DOĞAL VE ZORLANMIŞ KONVEKSİYON İLE ISI TRANSFERİ

DOĞAL VE ZORLANMIŞ KONVEKSİYON İLE ISI TRANSFERİ DENEYİ
GİRİŞ:
Bir katı yüzey ile akışkan arasında ısı geçişinin gerçekleşebilmesi, bütün ısı geçiş
şekillerinde olduğu gibi öncelikle bu iki ortam arasında sıcaklık farkının olmasına bağlıdır. Bu
koşulun gerçekleşmesi halinde katı ile akışkan arasında ısı aktarımını iki mekanizma sağlar.
Bunlar ısı iletiminin (kondüksiyon) ve ışınımın ortak katkısı ile gerçekleşen, akışkanın yüzey
etrafındaki yığınsal hareketi ile gerçekleşen ısı geçişi mekanizmalarıdır. Düşük ya da orta
dereceli sıcaklıklarda ısıl ışınımın etkisi iletime oranla kıyasla olacağından; yüzeyden üzerinde
temas halinde bulunan durağan akışkana olan ısı geçişinin sadece iletimle olduğu kabul edilir.
Bu mekanizma ve akışkanın moleküler hareketliliği sonucunda enerjinin aktarılması
işlemlerinin tümüne birden Isı Taşınımı (Konveksiyon)
adı verilir. Eğer akışkan tamamen
durağan kabul edilebiliyorsa, o takdirde sadece ısı iletiminin söz konusu olduğu bir katı ortam
gibi ele alınabilir. Bu durum genellikle çok ince akışkan tabakaları için söz konusudur.
Yüzey etrafındaki akışkanın hareketliliği, salt yüzey ve akışkan arasındaki sıcaklık
farkından kaynaklanan kaldırma kuvvetleri nedeniyle oluyorsa, meydana gelen ısı geçişine
Doğal Taşınım denir. Bu durumda herhangi bir dış etmenin zorlanması söz konusu değildir.
Örnek olarak; bir sobadan ya da radyatörden çevresine taşınım ile olan ısı geçişi verilebilir.
Katı yüzey üzerinde akışkan hareketi bir dış etmen ile sağlanıyorsa bu duruma
Zorlanmış Taşınım denir. Örnek olarak; bir güneş toplayıcısının cam yüzeyi üzerinde esen
rüzgar nedeni ile oluşan ve bu akıma bağlı ısı geçişi, yüzeyinden ısıtılan bir boru içerisinden
akan suya olan ısı geçişi ve ısı değiştirgeçlerinden (eşanjörlerden) olan ısı geçişi verilebilir.
Zorlanmış ısı taşınımı için iki ayrı akım türü söz konusudur. Bir yüzey üzerinde (levha,
boru, vb.) sınırlandırılmayan serbest bir akışkan hareketi varsa, bu durum için Dış Akım
tanımlaması yapılır. Akışkan hareketi yüzeyler tarafından sınırlandırılıyorsa (boru veya kanal
içi akım gibi) bu durumda bir İç Akım’dan söz edilir.
Isı Taşınım Katsayısı:
Bir yüzey üzerinde V hızı ile akan bir akışkan olduğunu varsayalım, yüzey sıcaklığı ile
akışkan sıcaklığı birbirinden farklı ise yüksek sıcaklığa sahip olan ortamdan düşük
sıcaklıktakine ısı geçişi söz konusu olacaktır. Yüzeyin daha sıcak olduğunu varsayarsak
Newton’un Soğuma Yasası uyarınca herhangi bir noktadaki lokal ısı akımı;
1
𝑞 = ℎ(𝑇𝑠 − 𝑇∞ )
şeklinde ifade edilir. Buna göre, ısı akışı ile sıcaklık farkı arasında bir orantı vardır ve bu orantı
sabiti Isı Taşınımı Katsayısı olarak tanımlanan h (α )’dır.
Bütün yüzey için ortalama bir taşınım katsayısı tanımlanırsa, toplam ısı geçişi için;
𝑄 = ℎ. 𝐴𝑠 . (𝑇𝑠 − 𝑇∞ )
yazılabilir.
DENEY TESİSATI:
Doğal ve zorlanmış konveksiyon deney tesisatı ünitesi ile:
1. Doğal konveksiyonda yüzey sıcaklığı ile güç arasında ilişkiyi göstermek,
2. Zorlanmış konveksiyonda yüzey sıcaklığı ile güç arasındaki ilişkiyi göstermek,
3. Yüzeyden olan ısı transferini arttırmak için kanatçıklı yüzeylerin kullanımını göstermek,
4. Arttırılmış yüzey (kanatçık) boyunca sıcaklık dağılımını göstermek,
5. Doğal konveksiyonda yatay ve düşey planda ısı transferinin karşılaştırılması mümkün
olmaktadır.
Hava Akışı
2
Fan
Sıcaklık Probu (TH)
Sıcaklık Ölçer (TH, TA)
Isıtıcı
Güç Kontrol Düğmesi
Wattmetre (Q)
Hız Ayar Düğmesi
Sıcaklık Probu (TA)
On/Off Kontrol
Şekil 1. Deney Tesisatı
DENEYİN YAPILIŞI:
%100 verime sahip bir ısı değiştirgeci için bütün kanatçıkların bağlı olduğu yüzey
sıcaklığı ile kanatçık sıcaklığı aynı olması gerekmektedir. Bununla birlikte pratikte kanatçılar
boyunca sıcaklık gradyanına neden olan kondüksiyonla ısı transferi nedeniyle bu durum
gerçekleşmez. Sıcaklık gradyanı ne kadar büyükse o kadar verim düşer. Verim, yüzey alanı ile
karıştırılmamalıdır. Gerçekte silindirik kanatçık ısı transferi açısından daha verimlidir. Fakat
özel durumlarda yüzey alanı nedeniyle üçgen (finli) kanatçıklar daha verimlidir.
Deneyde arttırılmış yüzey (kanatçık) boyunca sıcaklık dağılımının belirlenmesi
amaçlanmaktadır.
Silindirik kanatçıklı (pinli) ısı değiştirgeci üzerindeki üç deliğin bağlı oldukları
yüzeyden olan uzaklıklar sırasıyla 1.8mm, 2.35mm ve 3.60mm olarak belirlenmiştir. Silindirik
kanatçıklı ısı değiştirgeci test kanalı içerisine yerleştirilir. Ortam sıcaklığı TA ölçülür. Isıtıcı
gücü 60 Watt’a ayarlanır. Daimi kanal hal şartları sağlandıktan sonra ısıtılmış plaka sıcaklığı
ölçülür. Kanal içinde bulunan plakaya en yakın delikten başlayarak her bir deliğin içerisine
3
sıcaklık probu yerleştirilir ve T1, T2 ve T3 sıcaklıkları ölçülür. Bu ölçümler 0m/s ve 0,5m/s hava
hızları için tekrarlanır.
ÖLÇME PROTOKOLU:
Tablo 1. Silindirik kanatçıklı ısı değiştirgeci üzerindeki üç farklı delikteki hava hızına bağlı
sıcaklık değişimi
Hava Hızı (m/s)
T1 sıcaklığı (oC)
T2 sıcaklığı (oC)
T3 sıcaklığı (oC)
0
0,5
Sıcaklık T(oC)
1.80
Uzaklık (mm)
2.35
3.60
Şekil 2. Doğal konveksiyon ve 0.5m/s hız için silindirik kanatçıklar boyunca sıcaklık dağılımı
grafiği
4