ısı değiştirici tasarım parametrelerinin kapasiteye ve basınç

T.C.
DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
ISI DEĞİŞTİRİCİ TASARIM PARAMETRELERİNİN
KAPASİTEYE VE BASINÇ DÜŞÜMÜNE OLAN
ETKİLERİ
BİTİRME PROJESİ
GİZEM DURU
GÜRKAN ÇALIŞKAN
Projeyi Yöneten
Doç. Dr. Dilek KUMLUTAŞ
Mayıs, 2012
İZMİR
TEZ SINAV SONUÇ FORMU
Bu çalışma ... / ... / .... günü toplanan jürimiz tarafından BİTİRME PROJESİ olarak kabul
edilmiştir.
Yarıyıl içi başarı notu 100 (yüz) tam not üzerinden ……… ( …………….…. ) dir.
Başkan
Üye
Üye
Makine Mühendisliği Bölüm Başkanlığına,
………………….. numaralı ………………… ve ………………….. numaralı …………………
jürimiz tarafından … / … / …. günü saat ………. da yapılan sınavda 100 (yüz) tam not üzerinden
……. almıştır.
Başkan
Üye
Üye
ONAY
TEŞEKKÜR
Klimalarda kullanılan kanatlı boruları bir ısı değiştirici tasarım parametrelerinin kapasiteye ve
basınç düşümüne olan etkilerinin analizi konusunda hazırlamış olduğumuz bu bitirme tezinde bize
rehberlik eden ve her türlü desteği veren Doç. Dr. Dilek KUMLUTAŞ’a teşekkür ederiz.
Ayrıca ANSYS Workbench, ANSYS CFX programlarının kullanılması konusunda yardımlarını
esirgemeyen Doktora öğrencisi Özgün ÖZER’e teşekkürü bir borç biliriz.
Gizem DURU
Gürkan ÇALIŞKAN
ÖZET
Bu çalışmada iklimlendirme amacıyla kullanılan kanatlı borulu ısı değiştiricileri, dış kısımlarına
kanatların yerleştirildiği bir dizi borudan oluşmaktadır. Boru tarafında bulunan sıvı haldeki akışkan ile
kanat tarafında bulunan gaz halindeki akışkan arasında ısı alışverişi sağlanmaktadır.
Bilgisayar ortamında gerçekleştirilen bu çalışmayı deneysel olarak yapmak, yüksek maliyetli
uygulamalar ve zaman kaybı gibi dezavantajlara sahiptir. Bilgisayar ortamı, bizi bu zahmetlerden
kurtarmakta, aynı zamanda hassasiyeti iyi sonuçlar elde edebilmemizi sağlamaktadır.
Bu çalışmada, kanatlı borulu ısı değiştirgeçlerinin indirgenebileceği en küçük simetrik parçanın,
çeşitli parametrelerinin değişiminin basınç düşümüne ve kapasiteye etkisi incelenmiştir.
İÇİNDEKİLER
Sayfa
İçindekiler…………………………………………………………………………………………….V
Tablo Listesi……………………………………………………………………………………...…..VIII
Şekil Listesi………………………………………………………………………………………...….IX
Bölüm Bir
1.1 Giriş....................................................................................................................................................1
1.2 Isı Değiştiricilerinin Sınıflandırılması................................................................................................1
1.3 Konstrüksiyon Geometrisi..................................................................................................................1
1.3.1 Borulu Isı Değiştiricileri.....................................................................................................2
1.3.1.1 Çift Borulu Isı Değiştiricileri..............................................................................2
1.3.1.2 Gövde Boru Tipi Isı Değiştiricileri.....................................................................2
1.3.1.3 Spiral Borulu Isı Değiştiricileri...........................................................................2
1.3.2 Plakalı Isı Değiştiricileri.....................................................................................................3
1.3.2.1 Contalı - Plakalı Isı Değiştiricileri......................................................................3
1.3.2.2 Spiral Plakalı Isı Değiştiricileri...........................................................................4
1.3.2.3 Lamelli Plakalı Isı Değiştiricileri.......................................................................5
1.3.3 Kompakt Isı Değiştiricileri.................................................................................................6
1.3.3.1 Kanatlı - Plakalı Isı Değiştiricileri......................................................................8
1.3.3.2 Kanatlı Borulu Isı Değiştiricileri.........................................................................8
V
1.4 Isı Transferi Mekanizmaları................................................................................................................9
1.5 Akış Düzenlemeleri............................................................................................................................9
1.6 Isı Transferi İşlemleri........................................................................................................................10
Bölüm İki
2.1 Toplam Isı Geçiş Katsayısı...............................................................................................................11
2.2 Isı Değiştiricisi Çözümlemesi: Ortalama Logaritmik Sıcaklık Farkının Kullanılması.....................12
2.2.1 Paralel Akışlı Isı Değiştiricisi...........................................................................................13
2.2.2 Ters Akışlı Isı Değiştiricisi...............................................................................................15
2.3 Isı Değiştiricisi Çözümlemesi: Etkenlik - NTU Yöntemi.................................................................15
2.3.1 Etkenlik - NTU Bağıntıları................................................................................................16
Bölüm Üç
3.1 Modelin Oluşturulması.....................................................................................................................19
3.2 Modelin Sonlu Hacimlere Ayrılması................................................................................................22
3.3 Sınır Şartlarının Verilmesi................................................................................................................22
VI
Bölüm Dört
4 Sonuçların Değerlendirilmesi..............................................................................................................23
4.1 Tasarım Parametrelerinin Oluşturulması.............................................................................26
4.1.1 Tasarım Parametresi Olarak Boru Çapının Etkisi................................................26
4.1.2 Tasarım Parametresi Olarak Debini Etkisi...........................................................28
4.1.3 Tasarım Parametresi Olarak Kanat Genişliğini Etkisi.........................................29
4.1.4 Tasarım Parametresi Olarak Kanat Uzunluğunun Etkisi.....................................31
VII
TABLO LİSTESİ
Sayfa
Tablo 2.1 Isı Değiştiricilerinde Etkenlik Bağıntıları..............................................................................17
