Isı değiştirgeçleri, iki akışın karışmadan ısı alışverişinde

ISI DEĞĠġTĠRGEÇLERĠ DENEYĠ
1. Teorik Esaslar:
Isı değiştirgeçleri, iki akışın karışmadan ısı alışverişinde bulundukları mekanik
düzeneklerdir. Isı değiştirgeçleri endüstride yaygın olarak kullanılırlar ve değişik tasarımlarda
olabilirler. En basit ısı değiştirgeci modeli çapları farklı iç içe geçmiş borulardan oluşur.
Akışlardan biri içteki boruda akarken, diğeri iki boru arasındaki boşlukta akar. Sıcak
akışkandan soğuk akışkana ısı geçişi, akışkanları birbirinden ayıran silindirik boru cidarından
olur. Daha gelişmiş tasarımlarda, iç borunun yerini gövde içinde dönüşler yapan bir boru
demeti alır. Bu şekilde ısı geçiş yüzeyi ve buna bağlı olarak da ısı geçişi arttırılmış olur.[1]
İki akışkan arasındaki sürekli ısı alışverişi sebebiyle sıcaklıklar yüzey boyunca değişirler.
Bu sıcaklık değişimleri akışkanların akış yönlerine bağlı olup ısı değiştirgeçlerini yönlerine
göre dört sınıfta ayırmak mümkündür; [2]
a) Aynı yönlü paralel akım
b) Zıt yönlü paralel akım
c) Çapraz akım
d) karışık akım
2. Isı DeğiĢtirgeçleri ile Ġlgili Termodinamik Bağıntılar:
İçinde tek fazlı akışkan aktığı eş eksenli bir ısı değiştirgecindeki sıcaklık dağılımı aynı
yönlü ve zıt yönlü akımlar için Şekil 1’de gösterilmiştir.
Şekil 1. Aynı yönlü ve zıt yönlü paralel akımlı ısı değiştirgeçlerindeki sıcaklık dağılımının
uzunlukla değişimi.
İki akış (aynı zamanda metal cidarla iki akış) arasındaki sıcaklık farkı ısı değiştirgeci
boyunda değişmektedir. Eğer yerel sıcaklık farklarının ortalama değeri bulunursa ısı transferi
hesapları kolaylaşır. Akışkan arasındaki ortalama sıcaklık farkını veren ifade;
şeklinde tanımlanır.
Benzer ifadeler akış ile cidar arasındaki ortalama sıcaklık farkı içinde kullanılabilirler. Isı
transferi miktarı;
olarak verilir.
Ölçülen sıcaklıklar ve kütlesel debiler için sıcak akışkandan ısı transferi miktarı;
soğuk akışkana ısı transferi miktarı;
olarak yazılır. Toplam ısı transferi katsayısı;
boru iç yüzeyi ile sıcak akışkan arasındaki yüzey ısı transferi katsayısı;
boru dış yüzeyi ile soğuk akışkan arasındaki yüzey ısı transferi katsayısı;
olarak yazılabilir.
Isı değiştirgeçlerinde ısı transferine etki eden faktörlerin fazlalığından, ısı değiştirgeçleri
problemlerinin teorik çözümü hemen hemen imkansızdır. Bununla beraber, deneysel
araştırmalarla birleştirilen benzerlik analizleriyle hesapları kolaylaştırıcı boyutsuz sayılar
bulunmuştur. Bu deneyde kullanılacak boyutsuz sayılar;
Nusselt Sayısı
Reynolds Sayısı
Prandtl Sayısı
şeklinde verilmiştir.
Tam gelişmiş türbulanslı akım için;
bağıntısı kullanılabilir. Bu bağıntılar kullanılırken akışkan özellikleri, akışkanın giriş ve çışı
sıcaklıkları ortalama karışım sıcaklığında değerlendirileceklerdir. [3]
3. Deney Tesisatı:
Deney standı tüm ekipmanları ile birlikte şematik olarak şekil 2’de gösterilmiştir.
