yüzeyde yoğuşmanın olduğu durumda, duyulur ve gizli ısı ile geçen toplam ısı geçişi hesabı için kullanılan ısı taşınım katsayısı [W/m2 K] Çevrim akışkanı tarafı ısı taşınım katsayısı [W/m2 K] Tüm çevrim akışkanının sıvı olması durumunda ısı taşınım katsayısı [W/m2 K] Kuruluk derecesinin 1 olması durumu için ısı taşınım katsayısı [W/m2 K] Hava entalpisi [ J/kg] Çevrim akışkanı sıcaklığındaki havanın doyma entalpisi [J/kg] Isı iletim katsayısı [W/mK] Daralma kayıp katsayısı Genişleme kayıp katsayısı Kütlesel debi [kg/s] Isı transfer birim sayısı Basınç [Pa] Prandtl sayısı [=cp µ/k] Isı geçiş miktarı [W] Reynolds sayısı [=VρD/ µ] Birinci geçişteki boru sayısının ikinci geçişteki boru sayısına oranı Kalınlık [m] Sıcaklık [°C] Toplam ısı geçiş katsayısı [kg/s m2] Maksimum hava hızı [Vfr Afr / Ac,o] Mutlak nem [kg su buharı/kg kuru hava] Kuruluk derecesi Çift faz akışı boşluk oranı Basınç düşümü [ Pa] Isıl etkenlik katsayısı Kanat verimi Toplam yüzey verimi Yoğunluk [kg/m3] Akışkanın bir kesitten çıkıp farklı değerdeki ikinci bir kesite girmesi durumunda ikinci kesit alanının ilk kesit alanına oranı[=A2/A1] Tüp ekseni ile yatay arasındaki açı [°] Alt indisler 1 2 a c d f l o out m maks min p r s top v Hesaplamaların yapıldığı aralığa giriş Hesaplamaların yapıldığı aralıktan çıkış Hava Kesit Sıvısız faz bölgesinin başladığı nokta Kanat Sıvı Hava tarafı Akışkanın sistemden çıkış noktası Ortalama Maksimum Minimum Tüp Çevrim akışkanı Doyma Toplam Buhar 1.GİRİŞ Otomotiv endüstrisindeki HVAC uygulamalarında yakın geçmişe kadar yuvarlak kesitli bakır borular kullanılmıştır. Fakat günümüzde daha küçük ebatlı ve daha hafif sistem ile daha yüksek ısı geçişi istendiğinden, yassı alüminyum tüplü ve menfez kanatlı yapıların kullanımı ağırlık kazanmıştır. Buharlaştırıcı tasarımı üzerine yapılan literatür çalışmaları az sayıdadır. Chwalowski (Chwalowski vd., 1989) ve Domanski (Domanski, 1991) her tüpü ayrı ayrı inceleyerek çalışmalar yapmıştır. Bu çalışmada ise tüp boyunca küçük aralıklarla ilerleme metodu uygulanmıştır (Wu ve Webb, 2002). Tek tüp için, tüp boyunca küçük bir ilerleme yapılarak bu ULIBTK’13 19. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi 9-12 Eylül 2013, SAMSUN ilerleme aralığında hesaplamalar yapılmıştır. Aynı geçişteki bütün tüplerde aynı miktarda ısı geçişi ve boruların paralelliğinden dolayı aynı miktarda basınç düşümü olduğu kabul edilmiştir. Sert lehimleme teknolojisi ile üretilen alüminyum buharlaştırıcının ısıl ve hidrolik performansını hesaplayan bir bilgisayar kodu yazılmıştır. Hesaplamalarda, kanat yüzeyinde yoğuşma olması durumu dikkate alınmıştır. Tüp içindeki çevrim akışkanı için yapılan hesaplamalarda, akışkanın üç farklı fazda olduğu kabul edilmiştir. Bu fazlar; sırası ile sıvı ve buharın