Tablo 2.2 Isı Değiştiricilerinde NTU Bağıntıları....................................................................................18
Tablo 3.1 Modele Ait Ölçüler.................................................................................................................20
Tablo 4.1 Kanat Uzunluğuna Ait Parametrik Sonuçlar..........................................................................32
VIII
ŞEKİL LİSTESİ
Sayfa
Şekil 1.1 Contalı - Plakalı Isı Değiştiricisi...............................................................................................4
Şekil 1.2 Spiral Plakalı Isı Değiştiricisi....................................................................................................5
Şekil 1.3 Lamelli Plakalı Isı Değiştiricisi.................................................................................................6
Şekil 1.4 Gazdan Sıvıya Kompakt Isı Değiştiricisi..................................................................................7
Şekil 2.1 Paralel Akışlı Bir Isı Değiştiricisinde Sıcaklık Dağılımları....................................................13
Şekil 2.2 Ters Akışlı Bir Isı Değiştiricisinde Sıcaklık Dağılımları........................................................15
Şekil 3.1 İklimlendirme Amaçlı Isı Değiştiricisi....................................................................................19
Şekil 3.2 Isı Değiştiricinin Yandan Görünüşü........................................................................................19
Şekil 3.3 Kanat ve Boru Oturma Yüzeylerinin Taslağı..........................................................................20
Şekil 3.4 Katı Model...............................................................................................................................21
Şekil 3.5 Modelin Son Hali.....................................................................................................................21
Şekil 3.6 Kanadın Mesh Görüntüsü........................................................................................................22
Şekil 3.7 Sınır Şartları Verildikten Sonraki Modelin Görüntüsü............................................................22
Şekil 4.1 Momentum ve Kütle Yakınsama Eğrileri................................................................................23
Şekil 4.2 Enerji Değerleri.......................................................................................................................24
Şekil 4.3 Enerji Yakınsama Eğrileri.......................................................................................................24
Şekil 4.4 Akım Çizgileri.........................................................................................................................25
Şekil 4.5 Sıcaklık Dağılımı.....................................................................................................................25
Şekil 4.6 Boru Çapına Ait Parametrik Sonuçlar.....................................................................................26
Şekil 4.7 Boru Çapı Değişiminin Kapasiteye Etkisi...............................................................................27
Şekil 4.8 Boru Çapı Değişiminin Basınç Düşümüne Etkisi...................................................................27
Şekil 4.9 Debiye Ait Parametrik Sonuçlar..............................................................................................28
Şekil 4.10 Debi Değişiminin Kapasiteye Etkisi......................................................................................28
IX
Şekil 4.11 Debi Değişiminin Basınç Düşümüne Etkisi..........................................................................29
Şekil 4.12 Kanat Genişliğine Ait Parametrik Sonuçlar..........................................................................29
Şekil 4.13 Kanat Genişliğindeki Değişimin Kapasiteye Etkisi..............................................................30
Şekil 4.14 Kanat Genişliğindeki Değişimin Basınç Düşümüne Etkisi...................................................30
Şekil 4.15 Kanat Uzunluğuna Ait Parametrik Sonuçlar.........................................................................31
Şekil 4.16 Kanat Uzunluğuna Ait Parametreler......................................................................................31
Şekil 4.17 Kanat Uzunluğundaki Değişimin Kapasiteye Etkisi.............................................................32
Şekil 4.18 Kanat Uzunluğundaki Değişimin Basınç Düşümüne Etkisi..................................................33
X
BÖLÜM BİR
1.1 Giriş
Farklı sıcaklıklardaki iki ya da daha fazla akışkan arasında ısı transferini sağlayan cihaza ısı
değiştirici denir. Genellikle katı bir cidarla birbirlerinden ayrılırlar ve karışmazlar, ancak bir sıvı yüzey
üzerine gaz fazında akış uygulanarak gerçekleştirilen uygulamalarda bulunmaktadır. Kullanım alanları
çok geniş olmakla beraber, hacim ısıtmasında, iklimlendirme sistemlerinde, termik santrallerde, atık
ısı geri kazanımında, kimi kimyasal işlemlerde çeşitli kullanım alanları mevcuttur. [2]
1.2 Isı Değiştiricilerinin Sınıflandırılması
Isı değiştirgeçleri genel olarak; konstrüksiyon geometrilerine, ısı transferi mekanizmasına, akış
düzenlemelerine, ısı transferi işlemine göre sınıflandırılır. [2]
1.3 Konstrüksiyon Geometrisi
Konstrüksiyon geometrisine göre ısı değiştiricileri; borulu, plakalı ve kompakt olmak üzere genel
olarak üç alt başlık altında sınıflandırılabilir.
Borulu ısı değiştiricileri; çift borulu, gövde boru tipi, spiral borulu olarak, plakalı ısı değiştirgeçleri;
contalı - plakalı, spiral plakalı ve lamelli olarak, kompakt ısı değiştirgeçleri de; plakalı - kanatlı,
kanatlı - borulu olarak çeşitlendirilir. Daha büyük konstrüksiyon tipleri; tüplü, düzlemli ve uzatılmış
yüzeyli ısı değiştirgeçleridir. [2]
1
1.3.1 Borulu Isı Değiştiricileri
Dairesel kesitli tüplerden yapılan bu eşanjörlerde, akışkanlardan biri içteki tüpten, diğeri dıştaki
tüpten akar. Tüplerin çapının, uzunluğunun ve sayısının değiştirilebilir olması, modelin tasarımı
sırasında esneklik sağlamaktadır. [2]
1.3.1.1 Çift Borulu Isı Değiştiricileri
Sistem genellikle birinin çapı diğerinden daha büyük, aynı eksenli, iç içe geçmiş iki borudan
yapılır. Ancak pratikte çift borunun yanı sıra boru demeti şeklinde olan çeşitlerine de rastlanır.