Şekil 2. Su-Su Paralel Akımlı Çift Borulu Isı Değiştirgeci deney standı
Eş merkezli çift borulu ısı değiştirgecinde, sıcak su göbek boru içinden, ısı alan soğuk su
ise göbek boruyu çevreleyen dış boru içinden akmaktadır. Sıcak ve soğuk suyun ısı
değiştirgecine giriş ve çıkış sıcaklıkları, aynı anda ve birbirinden bağımsız termoelemanlar
yardımıyla ölçülmektedir. Dış çapı 9,5mm ve iç çapı 7,9mm olan göbek borusu içinden
geçirilen sıcak su, paslanmaz çelik ve bronz alaşımından yapılmış laboratuvar tipi küçük bir
santrifüj pompa aracılığıyla sirküle ettirilmektedir. Dış çapı 12,7mm ve iç çapı 11,1mm olan
dış borudan geçen soğuk su şebekeden alınmaktadır. Bakır malzemeden imal edilmiş olan ısı
değiştirgecinin uzunluğu 870mm’dir. Sıcak akışkan olarak kullanılan suyun ısıtılması, 220V
50Hz şebeke gerilimi ile beslenen 3,1kW gücündeki elektriksel ısıtıcıyla
gerçekleştirilmektedir. Emniyet açısından sıcak su için maksimum işletme sıcaklığı (sıcak
akışkan giriş sıcaklığı) 80oC olarak sınırlandırılmıştır. Sıcak su için değişik işletme sıcaklığı
değerleri, deney standına özel olarak monte edilmiş bir şalter yardımı ile ayarlanır.
Sıcak ve soğuk akışkanların ısı değiştirgecindeki debilerini ölçmek için iki adet ratometre
kullanılmaktadır. Akışkan debilerinin istenen değerlere getirilmesi, akış kumanda valflerinin
konumları değiştirilerek sağlanmaktadır.
4. Deneyin Yapılması ve Ġstenenler:
a) Sıcak akışkanın giriş sıcaklığının ayarlanması
b) Sıcak ve soğuk akışkanların debilerinin ayarlanması
c) Sirkülasyon pompası çalışırken sıcak akışkan debisinin değiştirilerek ölçüm noktalarındaki
sıcaklık değerlerinin okunması
d) Sıcak ve soğuk akışkanların ısı transferi miktarlarının belirlenmesi
e) İç ve dış borulardaki su hızlarının belirlenmesi
f) Ortalama sıcaklık farkının, sıcak su ve boru iç yüzeyi, soğuk su ve boru dış yüzeyi, sıcak
akışkan ve soğuk akışkan için belirlenmesi
g) Boru iç yüzeyindeki ısı transfer katsayısının belirlenmesi
h) Boru dış yüzeyindeki ısı transfer katsayısının belirlenmesi
i) Toplam ısı transfer katsayısının belirlenmesi
j) Nu, Re ve Pr sayılarının belirlenmesi
k) Sıcak ve soğuk akışkanların ısı transferi miktarlarının sıcak su debisine bağlı değişiminin
grafik olarak gösterimi
l) Prandtl sayısı sabit iken Nusselt sayısının Reynolds sayısına bağlı değişim grafiğinin
gösterilmesi
m) Reynolds sayısının sıcak akışkanın debisine bağlı değişim grafiğinin gösterilmesi
yapılacaktır.
5. Yararlanılan Kaynaklar:
1. Çengel, Y.A., Boles, M.A., Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik, McGraw-Literatür
Yayıncılık, Eylül 1996, İSTANBUL.
2. Karakoç, S., Örneklerle Isı Transferi, Tıp & Teknik Yayıncılık, Ekim 1998, ANKARA.
3. P.H. HILTON Ltd., Experimental Operating and Maintenance Manual Water-Water
Turbulent Flow Heat Transfer Unit, 1993, HAMPSHIRE, ENGLAND.
EK 1.
ÖLÇME PROTOKOLÜ
Akış Yönü:
Aynı Yönlü
Zıt Yönlü
Ölçme Sıra No
Sıcak su girişi t1 (oC)
Sıcak su çıkışı t2 (oC)
Cidar sıcaklığı t3 (oC)
Cidar sıcaklığı t4 (oC)
Soğuk su t5 (oC)
Soğuk su t6 (oC)
Sıcak su debisi msı (g/s)
Soğuk su debisi mso (g/s)
Logaritmik ortalama sıcaklık farkı ΔTm (oC)
Sıcak su ortalama sıcaklığı (t1+ t2)/2 (oC)
Ortalama sıcaklıktaki özgül ısı c (J/kgoC)
Ortalama sıcaklıktaki yoğunluk ρ (kg/m3)
Ortalama sıcaklıktaki ısı iletim katsayısı λ (W/mK)
Ortalama sıcaklıktaki viskozite µ (N.s/m2)
Ortalama sıcaklıktaki Prandtl sayısı Pr
Ortalama sıcaklıktaki Reynolds sayısı Re
Sıcak akışkanın ısı transferi miktarı Qsı (W)
Soğuk akışkanın ısı transferi miktarı Qso (W)
Toplam ısı transferi katsayısı K (W/m2K)
Isı değiştirgecinin ısıl verimi η
1
2
3
4
5
6