birlikte bulunduğu çift faz (kuruluk derecesi 00.8 arası), buharın içinde sıvı damlacıklarının bulunduğu sıvısız faz (kuruluk derecesi 0.8 – 1 arası) ve kızgın buhar fazıdır. Her bir faz için farklı basınç düşümü ve ısı taşınım katsayısı bağıntıları kullanılmıştır. Yüzeyde yoğuşma olduğu için, toplam ısı geçiş katsayısı hesabında Threlkeld tarafından önerilen entalpi kaynaklı potansiyel metodu kullanılmıştır (Kuehn vd., 1998). Tüp giriş ve çıkışındaki basınç düşümü (∆ ) için, eşitlik (3-4)’de ifade edilen Collier bağıntıları (Collier, 1994) kullanılmıştır. ∆ ∆ " * !"& 1 ! " + - 1 , 1 & ' , 0 1 / / . + , 2+ # 1 #1 " # " 1 #" , #" " ( 3 1 # 1 # - " 1 1 1 # "" 2 4 D şekilli dağıtıcı olduğu kabulü ile dağıtıcıda basınç düşümü olmadığı kabul edilmiştir. 2.3. Sıvısız Faz Bölgesi Ve Kızgın Buhar Fazı Bölgesi Yapılan analiz sonuçları, Wu ve Webb tarafından yapılan analiz sonuçları ile karşılaştırılmıştır. 2. HESAPLAMA YÖNTEMLERİ Kızgın buhar fazı bölgesinde ısı taşınım katsayısı ( ) ve sürtünme faktörü ( ) için Petukhov bağıntısı kullanılmıştır. 2.1 Çevrim Akışkanı Tarafı Isı Taşınım Katsayısı Ve Basınç Düşümü Hesabı Kanal içinde akan çevrim akışkanı için, ısı taşınım katsayısının ve basınç düşümünün büyük ölçüde farklılık gösterdiği üç farklı faz incelenmiştir. Wu ve Webb , 1.8 mm hidrolik çapa sahip dikdörtgen kesitli kanallardan oluşan tüp için deneysel veri elde etmiştir (Wu ve Webb, 2002). Kullanılan bağıntılarda bu çapa uygun olarak geliştirilen bağıntılar dikkate alınmıştır. 1,07 1,58 = , , 1 ! # " " ! 1 1 " # Ω " 2 45 ,*@@ 2 */" 3,28 "/1 >" 1 8 9: 5 6 1 # 1 #A ,A ,*@@ 7 Sıvısız ve kızgın buhar faz bölgelerinde sürtünmeden kaynaklanan basınç düşümü ( / ) için eşitlik (8) kullanılır. 1 !" 9: 2 (1) Kanal içindeki çift faz basınç düşümü gradyeni ( / ) için eşitlik (2) kullanılmıştır (Carey, 1992). Eşitlik (2)’de / , çift faz basınç düşümü olup düzenlenmiş Friedel bağıntısı (Zhang ve Webb, 2001) ile, , boşluk oranı olup Zivi eşitliği (Zivi, 1964) ile hesaplanır. 12,7 45 Sıvısız faz bölgesi ısı taşınım katsayısı ( ) için, bu bölgenin başlama ve bitiş noktalarındaki ısı taşınım katsayıları belirlenir ve ara değer için kuruluk derecesine bağlı olarak lineer interpolasyon yapılır. 2.2 Çift Faz Bölgesi Bu bölgedeki akışın ısı taşınım katsayısını ( ) hesap etmek için çeşitli bağıntılar önerilmiştir. Bu çalışmada, diğer bağıntılara göre daha bilindik olan ve daha çok veri ile test edilmiş Shah bağıntısı (Shah, 1982). kullanılmıştır. Bağıntı, eşitlik (1)’de ifade edilmiştir. 2 8 Sıvısız ve kızgın buhar faz bölgelerinde boruya giriş daralma ve borudan çıkış genişleme basınç düşümü için eşitlik (9) ve eşitlik (10) kullanılır. !" 9 ∆ " 1 &" B 2 ∆ * !" 