Akışkanlardan biri içteki, diğeri dıştaki borudan akar ve bu akışlar birbirlerine paralel olabileceği gibi
ters de olabilir. [2]
1.3.1.2 Gövde Boru Tipi Isı Değiştiricileri
Taşıdıkları ısıl yüke, üretim tekniklerine ve maliyetlerine, kirlenme faktörüne, basınç düşümüne ve
basınç miktarına karşı çeşitli gövde boru tipi ısı değiştirici uygulamaları vardır. Bu tür ısı
değiştiricilerinde, ısı transferi katsayısını artırmak ve tüpleri desteklemek için saptırıcılar
kullanılmaktadır.
Sadece bir ayna gerekli olduğundan U borular en ucuz konstrüksiyonlardır. U dönüşünün
keskinliğinden dolayı boru tarafı mekanik olarak temizlenemez. Bu tür konstrüksiyonlarda termal
genleşme sınırlandırılamaz ancak boru geçiş sayısı farklı olabilir. [2]
1.3.1.3 Spiral Borulu Isı Değiştiricileri
Bu tür ısı değiştiricileri, soğutma sistemlerinde kullanılan kondenser ve evaporatörler için
tasarlanırlar. Spiral borulu ısı değiştiricileri, bir gövde içerisine yerleşmiş spiral bir şekilde kıvrıla
kıvrıla devam eden serpantinlerden oluşur. Spiral borudaki ısı transferi katsayısı, düz boruya göre daha
2
büyüktür. Bu eşanjörler temiz akışkanlara ve termal genleşmeye daha uygundur çünkü bunların
temizlenmesi neredeyse imkansızdır. [2]
1.3.2 Plakalı Isı Değiştiricileri
Bu tip ısı eşanjörleri akış kanalarını oluşturan ince plakalardan oluşmaktadır ve akışkan akımları
düz plakalarla ayrılmıştır. [2]
Plakalı ısı eşanjörleri, herhangi bir gaz,sıvı ve iki fazlı akışlar için ısının transfer edilmesinde
kullanılır. Bu eşanjörler aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir:
1. Contalı - plakalı
2. Spiral - plakalı
3. Lamelli
1.3.2.1 Contalı - Plakalı Isı Değiştiricileri
Contalı - plakalı ısı değiştiricileri, akışkanları ayıran bir dizi dalgalı veya oluklu ince plakalardan
oluşmaktadır. Contaların işlevi plakalar içinde akışkanları istenen şekilde yönlendirmek ve dışarıya
sızıntı olmasını engellemektir.Akış düzeni genellikle akışkanlar birbirine karşılıklı akacak şekilde
düzenlenir.
3
Şekil 1.1 Contalı - Plakalı Isı Değiştiricisi
Bu tip ısı değiştiricileri genellikle 250 °C sıcaklık ve 25 bar basınç altında çalışabilmektedirler.
Bunlar contalama ve konstrüksiyon detayları nedeniyle çalışma basıncı ve sıcaklığı yönünden
sınırlandırılabilirler. Bu ısı değiştiricileri rahatlıkla temizlenebilir çünkü parçaları tamamen
sökülebilir. Bu özellikleri nedeniyle bu tip eşanjörler gıda endüstrisinde yaygın bir şekilde
kullanılmaktadır.
Contalı - plakalı ısı değiştiricilerinin çalışma sıcaklığı ve basıncı, gövde boru tipi ısı eşanjörlerine
göre daha düşüktür. [2]
1.3.2.2 Spiral Plakalı Isı Değiştiricileri
Bu tip ısı değiştiricileri iki uzun, paralel plakanın spiral şeklinde yuvarlatılıp akış kanallarını
oluşturmak için kenarlarından diğer plakalara kaynaklanmasından meydana gelmiştir. Her iki spiral
kanal içindeki metal yüzeyler arasındaki mesafe, metal yüzeylere kaynaklanan uzaklık pimleri ile
muhafaza edilmiştir. Bu uzaklık pimlerinin uzunluğu 5 ile 20 mm arasında değişir. Bu nedenle akış
debisine bağlı olarak farklı kanal boşlukları seçmek mümkündür.
Spiral plakalı ısı değiştiricilerinin kirlenme eğilimi düşüktür ve bakımı kolay yapılır. Rahatlıkla
temizlenebilirler ve kimyasal temizleme etkin bir şekilde yapılabilir. Isıl verimleri yüksektir. Montaj
4
maliyeti düşük olup orta ve yüksek dereceli akışkanlar için çok verimlidir. İstendiği takdirde plakalar
üzerinde oluklar oluşturularak ısı transferi arttırılabilir. Yüksek hızlar kullanılabildiğinden ve akış
dağılımı iyi olduğundan sıcaklığa duyarlı akışkanlar için son derece uygundur. [2]
Şekil 1.2 Spiral Plakalı Isı Değiştiricisi
1.3.2.3 Lamelli Plakalı Isı Değiştiricileri
Ramen tip olarak da bilinen lamelli ısı eşanjörleri, bir gövde içerisine boylu boyunca yerleştirilmiş
bir takım paralel, kaynaklı, ince plaka kanalları veya lamellerden oluşur. Bu lameller dikdörtgen veya
düzleştirilmiş borular şeklinde olabilir. Bu ısı değiştirici türleri yüzen başlıklı bir gövde-boru tipi ısı
eşanjörünün bir modifikasyonudur. Lamel olarak adlandırılan düzleştirilmiş borular iki plakanın dikiş
kaynağı veya nokta kaynağı ile birleştirilmesinden meydana gelir. Lameller her iki ucundan çelik
çubuklarla kaynak edilirler. Lamel demetinin her iki ucu, dıştaki uçları giriş ve çıkış lülelerine
(nozzles) kaynaklı olan lamel kaplamasına çevresel olarak kaynaklanırlar. Böylece lamel kısmı
tamamen kaynaklanmış olur.. Kana kaplaması gövde flanşına civata ile bağlanan bir flanş halkasına
sahiptir.
