Konsantrik Boru Tip Isı Değiştiricilerinde Türbülatörlerin Kanat Delik

6th International Advanced Technologies Symposium (IATS’11), 16-18 May 2011, Elazığ, Turkey
Konsantrik Boru Tip Isı DeğiĢtiricilerinde
Türbülatörlerin Kanat Delik Geometrisinin Isı
Transferine ve Basınç DüĢüĢüne Etkisi
Z.Argunhan1, C. Yıldız2, M. Z. IĢık3
¹³Batman Üniversitesi,Batman/Turkey, [email protected], [email protected]
²Fırat Üniversitesi,Elazığ/Turkey,[email protected]
The Effect of Wing Holes Geometry of the
Vortex Generator on Heat Transfer and
Pressure Drop in Concentric Tube Type Heat
Exchangers
Pasif yöntemde yüzey iĢleme, geometrik eklerle akıĢkanın
yönlendirilmesi söz konusudur.
Abstract—The effect of wing hole geometry of the vortex
generator on heat transfer and pressure drop in concentric
tube type heat exchangers has been investigated in this
study.For experiments, two type of hole geometry were
selected. One has four rectengular hole with 2x7 mm in
dimension and the other four circular hole with 5 mm in
diameter and applied for 55-65-75-90 degree blade angles.
Turbulator diameter is 60 mm and includes 6 blades. Air was
used as hot stream, whereas water as cold stream.
Experimental results were scrutinized. Heat transfer and
pressure drop were found high with usage of circular holes
geometry.
Keywords—Concentric heat exchanger, Turbulator, Heat
transfer, pressure drop
1-GĠRĠġ
Kullanım alanı çok geniĢ olan ısı değiĢtirgeçlerinin
verimliliği ve kullanılabilirliği giderek önem kazanmaktadır.
Bu konuda yapılan çalıĢmalarda verimliliğin yanı sıra
boyutlarında minimize edilmesi ön planda tutulmaktadır. Isı
transferi iyileĢtirilerek ısı değiĢtirgeçlerinin boyutlarının
küçültülmesi, değiĢik akıĢ profillerinin uyarlanması ile ısıl
etkinliğin arttırılıp enerji gereksiniminin azaltılması
amaçlanır. Sıcak ve soğuk akıĢkanlar arasındaki iĢletme
sıcaklık farkının azaltılması ve ısı transfer katsayısının
iyileĢtirilmesiyle de ısı değiĢtirgeçlerinin etkinliği arttırılmıĢ
olur.
Isı transferini iyileĢtirme amacıyla aktif ve pasif
yöntemler uygulanabilir. Aktif yöntemde sistem ek enerji
gereksinimi söz konusu iken pasif yöntemde geometrik
değiĢikliklerle ek enerjiye ihtiyacı söz konusu olmadan
iyileĢtirme mümkündür. Isı geçiĢini arttırmak için mekanik
eklentilerle akıĢkanın karıĢtırılıp, titreĢim verilmesi aktif bir
yöntemdir.
Sınır tabaka incelemelerinden türbülans artıĢının sınır
tabaka kalınlığını azaltıp ısı geçiĢini arttırdığı bilinmektedir.
Pasif yöntemle ısı transferinin artırılması yöntemlerinden
biri sınır tabakasının parçalanmasıdır. Sınır tabaka akıĢ türü
ile ilgili olup laminar akıĢta kalın, türbülanslı akıĢta laminar
akıĢa nazaran daha incedir. Böylece sınır tabaka kalınlığı
inceldikçe akıĢkan ile boru arasındaki ısı transferi daha fazla
olur. Bu özellikten faydalanmak amacıyla türbülatör
kullanmak pasif bir yöntem teĢkil eder. Bu çalıĢmada,
hareketli parçalar olmayıp iç içe borulu ısı değiĢtirgeçlerinde
iç boru giriĢinde akıĢkana dönme etkisi düĢük maliyetli
türbülatörle
verilerek,
ısı
transferinin
artırılması
amaçlanmıĢtır.
