1. -...

KIRKLARELİ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ

MAK16401 LABORATUVAR-I Hazırlayan: Arş.Gör. Paşa YAMAN Hazırlama Tarihi: 17.09.2019

ÇAPRAZ AKIŞLI ISI DEĞİŞTİRİCİ DENEYİ LABORATUVAR FÖYÜ

LAB REPORT OF CROSS FLOW HEAT EXCHANGER EXPERIMENT

1. Isı Değiştiriciler

Isı değiştiriciler, birbirine karışmaları engellenen sıcaklıkları farklı iki akışkan arasında ısı

değişimini sağlayan aygıtlardır. Isı değiştiriciler, evlerdeki ısıtma ve havalandırma

sistemlerinden büyük fabrikalardaki kimyasal işlem ve güç üretimine kadar çok çeşitli

uygulama alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Isı değiştiricilerin karışma odalarından

farkı, iki akışkanın karışmasına izin vermemeleridir.

Bir ısı değiştiricide ısı transferi genellikle, her bir akışkanın tarafında taşınım ve iki akışkanı

ayıran duvarda iletim içerir. Bir ısı değiştirici çözümlenirken, ısı transferi üzerinde bütün bu

etkilerin katkısını hesaba katan toplam ısı transfer katsayısı U ile çalışılması uygundur. Bir ısı

değiştiricinin bir konumunda iki akışkan arasındaki ısı transfer hızı, o yerdeki sıcaklık farkının

büyüklüğüne bağlıdır. Isı değiştiriciler çok çeşitli tiplerde üretilmektedir; dolayısıyla ısı

değiştiricilerin sınıflandırılması ile başlanmalıdır. Daha sonra ısı değiştiricilerde toplam ısı

transfer katsayısının bulunması ve bazı düzenlemeler için “logaritmik ortalama sıcaklık farkı

(LOSF/LMTD)” tartışılmaktadır. Daha sonra karmaşık ısı değiştirici düzenlerinde ortalama

sıcaklık farkının LOSF’e göre sapmasını hesaba katmak üzere F düzeltme faktörü

tanıtılmaktadır. Sonra, akışkanların çıkış sıcaklıkları bilinmediği zaman ısı değiştirici

çözümlemesini sağlayan etkinlik-NTU yöntemi tartışılmaktadır.

1.1. Çapraz Akışlı Isı Değiştiriciler

Çapraz akışlı ısı değiştiricileri karışan veya karışmayan olarak ikiye ayrılırlar. Isı transferinde

kullanılan akışkanların birbirine yakın farklı yüzeyler içinden aktığı sistemler birbirine

karışmayan ısı değiştiricileri olarak adlandırılır (Şekil-1). İki akışkandan birinin bir kanal içinde

aktığı durumda diğerinin o kanal üzerinden serbestçe aktığı sistemler karışan ısı

değiştiricileridir.

Şekil 1. Birbirine karışmayan (c), birbirine karışan (d) çapraz akışlı ısı değiştirici örnekleri.



Çapraz akışlı ısı değiştiriciler gündelik yaşamda sık sık kullandığımız ısı değiştiricilerindendir.

Araba radyatörleri, klimalar, ısıtma-soğutma-iklimlendirme (HVAC) sistemleri, buzdolapları

ve çeşitli fanlarda çarpraz akışlı ısı değiştiricileri kullanılırlar (Şekil-2).

Şekil-2. A) araba radyatörü, B) klima ısı değiştiricisi, C) ısı geri kazanım ısı değiştiricisi, D)

plakalı ısı değiştiricisi.

2.1.Deneyin Amacı

Bu deneysel çalışmada, akışkanlar mekaniği, termodinamik ve ısı transferi derslerinde edinilen

temel bilgiler kullanılarak, bir ısı değiştiricisinin ısı transferi analizi yapılacaktır. Isı

değiştiricisinde sıcak ve soğuk akışkanların kütlesel debileri ile akışkanlar arası

aktarılan/çekilen ısı transfer miktarları deneysel olarak belirlenecek ve sistem için logaritmik

sıcaklık farkı ve toplam ısı transferi katsayısı hesaplanacaktır.