5
Şekil 1.3 Lamelli Plakalı Isı Değiştiricisi
Lamelli ısı değiştiricileri doğru bir karşıt akış için düzenlenebilir çünkü gövde tarafında hiç
saptırıcı yoktur. Düzgün yüzeyler, yüksek türbülans ve düzgün dağılımlı bir akış nedeniyle lameller
kolaylıkla kirlenmezler. Plaka demeti temizlik ve bakım için kolaylıkla çıkarılabilir. Bu tasarım 35 bar
0
0
çalışma basıncı altında, asbest contalarla 500 C ve teflon contalarla 200 C çalışma sıcaklığında
kullanılabilirler. Bu tip ısı değiştiricilerinin ısıl verimleri yüksektir çünkü tam karşıt akış elde
edilebilmektedir. Hidrolik çap küçük olduğu için büyük ısı taşınım katsayıları elde edilebilir.
Bakımları kolaydır ve minimum kirlenme eğilimine sahiptirler. Gövde borulu ısı değiştiricilerine göre
daha kompakttırlar. Düzgün akış yollarına sahiptir. Kimyasal temizleme etkin bir şekilde yapılabilir.
[2]
1.3.3 Kompakt Isı Değiştiricileri
Kompakt veya diğer adıyla genişletilmiş yüzeyli bir ısı eşanjöründe ısı transferi miktarını arttırmak
amacıyla birincil ısı transfer yüzeyi (borular veya plakalar) üzerine kanatlar ve eklentileri olan
cihazlardır. Gaz tarafındaki ısı transferi katsayısı sıvı tarafındaki ısı transferi katsayısından olduğundan
gaz tarafındaki ısı transferi miktarını arttırmak için gaz tarafında kanatlı ısı transferi yüzeyleri
kullanılır. Kanatlar genellikle sıvı ile gaz veya gaz ile gaz akışkanların olduğu ısı eşanjörlerinde
kullanılır.[2]
6
Şekil 1.4 Gazdan Sıvıya Kompakt Isı Değiştiricisi
Isı transferi yüzey alanının ısı transferinin hacmine oranı alan yoğunluğu olarak adlandırılmaktadır
ve β ile gösterilir.
=
Bir ısı değiştiricisi için
> 700
ü
ğş
⁄
,
∶
ise kompakt ısı değiştiricisi olarak sınıflandırılır.
Kompakt ısı değiştiricileri küçük bir hacimde bulunan iki akışkan arasında yüksek ölçüde ısı
transferinin gerçekleşmesine imkan sağlarlar ve ısı değiştiricilerin ağırlık ve hacminde katı
sınırlamaları olan uygulamalarda yaygın bir şekilde kullanılırlar. [3]
En yaygın iki kompakt ısı eşanjörü tipi, kanatlı – plakalı ve kanatlı – borulu ısı eşanjörüdür. [2]
7
1.3.3.1 Kanatlı – Plakalı Isı Değiştiricileri
Plakalı-kanatlı ısı eşanjörleri öncelikli olarak her iki akışkanın da gaz olduğu uygulamalarda
kullanılır. Birçok uygulamada (kamyonlarda, arabalarda ve uçaklarda) hacim azalması önemlidir.
Plakalı-kanatlı ısı eşanjörlerinin kullanım alanları, gaz ve buhar türbinleri, otomobil, kamyon, uçak
motorları soğutma sistemleri, ısı pompaları, soğutma ve iklimlendirme tesisleri, elektronik devrelerin
soğutma devreleri ile enerji geri kazanım sistemleridir.
Çapraz-akışlı veya karşıt-akışlı akış uygulamalarına sahip olabilir. Düşük ağırlığa sahiptir.
Kullanılan kanatlar ısı değiştirgecinin rijitliğini artırır ve yüksek basınçlarda çalışmasını sağlar.
Plakalı-kanatlı ısı eşanjörleri küçüktürler ve bu nedenle aşırı basınç düşümlerinden kaçınmak için
2
küçük kütlesel debilerin (10 ile 300 kg/m s) olması gerekir. Küçük kütlesel debilerin olması kanalların
kirlenmeye eğilimli olabileceği gerçeğini de beraberinde getirir. Mekanik olarak temizlenmesi zor olan
bu eşanjörler için temiz akışkanların kullanılmasını zorunlu hale getirir. [2]
1.3.3.2 Kanatlı Borulu Isı Değiştiricileri
Bu ısı değiştiricileri, gazadan sıvıya ısı değiştiricileri olarak kullanılırlar. Gaz tarafındaki ısı
transferi katsayısı genellikle sıvı tarafındakine göre çok daha düşüktür ve kanatlar gaz tarafı için
gereklidir. Kanatlı borulu bir ısı eşanjörü, dışında sabit kanatlar bulunan bir dizi borudan oluşur.
Pratikte dairesel veya oval kesitli boru dışındaki kanatlı yüzeyler ile daha çok karşılaşılır. Kanatlar
boru ile birlikte imal edilebildiği gibi, sonradan boru üzerine döküm, kaynak, lehim veya sıkı geçme
tekniği ile tespit edilebilir. Kullanım alanları, güç santralleri, pervaneli soğutma grupları, taşıt araçları,
iklimlendirme ve soğutma tesisatlarıdır. [2]
8
1.4 Isı Transferi Mekanizmaları
Isı eşanjörleri aynı zamanda ısı transferi mekanizmalarına göre de sınıflandırılırlar:
1. Her iki tarafta da tek fazlı taşınım
2. Bir tarafta tek fazlı diğer tarafta iki fazlı taşınım
3. Her iki tarafta da iki fazlı taşınım
Kazanlardaki hava ısıtıcıları, ekonomizerler, kompresör ara soğutucuları, otomobil radyatörleri,
rejeneratörler, yağ soğutucuları gibi ısı eşanjörlerinde her iki tarafta da tek fazlı taşınım gerçekleşir.
Kondenserler, kazanlar, buhar jeneratörleri, evaporatörler ve iklimlendirmede kullanılan radyatörler
yoğunlaşma, kaynama ve radyasyon mekanizmalarına sahiptirler. İki fazlı ısı transferi eşanjörün iki
yüzeyinde de gerçekleşir. Örneğin; kondenserlerde eşanjörün bir yüzeyinde yoğunlaşma olurken diğer
yüzünde kaynama olur. [2]
1.5 Akış Düzenlemeleri
Isı eşanjörleri, eşanjör boyunca olan akış yörüngelerine göre de sınıflandırılabilir. Üç temel
konfigürasyon tipi vardır:
1. Paralel Akış
2. Karşıt Akış
3. Çapraz Akış
Paralel akışlı ısı eşanjörlerinde iki akışkan bir uçtan aynı anda girerler ve diğer uçtan ayrılırlar.