1 2 &" B, 10 Eşitlik (9) ve (10)’da B ve B, genişleme ve daralma kayıp katsayıları olup Kays ve London (Kays ve London, 1984) tarafından önerilen grafiklerle belirlenir. ULIBTK’13 19. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi 9-12 Eylül 2013, SAMSUN 2.4 Hava Tarafı Isı Taşınım Katsayısı Ve Basınç Düşümünün Hesaplanması Kanat yüzeyleri yoğuşmadan dolayı ıslaktır. Mclaughlin ve Webb(Mclaughlin ve Webb, 2000), menfez tipli kanatlar üzerinde yaptığı çalışmada, ıslak yüzeylerde duyulur ısı geçişi hesabı için kullanılan ısı taşınım katsayısı ile kuru yüzeylerin ısı taşınım katsayısının birbirine yakın olduğunu göstermiştir. Bu sebeple, ıslak kanat yüzeylerinde duyulur ısı geçişi D,E hesabı yaparken, kuru yüzeyler için ısı taşınım katsayısını hesap eden Webb bağıntısı (Webb vd., 1995) kullanılmıştır. Hava tarafı basınç düşümü ( ∆ kullanılır. ∆ FD F,,D D 2+ G,* G,H G,* G," I 2 1 * " G,H J, K 1- I &" 1 2 * D " G,H J, K Pa S b G,* G," Eşitlik (11)’de kullanılan sürtünme faktörü hesabı için Webb’in yarı analitik bağıntısı (Webb vd., 1995) kullanılır. (15) : /2 2. D,R 8 P (15a) ," "* h i b ^O, M "* b ^O, ba8 bG , M "* b HGfE gUL 11 : /2 HNe d M B c b b Isı geçiş miktarı, etkenlik –NTU metodu ile hesaplanır. ) için eşitlik (11) B, &" Kanat verimi η` , eşitlik (15) ile hesaplanır. h bG , (16) ,* (16a) U ," U ,* LF HNe gUL, 17 d HNe I Gj j 18 19 K Sıvısız ve çift faz bölgeleri için d değeri, M "* ’in sonsuz olmasından dolayı sıfırdır. Kızgın buhar faz bölgesi için ise tek geçişli, çapraz akışlı ve iki akışkanın karışmadığı durum için hesaplamalar yapılmıştır. 2.5 Toplam Isı Geçiş Miktarının Hesaplanması Kanat yüzeylerinin ıslak olduğu kabulü ile toplam ısı geçiş katsayısının ( L ) hesaplanabilmesi için entalpi kaynaklı potansiyel metodu kullanılır. 1 LF M FN M E,O,H MO PQ 8O FO,H E. .H UO,H U ,H MO E U MR,H S D,R FD 12 12a 12b WXWY,Z 12c E U WXW\,Z Eşitlik (12)’de kullanılan D,R , ıslak yüzey olması durumundaki ısı taşınım katsayısı olup eşitlik (13) ile hesaplanır. MR,H + MR,H D,E (13) ^O,G Eşitlik (12)’de kullanılan toplam yüzey verimi ( S ), eşitlik (14) ile hesaplanır. D,R S 1 F I1 FD S K (14) 2.6 Hava Çıkış Hesaplanması Neminin Ve Entalpisinin Havanın kanatlardan çıkış mutlak nemi eşitlik (20) ile hesaplanır. k" l'm MR,H n bG S D,R FD / lm 0,5( k* MR,H n bG S D,R FD kE UO,H o 0,5o 20 Havanın kanatlardan çıkış sıcaklığı, mutlak nem değeri yardımıyla eşitlik (21) ile hesaplanır (ASHRAE,1997) . UG," 2501k" 1,006 1,805k" G," 21 3. KOD YARDIMIYLA GERÇEKLEŞTİRİLEN ANALİZLER Kod yardımıyla hesaplama yapılırken buharlaştırıcı geometrisinin detaylı olarak bilinmesi gerekmektedir. Göz önüne alınan buharlaştırıcının geometrik uzunluk değerleri için Wu ve Webb kaynağında verilen geometrik özellikler kullanılmıştır. ULIBTK’13 19. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi 9-12 Eylül 2013, SAMSUN kritik O değeri, O 1’dir. Bu değer için basınç düşümü q 36.15 8 a ve toplam ısı geçişi iQDO 36.2 8k’dır. ,DpQ 315 8 a çıkış basıncı için kritik 0,75’dir. Bu değer için basınç düşümü O değeri, O q 33.48 8 a ve toplam ısı geçişi iQDO 31.05 8k’dır. Kritik O değerinin altındaki ve üstündeki değerlerde basınç düşümü artmış ve basınç düşümünün artmasıyla ısı geçişinde azalma meydana gelmiştir. O değerine bağlı olarak basınç düşümü ve ısı geçişindeki değişim şekil (5-6)’da verilmiştir. 3.2 Çevrim Akışkanının Farklı Basınç Aralıklarında Çalışması Durumunda Isı Taşınım Katsayısı Değişimi Şekil 1. Buharlaştırıcı cephe görünüşü Şekil 2. Çoklu kanallı tüp kesit görünüşü Ele alınan buharlaştırıcı için; sabit kütlesel akı ! 122 8 /b" değerinde, ,DpQ 270 8 ve ,DpQ 385 8 a çıkış basıncında analizler yapılmış, ısı taşınım katsayısının ( ) kuruluk derecesine (# ) bağlı olarak değişimi gözlemlenmiştir. Çıkış basıncının( ,DpQ ) artmasıyla ısı taşınım katsayısının düştüğü gözlemlenmiştir. Yüksek çıkış basıncı daha düşük ısı taşınım katsayısına sebep olmuştur. Farklı basınç aralıklarında çalışan buharlaştırıcı sisteminde, ısı taşınım katsayısının kuruluk derecesine bağlı olarak değişimi şekil (7)’de verilmiştir. 4. SONUÇLAR Şekil 3. Hava çıkış tarafından menfezli kanat görüntüsü Şekil 4. Menfez kanat kesit görüntüsü 3.1 İki geçiş Olması ve Toplam Tüp Sayısının Sabit Kalması Durumu İçin Geçişlerdeki Tüp Dağılımlarının Basınç Düşümü Ve Isı Geçişi İlk geçişteki tüp sayısının ikinci geçişteki tüp sayısına oranının ( O ) ısı geçişi ve basınç düşümü açısından kritik bir değeri vardır. Buharlaştırıcı girişindeki kütlesel debi sabit kabul edilirse, kritik O değerinin altındaki ve üstündeki durumlarda, tüp sayısının az olduğu geçişte akışkan hızının artması söz konusu olur ve basınç düşümü artar. Sabit çıkış basıncı için basınç düşümünün artmasıyla giriş basıncı yükselecektir. Giriş basıncının yükselmesi daha yüksek doyma sıcaklığına sebep olacağından hava ile çevrim akışkanı arasındaki sıcaklık farkı azalır ve ısı geçişi azalır. Kod yardımıyla yapılan analizler de bu doğrultuda sonuçlar vermiştir. ,DpQ 270 8 a çıkış basıncı için Kanat yüzeyinde yoğuşma olduğu durum göz önüne alınarak, yassı alüminyum tüplü ve menfez kanatlı buharlaştırıcıların performansını tahmin eden kod geliştirilmiştir. Hesaplamalarda akışkan üç farklı faza ayrılmış ve bu üç faz için farklı hesaplama prosedürü izlenmiştir. Kod yardımıyla elde edilen sonuçların Wu ve Webb tarafından elde edilen deneysel sonuçlarla aynı eğilimi gösterdiği görülmüştür. Kod yardımıyla elde edilen sonuçlarla deneysel veriler arasındaki farklılık % 0 25 bandında değişmektedir. Bu fark, farklı çalışma koşullarından kaynaklanmıştır. Çevrim akışkanı ısı taşınım katsayısının kuruluk derecesi