Bir boru içindeki dönel akıĢ, ısı değiĢtirgeçlerinde
meydana gelen ısı transferinde önem taĢımaktadır. Birçok
araĢtırmacı dönel akıĢın ısı transferine etkisini incelemiĢler
ve dönel akıĢın ısı transferinin artıĢında önemli bir etken
olduğunu göstermiĢlerdir.. Azalan dönel akıĢta ısı transferi
karakteristiklerini belirlemek için deneysel olarak birkaç
araĢtırma yapılmıĢtır. Isı transferi üzerindeki dönel akıĢ
parametrelerine ilaveten, dönme sayısının bir fonksiyonu
olarak ifade edilen ısı geçiĢ katsayısının ampirik
bağıntılarını da veren deneysel çalıĢmalar mevcuttur.
Dönel akıĢı, matematiksel olarak incelemenin zorluğunu
belirten bilim adamları akıĢ hakkında matematiksel veriler
elde etmek ve akıĢı fiziksel olarak anlamak için deneysel
çalıĢmalar yapmıĢlardır. Bu çalıĢmalarda dönel akıĢta hız
bileĢenlerinin duvar ile olan sürtünmesi sonucu akıĢ
doğrultusunda zayıfladığını ve dönel akıĢ yoğunluğunun
azaldığını göstermiĢlerdir. Fakat dönel akıĢ ile ilgili var olan
matematiksel modellerin pratikte kompleks akıĢları tahmin
etmek için yeterli olmadığı ve geliĢtirilmesi gerektiği
savunulmuĢtur[1].
Sparrow ve Chaboki bir boru içindeki hava akıĢında ısı
transferini incelemiĢler. Türbülans oluĢumunun boru
giriĢindeki ısı transferinde önemli olduğu belirlenmiĢtir. Bu
amaçla giriĢ bölgesinde dönme elemanı olarak enjektörler
kullanılmıĢtır [2].
248
Konsantrik Boru Tip Isı Değiştiricilerinde Türbülatörlerin Kanat Delik Geometrisinin …
Küçük ve arkadaĢları boru giriĢine konik yüzey halkalı
türbülatör uygulamasını inceleyerek, ısı transferinde ve
sürtünme faktöründe artıĢ tespit ettiler[3].
DurmuĢ, konsantrik tip çift borulu ısı değiĢtirgecin de ısı
transferini arttırmak için giriĢ kısmına girdap üretici olarak
salyangoz uygulaması yapmıĢtır. Momentum transferi artıĢı
ısı transferi artıĢı sağlamıĢ, Nusselt sayısında %85-200
arasında, basınç düĢümündeki artıĢ ise % 110 oranında
olmuĢtur[4].
DurmuĢ ve arkadaĢları koaksiyel eĢanjörün iç borusuna
uygulanan pervane tipi türbülatörlerin etkilerini araĢtırdı.
Pervane tipi türbülatörler 48-50-52 mm çapında ve bıçak
açıları 10°, 20°,40° olarak kullanılmıĢtır. Bu türbülatörler
farklı aralıklarla iç boruya monte edilerek gözlemlenerek
maksimum girdap akım mesafesi 30 cm olarak belirlendi.
Sonra ısı transferi ve basınç kaybı karĢılaĢtırıldı. Deneyde,
10.000-30.000 Reynolds sayısında ısı transferinin 2-4 kere
ve basınç kaybının 8,5 kez arttığı 10 farlı akıĢ hızında
belirlenmiĢtir[5].
Kavak ve arkadaĢları delikli girdap üreticinin, boru tipi ısı
değiĢtirgecinin iç borusunun giriĢ kısmında kullanımının ısı
transferine etkisini incelemiĢtir. Farklı delik düzenlemeleri
uygulanmıĢ sonuç olarak 8.500-17.500 Reynolds sayısı
aralığında girdap tipi üreticinin kullanılmadığı durumdan %
130 oranında ısı transferinde artıĢ gözlenmiĢtir [6].