Karşıt akışlı eşanjörlerde iki akışkan zıt yönde akar. Çapraz akışlı ısı eşanjörlerinde bir akışkan diğer
akışkanın aktığı düzlemden farklı bir düzlemde çıkar. Çapraz akışlı düzenlemede akış, karışmış veya
karışmamış olarak adlandırılır. Eğer düzenlemede boru içindeki akışkan dik yönde hareket
serbestliğine sahip değil, boruların dışında akan akışkan da dik yönde hareket serbestliğine (kendi
kendine karışabilme) sahipse bu eşanjör karışmamış-karışmış çapraz akış (unmixed-mixed cross flow)
ısı eşanjörü adını alır. [2]
9
1.6 Isı Transferi İşlemleri
Isı değiştiricileri transfer işlemlerine göre doğrudan temaslı ve dolaylı temaslı olarak
sınıflandırılırlar.
Doğrudan temaslı ısı değiştirgeçlerinde ısı, iki akışkan arasındaki direkt temastan dolayı, soğuk ve
sıcak akışkan arasında iletilir. Sıcak ve soğuk akımlar arasında duvar yoktur. Isı transferi iki akım
arasındaki yüzey boyunca meydana gelir. Doğrudan temaslı ısı değiştirgeçlerinde akışkanlar, iki tane
karışmayan sıvı, gaz-sıvı çifti ya da katı parçacık-sıvı kombinasyonudur. Püskürtmeli, tray
yoğuşturucular ve soğutma kuleleri bu tür ısı değiştirgeçlerine örnektir. Bu tür ısı değiştirgeçlerinde
oldukça sık ısı ve kütle transferi, eş zamanlı olarak meydana gelir. Soğutma kulelerinde suyun kulenin
tepesinden püskürtülmesi doğrudan temaslıdır ve yukarı doğru akan havanın buharı tarafından
soğutulur.
Dolaylı temaslı ısı değiştiricilerinde, ısı enerjisi bir transfer yüzeyi boyunca akan sıcak ve soğuk
akışkanlar arasında değiştirilir. Isı enerjisi ayırma duvarları boyunca transfer edilirken, soğuk ve sıcak
akışkan eş zamanlı olarak akar. Akışkanlar karışmazlar.
Doğrudan temaslı ve dolaylı temaslı tip eşanjörler recuperatörler olarak da bilinirler. Borulu (çift
borulu, gövde boru tipi), düzlem tipi ısı değiştirgeçleri, soğutma kuleleri, tabla yoğuşturucular bu tip
ısı değiştirgeçlerine örnektir. [1]
10
BÖLÜM İKİ
2.1 Toplam Isı Geçiş Katsayısı
Herhangi bir ısı değiştiricisi çözümlemesinin en temel ve çoğunlukla en belirsiz bölümü, toplam ısı
geçiş katsayısının bulunmasıdır.
Normal çalışma sırasında, akışkan içindeki yabancı maddeler, paslanmalar veya akışkan ile cidar
arasındaki diğer başka reaksiyonlar nedeniyle, yüzeylerde çoğunlukla bir kirlenme olur. Yüzey
üzerinde biriken bu film veya tabaka, akışkanlar arasındaki ısı geçişi direncini çok arttırır. Bu etki,
kirlilik faktörü olarak adlandırılan ek bir ısıl direnç tanımı ile göz önüne alınabilir. Bu faktörün değeri,
çalışma sıcaklığına, akışkan hızına ve ısı değiştiricisinin işletmede kaldığı süreye bağlıdır.
Diğer taraftan, çoğu zaman bir akışkana veya her iki akışkana ait yüzeylere eklenen kanatların,
yüzey alanını arttırdıkları için ısı taşınımında ısıl direnci azalttıkları bilinmektedir. Bu nedenle, kanat
ve yüzey kirliliği etkileri göz önüne alındığında, toplam ısı geçiş katsayısı,
=
=
=(
)
+(
,
+
)
+(
,
)
+(
(2.1)
)
biçiminde yazılabilir.
değeri, kanatlı yüzeylerin toplam yüzey etkenliği olarak adlandırılır. Kanatsız borulu ısı
değiştiricileri için denklem 2.1
=
= (
=
)
+(
,
)
+
+(
,
)
+(
)
(2.2)
biçiminde basitleştirilebilir. Burada, i ve o indisleri, sıcak veya soğuk akışkanın temas edebileceği iç
ve dış boru yüzeylerini göstermektedir.
11
2.2 Isı Değiştiricisi Çözümlemesi: Ortalama Logaritmik Sıcaklık Farkının Kullanılması
Bir ısı değiştiricisinin tasarımı veya performansının belirlenebilmesi için, ısı değiştiricisindeki
toplam ısı geçişi ile akışkan giriş ve çıkış sıcaklıkları, toplam ısı geçiş katsayısı ve ısı geçişi toplam
yüzey alanı arasında bir bağıntı bulmak gereklidir.
=
̇
,
(
,
−
,
)
(2.3)
,
(
,
−
,
)
(2.4)
ve
=
yazılabilir.
Buradaki
sıcaklıklar,
̇
belirli
konumlardaki
ortalama
akışkan
sıcaklıklarını
göstermektedirler.
Sıcak ve soğuk akışkanlar arasındaki
≡
−
(2.5)
sıcaklık farkı ile toplam ısı geçişi q arasında bir ilişki kurularak elde edilebilir. böyle bir bağıntı
Newton’un soğuma yasasında, ısı taşınım katsayısı h yerine toplam ısı geçiş katsayısı U’yu yazarak
bulunabilir. Bu durumda, ΔT ısı değiştiricisi içinde değiştiğinden, bu bağıntıyı
=
biçiminde yazmak gerekir. Burada
(2.6)
uygun bir ortalama sıcaklık farkı anlamındadır ve akışkan
sıcaklıkları cinsinden ifade edilmelidir. İlk olarak paralel akışlı bir ısı değiştiricisi göz önüne alınsın.