2.2.Deney Düzeneğinin Tanıtımı

TICF model çapraz akışlı ısı değiştiricisi içinde fan ve radyatörün bulunduğu dikdörtgen prizma

bir hava kanalından oluşmaktadır. Bu ısı değiştirici deney düzeneğinde, sadece sıcak su

sirkülasyonu mevcuttur. Sıcak suyun radyatör içinden geçerken fan ile radyatör üzerine hava

A B

C D



üflenmektedir. Oda sıcaklığındaki hava radyatöre temas ettikten sonra ısınarak hava kanalını

terketmektedir. Bu esnada kanal girişinde ve kanal çıkışında hava sıcaklıkları ölçülüp, hava hızı

da anlık olarak kaydedilmektedir. Havan kanalı PMMA malzemeden üretilmiş olup, boyutları

800 mm x 200 mm x 200 mm’dir. Kullanılan fanın maksimum debisi 600 m3/h’tir. Radyatör

malzemesi alüminyumdur ve radyatör ısı transfer alanı 35000 mm2’dir. Kullanılan ısılçiftler J

tipidir. Hava hız sensörü ölçüm aralığı 0~4 m/s’dir. Sistemin çalışması için 220 V ve 50 Hz’lik

güç kaynağı gerekmektedir. Çalışma akışkanı olarak çeşme suyu kullanılacaktır.

Şekil 3. TIVS model bobin tank ısı değiştiricisi deney düzeneği.

10: Fan

11: Radyatör

12: Sıcak su giriş ve çıkış küresel vanaları

13: Sıcak su giriş sıcaklığını ölçen ısılçift

14: Sıcak su çıkış sıcaklığını ölçen ısılçift

15: Hava giriş sıcaklığını ölçen ısılçift

16: Hava çıkış sıcaklığını ölçen ısılçift

17: Hava hız sensörü



2.3.Paralel ve Karşıt Akışlı Isı Değiştiricilerinin Genel Sıcaklık Dağılım Grafikleri

Tsıcak,giriş= Sıcak su giriş sıcaklığı (°C)

Tsıcak,çıkış= Sıcak su çıkış sıcaklığı (°C)

Tsoğuk,giriş= Soğuk su giriş sıcaklığı (°C)

Tsoğuk,çıkış= Soğuk su çıkış sıcaklığı (°C)

2.3.1. Logaritmik Ortalama Sıcaklık Farkı (LMTD Yöntemi)

∆𝑇𝑙𝑚 =∆𝑇1 − ∆𝑇2

𝑙𝑛(∆𝑇1 ∆𝑇2⁄ )

ΔT1: Tsıcak,giriş - Tsoğuk,giriş ΔT1: Tsıcak,giriş - Tsoğuk,çıkış

ΔT2: Tsıcak,çıkış - Tsoğuk,çıkış ΔT2: Tsıcak,çıkış - Tsoğuk,giriş

�̇� = 𝑈 ∙ 𝐴𝑠 ∙ ∆𝑇𝑙𝑚

U: toplam ısı transfer katsayısı, (W/m2K)

As: ısı transfer yüzey alanı, (m2)

ΔTlm: ortalama logaritmik sıcaklık farkı, (°C)

�̇�: ısı transfer hızı, (W)

Tsıcak, giriş

Tsıcak, çıkış

Tsoğuk, çıkış

Tsoğuk, giriş

Tsoğuk, çıkış

Tsoğuk, giriş

Tsıcak, giriş

Tsıcak, çıkış ΔT1 ΔT2

ΔT2

ΔT1

Paralel Akış Karşıt Akış

(1)

(2)



2.3.2. Çapraz Akışlı Isı Değiştiricilerde Düzeltme Faktörü

Logaritmik ortalama sıcaklık farkı bağıntısı, yalnızca paralel akışlı ve karşıt akışlı ısı

değiştiricilerle sınırlıdır. Çapraz akışlı durumlarda eşdeğer sıcaklık farkı ile karşıt akışlı

durumdaki logaritmik ortalama sıcaklık farkı aşağıdaki gibi ilişkilendirmelidir.

∆𝑇𝑙𝑚 = 𝐹 ∙ ∆𝑇𝑙𝑚,𝐾𝐴

Bu denklemde F düzeltme faktörüdür. Düzeltme faktörü, ΔTlm’nin karşıt akışlı durumdaki

karşılığı olan değerden sapmanın ölçüsüdür. F düzeltme faktörü P ve R sıcaklık oranları ile elde

edildikten sonra aşağıda verilen düzeltme faktörü grafiklerinden alınmalıdır.

𝑃 =𝑡2 − 𝑡1

𝑇1 − 𝑡1

𝑅 =𝑇1 − 𝑇2

𝑡2 − 𝑡1

1 ve 2 alt indisleri sırasıyla giriş ve çıkışı gösterir. Düzeltme faktörü grafiklerinde görüldüğü

gibi gövde borulu bir ısı değiştiricisi için T ve t sırayla gövde ve boru tarafındaki sıcaklıkları

gösterir.