KurtbaĢ ve arkadaĢları konsantrik tip çift borulu ısı
değiĢtirgecinde ısı transferini arttırmak için girdap üretici
olarak iç boruda türbülatör kullanmıĢ, Nusselt sayısı, ısı
transferi, ekserji kaybı ve entropi üretimi incelenmiĢtir.
Nusselt sayısı boĢ boruya göre 3.6 ve 5.09 kat kadar artar,
entropi üretimi oranı da 2.8 kat artar, verimlilik 10˚ bıçak
açısında % 30.6 ve % 94.4, 20˚ ve 40˚ bıçak açıları için
sırasıyla daha yüksektir. Verimlilik %18-72 ye arttığında
ekserji kaybı 0.11-0.04 defa azalmıĢtır. Deneysel sonuçlar
intertürbülatör mesafe (Lt) ve (θ) bıçak açısının ısı transferi
ve ekserji kaybı üzerine büyük etkileri olduğu
gözlenmiĢtir[7].
Sahiti ve arkadaĢları iğne kanatlı çift borulu ısı
değiĢtiricinde ısı transferi ve basınç düĢüĢü özellikleri
deneysel olarak incelemiĢtir. Bu analizin amacı eĢanjör akıĢ
uzunluğu ve iğne uzunluğunun entropi üretim hızı üzerinde
etkilerini belirlemektir. Optimizasyon modeli farklı eĢanjör
akıĢ uzunlukları ve farklı iğne uzunluğu için entropi üretimi
azaltma temelinde geliĢtirilmiĢtir. Sonuçlarda entropi
üretimi sayısı Re fonksiyonu olarak elde edilmiĢtir. Kısa
akıĢ uzunluklarına düĢük entropi üretimi, büyük iğne
uzunlukları ile yüksek entropi üretimi gözlenmiĢtir. DüĢük
entropi üretimi termodinamik tercih sebebidir [8].
II. HESAPLAMA METODU
Deneysel verilerden faydalanılarak Nusselt Sayıları ve
Reynolds Sayıları hesaplanmıĢ ve örnek hesaplama metodu
aĢağıda belirtilmiĢtir.
Buna göre ısı değiĢtirgecinde sıcak akıĢkanın verdiği ısı,
soğuk akıĢkana transfer edilmektedir. Aynı yönlü paralel
akıĢta türbülatörsüz ısı değiĢtirgeci için alınan veya verilen
ısı miktarı
Q = (m. Cp)1. ( T1i – T1o ) = (m. Cp )2 (T2i – T2o )
(1)
Ģeklinde belirlenebilir. Ayrıca sıcak akıĢkandan aktarılan ısı
aĢağıdaki gibi olur.
Q = h. A. (T∞ – Ts)
(2)
Bu ifadeden elde edilen ısı taĢınım katsayısı yardımıyla
Nusselt Sayısı
Nu = (h.d / k)
(3)
Ġfadesiyle tespit edilir.
Reynolds sayısı aĢağıdaki bağıntı yardımıyla bulunur.
Re 
U m .d e
ν
(4)
Teorik Nusselt sayısı için ise Dittus- Boelter eĢitliğinden
NuT = 0,023 Re0,8. Pr0,4
(5)
faydalanılmıĢtır.
III. DENEYSEL ÇALIġMA
Deneysel çalıĢma amacıyla ġekil 1 ’ de görüldüğü gibi bir
deney seti tasarlanarak imal edilmiĢtir. Dizayn edilen ısı
değiĢtirgecinin iç boru çapı 60 mm, dıĢ boru çapı 90 mm ve
uzunluğu 1030 mm dir. GeliĢtirilen ısı değiĢtirgecinde dönel
akıĢ oluĢturmak amacıyla iç borunun giriĢine galvanizli
sacdan yapılan 60 mm çapında sökülüp takılabilen 2x7 mm
düzgün sıralı 4 dikdörtgen delikli ve 5mm çapında 4 delikli
55, 65, 75, ve 90 kanat açılı türbülatörler tasarlanmıĢtır.