[1]
12
2.2.1 Paralel Akışlı Isı Değiştiricisi
Paralel akışlı bir ısı değiştiricisi içindeki sıcak ve soğuk akışkanların sıcaklık dağılımları, Şekil
2.1’de gösterildiği gibidir. ΔT sıcaklık farkı başlangıçta büyüktür, fakat x arttıkça hızla azalır ve
asimptotik olarak sıfıra ulaşır. Böyle bir ısı değiştiricisinde, soğuk akışkanın çıkış sıcaklığının hiçbir
zaman sıcak akışkan sıcaklığından fazla olamaz.
Şekil 2.1 Paralel akışlı bir ısı değiştiricisinde sıcaklık dağılımları
(INCROPERA, F.P., DeWITT, D.P., syf 712)
Şekil 2.1’deki her bir diferansiyel eleman için enerji dengesi ayrı ayrı yazılırsa,
=− ̇
,
≡−
(2.7)
=− ̇
,
≡−
(2.8)
ve
13
eşitlikleri elde edilebilir. Bu eşitliklerde
, sırasıyla sıcak ve soğuk akışkanların ısıl kapasite
ve
debilerini göstermektedir. dA yüzey alanından geçen ısı,
=
=
olarak da yazılabilir. Burada
−
(2.9)
, sıcak ve soğuk akışkan arasındaki yerel sıcaklık farkıdır.
O halde,
(
)=
−
(2.10)
ve
(
)=−
(
+ )
(2.11)
yazılabilir. dA yüzey alanından geçen ısı akısı miktarı, elde edilen bu son eşitliğe taşınıp, ısı
değiştiricisi boyunca integrali alınırsa,
∫
(
)
=− (
+ )∫
(2.12)
veya
ln
=−
(
+ )
(2.13)
elde edilir. Buradan,
ln
Paralel akışlı ısı değiştiricisi için
,
=−
=(
,
−
=
,
,
(
+
,
) ve
/
,
=(
(2.14)
,
−
(2.15)
)
sonucuna ulaşılır. Bu durumda,
=
(
/
)
=
biçiminde tanımlanır. [1]
14
(
/
)
(2.16)
,
) tanımları kullanılırsa,
2.2.2 Ters Akışlı Isı Değiştiricisi
Ters akışlı bir ısı değiştiricisi içindeki sıcak ve soğuk akışkanların sıcaklık dağılımları ,
Şekil 2.1'de gösterildiği gibidir. Paralel akışlı ısı değiştiricisinin aksine, bu düzenlemede, ısı
değiştiricisi boyunca sıcaklık farkı ve buna bağlı olarak ısı geçişi yaklaşık eşittir. Bu nedenle x
değişimine göre verilen ∆ =
−
sıcaklık farkı, ters akımlı düzenlemede hiçbir yerde
paralel akımlı ısı değiştiricinin giriş bölümündeki kadar büyük değildir. Dikkat edilirse bu
düzenlemede soğuk akışkanın çıkış sıcaklığı, sıcak akışkanın çıkış sıcaklığından daha fazla
olabilir. [1]
Şekil 2.2 Ters akışlı bir ısı değiştiricisinde sıcaklık dağılımları
(INCROPERA, F.P., DeWITT, D.P., syf 714)
2.3 Isı Değiştiricisi Çözümlemesi: Etkenlik - NTU Yöntemi
Bir ısı değiştiricisinde akışkanların sadece giriş sıcaklıkları belli ise LMTD yöntemini kullanmak
için deneme - yanılma yoluna gitmek gerekir. Bu gibi durumlarda, etkenlik - NTU yöntemi adı verilen
farklı bir yöntemin kullanılması daha uygundur.
15
=
Burada,
ısıl kapasite debisi,
(
,
veya
−
,
)
(2.17)
değerlerinden hangisi küçükse o değere eşit olarak
alınır. ԑ etkenlik tanımını da, bir ısı değiştiricisinde gerçek ısı geçişinin, olabilecek en yüksek ısı
geçişine oranı olarak yapılabilir.
ԑ=
(
,
,
(
,
)
,
(2.18)
)
olarak yazılır. Etkenlik boyutsuz bir büyüklük olup, 0 ≤ ԑ ≤ 1 arasında değişmek zorundadır. O halde
gerçek ısı geçişi aşağıdaki bağıntıdan bulunabilir.
=ԑ
(
,
−
,
)
(2.19)
Herhangi bir ısı değiştiricisi için
ԑ= (
,
)
(2.20)
bağıntısı yazılabilir. NTU (Number of Transfer Unit) ile gösterilen geçiş birimi sayısı, ısı
değiştiricilerinin çözümlemesinde yaygın olarak kullanılmakta olup,
≡
(2.21)
biçiminde tanımlanan boyutsuz bir parametredir. [1]
2.3.1 Etkenlik - NTU Bağıntıları
Değişik ısı değiştiricisi türleri için bağıntılar aşağıdaki tabloda sırasıyla verilmektedir.
≡
/
ısıl kapasite debilerinin oranıdır.
16
Tablo 2.1 Isı Değiştiricilerinde Etkenlik Bağıntıları
Akış Düzenlemesi
Bağıntı
Eş eksenli iç içe iki boru
Paralel Akış
ԑ=
Ters Akış
ԑ=
(
[
(
[
)]
(
[
ԑ=
)]
(
)]
(
< 1)
= 1)
Gövde - borulu
Bir gövde geçiş (2, 4, ... boru geçiş)
ԑ =2 1+
n gövde geçiş (2n, 4n, ... boru geçiş)
ԑ=
+ (1 +
ԑ
ԑ
−1
ԑ
)
−
ԑ
Çapraz Akış (tek geçiş)
(1 −
karışıyor
karışmıyor
ԑ=
karışıyor
karışmıyor
ԑ = 1−
Tüm Isı Değiştiricileri
(
ԑ =1−
İki akışkan da karışmıyor
=
ԑ = 1 − exp(−
= (ԑ,
)
.