artışına bağlı olarak sıvısız bölgeye gelene kadar arttığı, yüzeyde sıvının bitmesiyle birlikte ani düşüşe geçtiği gözlemlenmiştir. Toplam ısı geçiş miktarının ve basınç düşümünün, ilk ve ikinci geçişteki tüp sayısına bağlı olarak değiştiği tespit edilmiştir. İki geçişteki tüp sayısı oranının optimum değerinin olduğu ve bu optimum değerin değişik basınçlarda farklı değerler aldığı görülmüştür. Optimum değerde minimum basınç düşümü ve maksimum ısı geçişi elde edilmiştir. 5. GELECEK ÇALIŞMA Bu aşamada literatürdeki veriler yardımıyla kod yazımı gerçekleştirilmiştir. Gelecek çalışmada, Kale Oto Radyatör Sanayi ve Ticaret A. Ş. ile üniversite sanayi işbirliği çerçevesinde gerçekleştirilen yeni nesil buharlaştırıcı tasarımı projesi kapsamında, bu kodun kullanılması amaçlanmaktadır. ULIBTK’13 19. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi 9-12 Eylül 2013, SAMSUN Domanski, P.A., Simulation of an evaporator with nonuniform one-dimensional air distribution, ASHRAE Trans.97 (Part 1) (1991) 793-802. Kays, W.M., London, A.L., Compact heat exchangers, third ed., McGraw-Hill Inc., New York, 1984. Kuehn, T.H., Ramsey, J.W., Threlkeld, J.L., Thermal Environmental Engineering, third ed., Prentice-Hall Inc., New Jersey, 1998. Şekil 5. Geçişlerdeki boru oranına bağlı olarak basınç düşümü (kPa) McLaughlin, W.J., Webb, R.L., Condensate drainage, retention in louver fin automotive evaporators, paper 00HX-34, SAE 2000 World Congress, Detroit, MI, March 6-9, 2000. Shah, M.M., Chart correlation for saturated boiling heat transfer: equations and further study, ASHRAE Trans.86 (Part 1) (1982) 185-196. Webb, R. L., Hang, Y.J., Wang, C. C., Heat transfer and friction correlation for louver fin geometry, in: 1995 Vehicle Thermal Management System Conference Proceeding, 1995, pp. 533-541. Şekil 6. Geçişlerdeki boru oranına bağlı olarak ısı geçiş miktarı (kW) Wu, X. M., Webb, R.L., Thermal and hydraulic analysis of a brazed aluminum evaporator, Applied Thermal Engineering 22 (2002) 1369-1390. Zhang, M., Webb, R. L., A correlation of two-phase friction for refrigerants in small-diameter tubes, Exp. Thermal Fluid Sci. 25 (2001) 131-139. Zivi, S.M., Estimation of steady-state steam voidfraction by means of the principle of minimum entropy production, J. Heat Transf. 86 (1964) 247-252. Şekil 7. Kuruluk derecesine bağlı olarak ısı taşınım katsayısı (W/m2K) değişimi 6. KAYNAKLAR Carey, V. P., Liquid – Vapor Phase – Change Phenomena, Taylor & Francis, London, 1992. Chwalowski, M., Didion, D. A., Domanski, P.A., Verification of evaporator computer models and analysis of performance of an evaporator coil, ASHRAE Trans. 95 (Part 1) (1989) 1229-1236. Collier, J. G., Convective Boiling and Condensation, third ed., McGraw-Hill Inc., New York, 1994.