(ġekil 5).
Gerekli hava debisi bir kompresör yardımıyla sağlanmıĢ
ve ısıtma iĢlemi reostalı bir elektrikli ısıtıcı ile
yapılmaktadır. Sabit basınçta akıĢın sağlanması için
kompresör çıkıĢına basınç regülâtörü yerleĢtirilmiĢtir. Deney
düzeneğinde sıcaklık ölçümleri, ölçüm yapılacak her
noktaya yerleĢtirilen Demir-Constant termokopullarla
yapılmıĢtır.
249
Konsantrik Boru Tip Isı Değiştiricilerinde Türbülatörlerin Kanat Delik Geometrisinin …
A.TÜRBÜLATÖRLERİN İMALİ
Türbülatör malzemesi olarak kolay Ģekil verilebilmesi
açısından 0.35mm kalınlığındaki galvanizli sac seçilmiĢtir.
Öncelikle ġekil 3’de görüldüğü gibi türbülatörün dıĢ gövdesi
imal edilmiĢtir. ġekil 5’de görüldüğü gibi gövde içine kolay
yerleĢtirilip açı verilebilmesi için kanat profili
oluĢturulmuĢtur. Simetrik olacak Ģekilde dörder adet 5 mm
çaplı dairesel delik ve 2x7 mm ölçüsünde dikdörtgen delik
bulunan kanatlar imal edilip, her türbülatöre 55˚, 65˚, 75˚ ve
90˚lik açılar verilerek 6 Ģar adet kullanılarak punto
makinesinde parçalar birbirleriyle kaynak yapılmıĢtır(ġekil
4).
ġekil 1. Deney Setinin ġematik GörünüĢü
Deney düzeneğinde havanın ısı değiĢtirgecine giriĢine,
havanın ısı değiĢtirgecinden çıkıĢına, suyun ısı
değiĢtirgecine giriĢine, suyun ısı değiĢtirgecinden çıkıĢına,
çevre sıcaklığının tespiti için dıĢ ortama, boru cidar
sıcaklığının tespiti için beĢ noktadan yüzeye termokopullar
yerleĢtirilerek sıcaklıklar ölçülmüĢtür. Termokopullarla
alınan sonuçlar kanal seçiciye, oradan da yapılan bağlantıyla
%0,1 hassasiyetli dijital termometreye aktarılarak sıcaklıklar
okunmuĢtur. Isı değiĢtirgecinin çevreye olan ısı kaybını
azaltmak için dıĢ borunun yüzeyi cam yünü ile yalıtılmıĢtır.
Zıt ve paralel akıĢlar için değiĢik Reynolds sayılarında
ġekil 3. Türbülatör Gövdesi
deneyler yapılmıĢtır. Sistemde aynı yönlü paralel ve zıt y
. ġekil 2. Aynı Yönlü Paralel AkıĢı ve Zıt Yönlü Paralel AkıĢı
Sağlamak Ġçin GeliĢtirilen Tesisat Sistemi
önlü paralel akıĢ Ģartlarını gerçekleĢtirmek için ġekil 2’de
görüldüğü gibi akıĢ tesisatı kurulmuĢtur. AkıĢ devresindeki
vanalar vasıtasıyla by-pass devresi oluĢturularak aynı yönlü
paralel akıĢ ve zıt yönlü paralel akıĢ hallerine göre
düzenekte deney yapılması sağlanmıĢtır.