Şekil 3. F düzeltme faktörü grafiği.

P



2.3.3. Isı Transfer Hızını Kullanarak Toplam Isı Transfer Katsayısının

Bulunması

İki akışkan arasındaki ısı transfer hızı:

Isı değiştiricilerin çözümlenmesinde, sıcak akışkandan soğuk akışkana olan ısı akışı yönünde

bütün ısıl dirençleri tek R direncinde toplamak ve iki akışkan arasındaki ısı transfer hızını,

𝑄 =∆𝑇

𝑅= 𝑈 ∙ 𝐴𝑠 ∙ ∆𝑇 = 𝑈𝑖ç ∙ 𝐴𝑖ç ∙ ∆𝑇 = 𝑈𝑑𝚤ş ∙ 𝐴𝑑𝚤ş ∙ ∆𝑇

1

𝑈 ∙ 𝐴𝑠=

1

𝑈𝑖ç ∙ 𝐴𝑖ç=

1

𝑈𝑑𝚤ş ∙ 𝐴𝑑𝚤ş= 𝑅

1

𝑈≈

1

ℎ𝑖ç+

1

ℎ𝑑𝚤ş

Sıcak akışkanın ısı transfer hızı:

𝑞𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛 = �̇�𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛 ∙ 𝑐𝑝𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛∙ (𝑇𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘,𝑔𝑖𝑟𝑖ş − 𝑇𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘,ç𝚤𝑘𝚤ş)

msıcak akışkan: sıcak akışkanın kütlesel debisi, (g/s)

cp,sıcak akışkan: sıcak akışkanın özgül ısısı, (J/g.K)

qsıcak akışkan: sıcak akışkanın ısı transfer hızı (W veya J/s)

Soğuk akışkanın ısı transfer hızı:

�̇�𝑠𝑜ğ𝑢𝑘 𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛 = �̇�𝑠𝑜ğ𝑢𝑘 𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛 ∙ 𝑐𝑝𝑠𝑜ğ𝑢𝑘 𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛∙ (𝑇𝑠𝑜ğ𝑢𝑘,ç𝚤𝑘𝚤ş − 𝑇𝑠𝑜ğ𝑢𝑘,𝑔𝑖𝑟𝑖ş)

msoğuk akışkan: soğuk akışkanın kütlesel debisi, (g/s)

cp,soğuk akışkan : soğuk akışkanın özgül ısısı, (J/g.K)

qsoğuk akışkan: soğuk akışkanın ısı transfer hızı (W veya J/s)

Teorik olarak �̇�𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛 ile �̇�𝑠𝑜ğ𝑢𝑘 𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛 aynı olması gerektiğinden ve ısı transferi sıcaktan

soğuğa doğru gerçekleştiğinden dolayı toplam ısı transfer katsayısını bulmak için �̇�𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛

kullanılacaktır.

�̇�𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛 = 𝑈 ∙ 𝐴𝑠 ∙ ∆𝑇𝑙𝑚

(6)

(7)

(8)

(3)

(4)

(5)



3. Deneyden İstenenler

a) Deney düzeneğini şematik olarak çiziniz. Isı geçişini gösteren grafiği Excel ile çiziniz. Akışın

türünü (paralel/karşıt/çapraz) belirtiniz.

b) Isı değiştiricisine giren sıcak ve soğuk suyun termofiziksel özelliklerini tablo halinde yazınız.

c) Suya olan ısı transfer miktarını hesaplayınız.

d) İki akış arasındaki logaritmik sıcaklık farkını hesaplayınız ve deneysel toplam ısı geçiş

katsayısını hesaplayınız.

e) Düzeltme faktörünü elde etmek için gerekli oranları (P ve R) bulunuz.

f) 𝑈𝑟𝑎𝑑𝑦𝑎𝑡ö𝑟’ü hesaplayınız.