{− [1 −
(−
Isı değiştiricilerinin tasarım tasarım hesaplarında, ԑ −
)
{1 −
{
[− (
)
(−
)]})
[− (
)]})
,
] − 1}
)
bağntısını
(2.22)
şeklinde yazmak daha kullanışlıdır. Çeşitli ısı değiştiricilerin NTU bağıntıları Tablo 2.2'de verilmiştir.
17
Tablo 2.2 Isı Değiştiricilerinde NTU Bağıntıları
Akış Düzenlemesi
Bağıntı
Eş eksenli iç içe iki boru
[
Paralel Akış
=
Ters Akış
=
=
ԑ(
ln(
ԑ
ԑ
)]
ԑ
)(
ԑ
(
< 1)
= 1)
Gövde - borulu
= −(1 +
Bir gövde geçiş (2, 4, ... boru geçiş)
n gövde geçiş (2n, 4n, ... boru geçiş)
ԑ =
,
=(
)
ԑ
ԑ
/
ln(
)
/
)
Çapraz Akış (tek geçiş)
karışıyor
karışmıyor
=−
1+
ln(1 − ԑ )
karışıyor
karışmıyor
= −( )ln[
ln(1 − ԑ) + 1]
Tüm Isı Değiştiricileri
=
= −ln(1 − ԑ)
18
BÖLÜM ÜÇ
3.1 Modelin Oluşturulması
Kanatlı borulu bir ısı değiştiricisinde tasarım parametrelerinin kapasiteye ve basınç düşümüne olan
etkilerinin, sayısal analizde incelenebilmesi için ilk aşama modelin oluşturulmasıdır. Model
oluşturulurken ısı değiştiricisinin tamamının modellenmesi hem zahmetli, hem de analiz aşamasında
hayli zaman alan bir işlemdir. Bu sebeple eşanjörün tüm özelliklerini taşıyan, indirgenebilecek en
küçük simetrik parça seçilip model oluşturulmuştur.
Şekil 3.1 İklimlendirme amaçlı ısı değiştiricisi
Şekil 3.2 Isı değiştiricinin yandan görünüşü
19
Modelleme işlemi ANSYS Workbench yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
Şekil 3.3 Kanat ve boru oturma yüzeylerinin taslağı
Tablo 3.1 Modele Ait Ölçüler
Geometri Boyutları
Ölçüleri [mm]
Kanat Uzunluğu; H1
25,4
Kanat Genişliği; V1
10,5
Boru Çapı, D3; D4
7,3
Boru Mesafesi; L5, L6
7
Şekil 3.3’de görülen taslak oluşturulduktan sonra 0,1 mm kalınlığında katı hacim Şekil 3.4’de
görüldüğü gibi elde edilmiştir.
20
Şekil 3.4 Katı model
Katı model oluşturulduktan sonra 1,4 mm kalınlığına sahip, iki kanat arasındaki hava hacmi Şekil
3.5’teki gibi oluşturulmuştur.
Şekil 3.5 Modelin son hali
21
3.2 Modelin Sonlu Hacimlere Ayrılması
Şekil 3.6 Kanadın mesh görüntüsü
Uygulanan mesh’in kalitesi medium seçilmiş, bunun sonucunda da 11448 sonlu hacim ve 3791
düğüm noktası elde edilmiştir.
3.3 Sınır Şartlarının Verilmesi
Modele ait mesh yapısı oluşturulduktan sonra, ANSYS CFX yazılımında analiz için gerekli sınır
şartları girilmiştir.
Şekil 3.7 Sınır şartları verildikten sonraki modelin görüntüsü
22
BÖLÜM DÖRT
4. Sonuçların Değerlendirilmesi
Analiz işlemleri sonucunda oluşan yakınsama eğrilerine bakılırsa, elde edilen eğriler yakınsama
hedefi olan 10-8 değerine ulaşmış veya bu değerin daha da altına inmişlerdir. Şekil 4.1’de kanadın
momentum ve kütle için yakınsama eğrileri verilmiştir.
Şekil 4.1 Momentum ve kütle yakınsama eğrileri
23
Şekil 4.2 Enerji değerleri
Şekil 4.3 Enerji yakınsama eğrileri
Aşağıda analiz sonucu elde akım çizgileri ve sıcaklık dağılımı görülmektedir.
24
Şekil 4.4 Akım çizgileri
Şekil 4.5 Sıcaklık dağılımı
25
4.1 Tasarım Parametrelerinin Oluşturulması
Yapılan analizden sonra, boru çapı, borular arası mesafe, kanat uzunluğu, kanat genişliği ve giriş
debi değeri parametre olarak tanımlanmış ve bu parametrelerin basınç düşümü ve ısı transferi
üzerindeki etkisi incelenmiştir.
4.1.1 Tasarım Parametresi Olarak Boru Çapının Etkisi
Başlangıçta modelin boru çapları 7,3 mm alınarak analiz yapılmıştı. Daha sonra boru çapının
sonuçlara etkisini inceleyebilmek için 6 – 9 mm değer aralığı ile elde edilen sonuçlar aşağıdaki gibidir.
Şekil 4.6 Boru çapına ait parametrik sonuçlar
Şekil 4.6’deki veriler kullanılarak aşağıdaki grafikler elde edilmiştir.
26
Isı Transferi Eğrisi
0.1
Isı Transferi [W]
0.095
0.09
0.085
0.08
0.075
0.07
5
6
7
8
Boru Çapı [mm]
9
10
Şekil 4.7 Boru çapı değişiminin kapasiteye etkisi
Isıl kapasiteyi artıran en önemli unsurlardan biri ısı transferinin gerçekleştiği yüzey alanının
artmasıdır. Boru çapının artması da bu alanı arttırdığından ısı transferi miktarı Şekil 4.7’deki grafikte
görüldüğü gibi artmaktadır.