Deney düzeneğine su temini için beĢ yüz litrelik bir depo
kullanılmıĢtır. Suyun sabit sıcaklıkta olması için Ģehir
Ģebekesinden gelen su depoda dinlendirildikten sonra
düzeneğe gönderilmiĢtir. Deney düzeneğinde kullanılan
rotametre suyun debisini ölçebilecek aralıkta seçilmiĢ ve
debi sürekli ölçülerek kontrol altında tutulmuĢtur. Deney
düzeneğinin giriĢinde ve çıkıĢında basınç prizleri yardımıyla
deney düzeneğinde oluĢan basınç kayıpları sürekli olarak
ölçülmüĢtür.
250
ġekil 4. Dairesel ve Dikdörtgen Delikli Türbülatör Kanatları
Konsantrik Boru Tip Isı Değiştiricilerinde Türbülatörlerin Kanat Delik Geometrisinin …
ġekil 5. 55˚ Kanat Açılı Türbülatörlerin GörünüĢü
IV. DENEY VERĠLERĠNĠN DEĞERLENDĠRĠLMESĠ
Isı değiĢtirgecinin deneysel verilerinden yararlanılarak
sıcak akıĢkan tarafındaki Nusselt Sayısı- Reynolds Sayısı
grafikleri, aynı ve zıt yönlü paralel akıĢlar için belirlenerek
değiĢtirgecin türbülatörlü ve türbülatörsüz olma durumuna
göre çizilmiĢtir.
ġEKĠL-6 Aynı yönlü Paralel AkıĢlı Dört 2x7 mm Dikdörtgen
Kanallı Türbülatörlü Isı DeğiĢtirgecinde Nu - Re DeğiĢimi
Deney düzeneğinde kullanılan türbülatörlerin dıĢ çapı 60
mm, kanat sayısı 6 ve deliklerin sayısı 4, dairsel delik çapı
5 mm, dikdörtgen kanal ölçüleri 2x7 mm olacak Ģekilde
sabit tutulup, türbülatörlerin kanat açıları 55˚, 65˚, 75˚ ve
90˚ olarak değiĢtirilmiĢ ve elde edilen değerler grafiklerde
gösterilmiĢtir (ġekil 6-11).
Grafiklerden, kanat açısı küçüldükçe ısı transferinin ve
basınç düĢüĢünün arttığı ve maksimum değerin 55˚lik kanat
açısında elde ediği tespit edilmiĢtir.
6000-13000 Reynolds sayısı aralığında Nusselt sayısının,
zıt yönlü akıĢta aynı yönlü akıĢtan % 9-10 oranında fazla
olduğu tespit edilmiĢtir.
Türbülatör delik geometrisine bakıldığında aynı reynolds
sayısı aralığında (6000-13000) dairesel delikli türbülatörde
ki nusselt sayılarının dikdörtgen delikliden % 5-9 oranında
yüksek olduğu tespit edilmiĢtir.
ġEKĠL-7 2x7mm Dört Dikdörtgen Delikli Isı DeğiĢtirgecinde Re
Sayısına Göre Basınç DüĢüĢü
Türbülatörsüz ısı değiĢtirgecine göre ısı transferi,
dikdörtgen delikli türbülatörde 1,2 ile 1,8 kez dairesel delikli
türbülatörde 1,1 ile 2 kez artıĢ göstermiĢtir.
V. SONUÇ
Yapılan çalıĢmada iç içe borulu ısı değiĢtirgeçlerinde iç
borunun giriĢ bölümüne, kanatlarında aynı sayıda, farklı
geometride delikler bulunan türbülatör kullanılarak akıĢkana
dönme etkisi verilerek ısı transferi ve basınç düĢüĢü
incelenmiĢtir. Deneyler sonucunda aynı Reynolds sayısı
aralığında, dairesel delikli türbülatördeki ısı transfer artıĢının
dikdörtgen delikli türbülatörden % 5-9 oranında daha iyi
olduğu, buna karĢılık basınç düĢüĢündeki artıĢın %15-50
olduğu tespit edilmiĢtir. Reynolds sayısının artıĢıyla basınç
düĢüĢündeki fark artmaktadır. Delik geometrisinin basınç
düĢüĢündeki etkilerinin daha fazla olduğu tespit edilmiĢtir.