ÖRNEK UYGULAMA:

Deneyde ölçülen değerler: (Çapraz akış)

𝑇𝑠𝑢,𝑔𝑖𝑟𝑖ş = 54.9°𝐶 𝑇ℎ𝑎𝑣𝑎,𝑔𝑖𝑟𝑖ş = 27.1°𝐶

𝑇𝑠𝑢,ç𝚤𝑘𝚤ş = 48.3°𝐶 𝑇ℎ𝑎𝑣𝑎,ç𝚤𝑘𝚤ş = 44.0°𝐶

�̇�𝑠𝑢 = 2.0 𝐿

𝑑𝑘 𝑣ℎ𝑎𝑣𝑎 = 1.25

𝑚

𝑠

𝐴𝑟𝑎𝑑𝑦𝑎𝑡ö𝑟 = 0.035 𝑚2

𝑇𝑠𝑢,𝑜𝑟𝑡 =𝑇𝑠𝑢,𝑔𝑖𝑟𝑖ş + 𝑇𝑠𝑢,ç𝚤𝑘𝚤ş

2=

54.9°𝐶 + 48.3°𝐶

2= 51.6°𝐶

≈ 𝑡𝑎𝑏𝑙𝑜 𝑜𝑘𝑢𝑚𝑎 𝑖ç𝑖𝑛 50°𝐶 𝑎𝑙𝚤𝑛𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑟

Yunus Çengel Isı Transferi kitabının tablolarından “tablo A-9 doymuş suyun özellikleri”

Suyun 50°C’deki termofiziksel özellikleri:

25°C

30°C

35°C

40°C

45°C

50°C

55°C

60°C

Su Hava



ρ = 965.3 kg/m3k = 0.637 W/m.K

cp = 4206 J/kg.K

�̇�𝑠𝑢 = �̇�𝑠𝑢 ∙ 𝑐𝑝 @50°𝐶 ∙ (𝑇𝑠𝑢,𝑔𝑖𝑟𝑖ş − 𝑇𝑠𝑢,ç𝚤𝑘𝚤ş)

�̇�𝑠𝑢 = 𝜌@50°𝐶 . �̇�

�̇�𝑠𝑢 [𝑘𝑔

𝑠] = 965.3

𝑘𝑔

𝑚3∙ 2.0

𝐿

𝑑𝑘∙

1 𝑑𝑘

60 𝑠∙

1 𝑚3

1000 𝐿

�̇�𝒔𝒖 = 0.032 [𝑘𝑔

𝑠] ∙ 4206 [

𝐽

𝑔. °𝐶] ∙ (54.9°𝐶 − 48.3°𝐶)

�̇�𝒔𝒖 = 𝟖𝟖𝟕 𝑾

�̇�𝑠𝑢 = 𝑈𝑟𝑎𝑑𝑦𝑎𝑡ö𝑟 ∙ 𝐴𝑟𝑎𝑑𝑦𝑎𝑡ö𝑟 ∙ 𝐹 ∙ ∆𝑇𝑙𝑚,𝐾𝐴

𝑈𝑟𝑎𝑑𝑦𝑎𝑡ö𝑟 =𝑞

𝐴 ∙ 𝐹 ∙ ∆𝑇𝑙𝑚,𝐾𝐴

∆𝑇𝑙𝑚 =∆𝑇1 − ∆𝑇2

𝑙𝑛∆𝑇1

∆𝑇2

=(54.9°𝐶 − 44.0°𝐶) − (48.3°𝐶 − 27.1°𝐶)

𝑙𝑛(54.9°𝐶 − 44.0°𝐶)(48.3°𝐶 − 27.1°𝐶)

= 𝟏𝟓. 𝟒𝟖 °𝑪

𝑃 =𝑡2 − 𝑡1

𝑇1 − 𝑡1=

48.3°𝐶 − 54.9°𝐶

27.1°𝐶 − 54.9°𝐶= 𝟎. 𝟐𝟑𝟕

𝑅 =𝑇1 − 𝑇2

𝑡2 − 𝑡1=

27.1°𝐶 − 44.0°𝐶

48.3°𝐶 − 54.9°𝐶= 𝟐. 𝟓𝟓𝟔

P=0.237 ve R=2.556 oranlarına göre Şekil-3’te verilen grafikten F düzeltme faktörü 0.96

olarak okunur.

𝑈𝑟𝑎𝑑𝑦𝑎𝑡ö𝑟 =𝑞

𝐴𝑜𝑟𝑡 ∙ 𝐹 ∙ ∆𝑇𝑙𝑚,𝐾𝐴=

887 𝑊

0.035 ∙ 0.96 ∙ 15.48°𝐶

𝑼𝒓𝒂𝒅𝒚𝒂𝒕ö𝒓 = 𝟏𝟕𝟎𝟓. 𝟑𝟓 𝑾

𝒎𝟐 °𝑪

F=0.96

1. -...

Documents

Transcript of 1. -...