Basınç Düşümü Eğrisi
Basınç Düşümü [Pa]
2.4
2.2
2
1.8
1.6
1.4
1.2
1
5
6
7
8
Boru Çapı [mm]
9
Şekil 4.8 Boru çapı değişiminin basınç düşümüne etkisi
27
10
Akışın gerçekleştiği kesitin daralması akış hızını arttırır. Akış hızı arttıkça da akışkanın çıkış
basıncı düşmektedir. Bu düşüş giriş ile çıkış arasındaki basınç farkını arttırmaktadır. (Şekil 4.8)
4.1.2 Tasarım Parametresi Olarak Debinin Etkisi
Başlangıçtaki model için debi değeri 1.916e-05 kg/s alınarak analiz yapılmıştı. Daha sonra debinin
sonuçlara etkisini inceleyebilmek için 1e-05 – 3e-05 kg/s değer aralığı ile elde edilen sonuçlar
aşağıdaki gibidir.
Şekil 4.9 Debiye ait parametrik sonuçlar
Şekil 4.9’daki veriler kullanılarak aşağıdaki grafikler elde edilmiştir.
Isı Transferi [W]
Isı Transferi Eğrisi
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
5.00E-06 1.00E-05 1.50E-05 2.00E-05 2.50E-05 3.00E-05 3.50E-05
Debi [kg/s]
Şekil 4.10 Debi değişiminin kapasiteye etkisi
Debinin artması ile şekil 4.10’da görüldüğü gibi ısı transferi artmaktadır.
28
Basınç Düşümü Eğrisi
Basınç Düşümü [Pa]
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
5.00E-06
1.00E-05
1.50E-05
2.00E-05 2.50E-05
Debi [kg/s]
3.00E-05
3.50E-05
Şekil 4.11 Debi değişiminin basınç düşümüne etkisi
Akışkan hızının artması, çıkış basıncını düşüreceğinden basınç düşümü artar.
4.1.3 Tasarım Parametresi Olarak Kanat Genişliğinin Etkisi
Başlangıçtaki model için kanat genişliği değeri 10.5 mm alınarak analiz yapılmıştı. Daha sonra
kanat genişliğinin sonuçlara etkisini inceleyebilmek için 9 – 11 mm değer aralığı ile elde edilen
sonuçlar aşağıdaki gibidir.
Şekil 4.12 Kanat genişliğine ait parametrik sonuçlar
Şekil 4.12’deki veriler kullanılarak aşağıdaki grafikler elde edilmiştir.
29
Isı Transferi Eğrisi
0.0855
Isı Transferi [W]
0.085
0.0845
0.084
0.0835
0.083
0.0825
0.082
9
9.5
10
10.5
11
Kanat Genişliği [mm]
11.5
12
Şekil 4.13 Kanat genişliğindeki değişimin kapasiteye etkisi
Soğuk akışkanın aktığı borunun dış yüzeyine temas etmeden geçen sıcak akışkan miktarı
arttığından kapasite düşer.
Basınç Düşümü Eğrisi
Basınç Düşümü [Pa]
2.2
2
1.8
1.6
1.4
1.2
1
9
9.5
10
10.5
11
Kanat Genişliği [mm]
11.5
Şekil 4.14 Kanat genişliğindeki değişimin basınç düşümüne etkisi
Kesit alanı arttığından çıkış basıncı artar, basınç düşümü azalır.
30
12
4.1.4 Tasarım Parametresi Olarak Kanat Uzunluğunun Etkisi
Başlangıçtaki model için kanat uzunluğu değeri 25.4 mm alınarak analiz yapılmıştı. Daha sonra
kanat uzunluğunun sonuçlara etkisini inceleyebilmek için 22 – 27 mm değer aralığı ile elde edilen
sonuçlar aşağıdaki gibidir.
Şekil 4.15 Kanat uzunluğuna ait parametrik sonuçlar
Şekil 4.15’de B sütunda yer alan değerler, şekil 4.16’da görülen H9 uzunluğuna
aittir. (H9 =
H10) Kanat uzunluğuna ait parametrik çalışmanın daha sağlıklı yapılabilmesi için H9 ve H10 değerleri
parametre olarak tanımlanmıştır.
Şekil 4.16 Kanat uzunluğuna ait parametreler
31
Tanımlanan parametre her değiştiğinde, kanat uzunluğunun analiz sonucundaki son değeri
şekil 4.16’da görülen H9, H10 ve H12 değerlerinin toplanmasıyla bulunmuş ve aşağıdaki gibi bir tablo
oluşturulmuştur.
Tablo 4.1 Kanat Uzunluğuna Ait Parametrik Sonuçlar
Kanat Uzunluğu [mm]
Isı Transferi [W]
Basınç Düşümü [Pa]
22,7
0,087101
1,7382
23,7
0,084737
1,6292
24,7
0,084132
1,5794
25,7
0,083378
1,5492
26,9
0,082231
1,5359
Tablo 4.1’de yer alan veriler kullanılarak aşağıdaki grafikler elde edilmiştir.
Isı Transferi Eğrisi
0.088
Isı Transferi [W]
0.087
0.086
0.085
0.084
0.083
0.082
0.081
22
23
24
25
26
Kanat Uzunluğu [mm]
Şekil 4.17 Kanat uzunluğundaki değişimin kapasiteye etkisi
32
27
Boru oturma yüzeyinde tanımlanan sıcaklık değeri, artan kanat uzunluğu sebebiyle daha geniş bir
yüzeye yayılarak kanada ait ortalama sıcaklık değerini arttırır. Sıcaklık farkı azaldığı için de ısı
transferi miktarı da düşer.
Basınç Düşümü Eğrisi
Basınç Düşümü [Pa]
1.75
1.7
1.65
1.6
1.55
1.5
22
23
24
25
Kanat Uzunluğu [mm]
26
Şekil 4.18 Kanat uzunluğundaki değişimin basınç düşümüne etkisi
33
27
KAYNAKLAR
[1] INCROPERA, F.P., DeWITT, D.P., Isı ve Kütle Geçişinin Temelleri, 4. Baskıdan Çeviri, Literatür
Yayıncılık, İstanbul, TÜRKİYE, 2006
[2] KAKAÇ, S., LIU, H., Selection,Rating and Thermal Design of Heat Exchangers, CRC Press,
Florida, ABD
[3] Y. A. Cengel, Heat Transfer: A Practical Approach, 2nd ed., McGraw-Hill, 2003