ġEKĠL-8 Aynı yönlü Paralel AkıĢlı 5mm Delik Çaplı Dört Dairesel
Delikli Türbülatör Re – Nu değiĢimi
251
Konsantrik Boru Tip Isı Değiştiricilerinde Türbülatörlerin Kanat Delik Geometrisinin …
SEMBOLLER
ġEKĠL-9 5mm Dairesel Delikli Türbülatörlü Isı
DeğiĢtirgeçlerinde Re Sayısına Göre Basınç DüĢüĢü
A:
Cp:
d e:
h:
k:
ṁ:
Nu:
Pr:
Q:
Pr:
Re:
Um:
T ∞:
Ts:
Ti:
To:
:
Alan(m2)
Özgül ısı (kJ/kg K)
Etkin Çap(m)
Isı taĢınım katsayısı(w/m2 K)
AkıĢkanın ısı iletim katsayısı(w/mK)
AkıĢkanın kütlesel debisi(kg/h)
Nusselt Sayısı
Prandl Sayısı
Isı değiĢim miktarı(w)
Prandl Sayısı
Reyold Sayısı
Ortalama hız(m/s)
Ortam Sıcaklık
Yüzey Sıcaklığı
GiriĢ Sıcaklığı
ÇıkıĢ Sıcaklığı
Kinematik viskozite(m2/s)
KAYNAKLAR
ġEKĠL-10 Zıt yönlü Paralel AkıĢlı Dört Dairesel Delikli 5mm
delik çaplı Türbülatörlü Isı DeğiĢtirgeçlerinde Nu- Re DeğiĢimi
[1] Klein, S. J.Cantwell, B. J. And Lilleey, G. M.,
1981, Afosr -HTTM-Stanford Conference on Complex
Turbulent Flows.
[2] Sparrow – Chaboki Turbulent Fluid Flow and
Heat
Transfer in a Circular Tube", ASME Journal of Heat
Transfer. 106 (1984)
[3] Küçük, H., Bali, T. ve Ayhan, T., Boru GiriĢine YerleĢtirilen
Konik Yüzey Halkalı
Türbülatörlerin Isı Transferi ve
Sürtünme Faktörüne Etkilerin Deneysel Ġncelenmesi,
ULIBTK. Sakarya. 741-745. 2000
[4] A.DurmuĢ, “Heat Transfer And Exergy Loss In A Concentric
Heat Exchanger With Snail Entrance” Int. Comm. Heat Mass
Transfer, Vol. 29, No. 3, Pp.303-312,2002
[5] A.DurmuĢ, I. KurtbaĢ, F. Gulcimen and E. Turgut Int.
Comm. Heat Mass Transfer, Vol. 31, No.1, pp. 133- 142,
2004
[6] E.Kavak, Y.Biçer,C.Yıldız,D.Pehlivan “Heat
Transfer
Enhancements In A Concentric Double Pipe Exchanger
Equipped With Swirl Elements” Int. Comm. Heat Mass
Transfer, Vol. 31, No. 6, 2004
[7] Irfan KurtbaĢ, Aydın DurmuĢ, Haydar Eren Emre Turgut“
Effect of propeller type swirl generators on the entropy
generation and efficiency of heat exchangers” 2006
[8] N.Sahiti, F. Krasniqi, Xh. Fejzullahu, J. Bunjaku, A. Muriqi
“Entropy generation minimization of a double-pipe pin fin
heat exchanger” 2008
ġEKĠL-11 Zıt yönlü Paralel AkıĢlı Dört 2x7 mm delikli
Türbülatörlü Isı DeğiĢtirgeçlerinde Nu- Re DeğiĢimi
252