Isıl performans

Dairesel borulu kanatlı ara soğutucunun dört farklı dolgu havası giriş sıcaklığında, soğutma havası kütlesel debisine göre soğutma kapasitesindeki değişim Şekil 4.1.’de gösterilmiştir. Dolgu havasının ara soğutucuya giriş sıcaklığı yükseldikçe doğru orantılı olarak ara soğutucunun soğutma kapasitesi de yükselmektedir. Bununla beraber soğutma havası kütlesel debisinin soğutma kapasitesine etkisi bu grafikten anlaşılamamaktadır. Bu nedenle soğutma havası kütlesel debisindeki artışın ara soğutucunun soğutma kapasitesi üzerindeki etkisini incelemek için Şekil 4.2. hazırlanmıştır. Şekil 4.2.’de deneyler sırasında soğutma havasının en düşük ve en yüksek debilerine karşılık dolgu havası sıcaklığındaki artışın dairesel borulu kanatlı ara soğutucunun soğutma kapasitesini nasıl etkilediği gösterilmektedir. Şekilden farklı

soğutma havası kütlesel debilerinde dolgu havası giriş sıcaklığındaki artışın hemen hemen aynı oranda soğutma kapasitesini arttırdığı görülmektedir. Dolayısıyla Şekil 4.2.’deki eğrilerin denklemleri ara soğutucunun test edildiği aralıkta dolgu havası sıcaklığına bağlı olarak gerçekleşecek ısı transferinin hesaplanmasında kullanılabilir.

Şekil 4.1. Dairesel borulu kanatlı ara soğutucunun farklı dolgu havası giriş sıcaklıklarında soğutma havası

kütlesel debisine bağlı olarak değişen soğutma kapasitesi

Şekil 4.2. Dairesel borulu kanatlı ara soğutucunun maksimum ve minimum soğutma havası kütlesel

debilerinde dolgu havası giriş sıcaklığına bağlı olarak değişen soğutma kapasitesi

Şekil 4.2.’deki eğrilerin denklemlerine göre yazılan (4.1), ara soğutucunun test edildiği aralıkta dolgu havası sıcaklığına bağlı olarak gerçekleşecek ısı transferinin hesaplanmasında yaklaşık olarak doğru sonuç verecektir.

14.382 - T 10 4.65 Q. _{ } -2 _(4.1)

Dairesel borulu kanatlı ara soğutucu için literatürden seçilen analitik ve deneysel ısı taşınım katsayılarına ve ε-NTU yöntemine göre hesaplanan soğutma kapasitesi değerleri ile bu çalışma kapsamında bulunan deneysel soğutma kapasitesi değerlerinin karşılaştırılması Şekil 4.3.’de verilmiştir.

Şekil 4.3. Analitik ve deneysel ısı taşınım katsayılarına göre hesaplanan soğutma kapasiteleri ile

çalışmadaki deneysel soğutma kapasitesi değerlerinin karşılaştırılması

Bu çalışma kapsamında dairesel borulu kanatlı ara soğutucu için deneysel olarak bulunan soğutma kapasitesi değerleri ile en yakın soğutma kapasitesi değerleri, Kays ve London (1998)’dan seçilen ve yazarların çalışmalarında literatürdeki analitik ve deneysel ısı taşınım katsayılarını dairesel borulu ısı değiştiriciler için grafik formatında sundukları veri grafiğinden ε-NTU yöntemi kullanılarak elde edilmiştir. Sonuçlar arasında yaklaşık %13-19 fark (yaklaşık 0.5-0.7 kW) bulunmaktadır. Sonuçlar arasında ortaya çıkan bu fark bazı deneysel şartların farklılığından (sabit yüzey sıcaklığında ısı transferi, ölçülerdeki farklılıklar v.b.), deneysel belirsizliklerden ve ısı değiştiricilerin dağıtıcı ve toplayıcı tasarımlarından kaynaklanmaktadır. Bununla beraber dairesel borulu kanatlı ara soğutucunun performansını öngörmek için Kays ve London (1998)

dan seçilen ve bu çalışmadaki deneysel sonuçlara en yakın sonucu veren veri grafiği kullanılabilir.

Deneysel veriler kullanılarak hesaplanan ε-NTU değişimi Şekil 4.4.’te gösterilmiştir. Şekil 4.4.’te görülen etkenlik değerlerinin değişimi ısı değiştiricilerine ait literatürde çapraz akışlı ve akışkanların birbirine karışmadığı durum için farklı Cr oranlarında çizilen ε-NTU grafikleri ile benzerlik göstermektedir. Bu grafiklere Kays ve London (1998), Altınışık (2003) ve Mills (1999) kaynaklarından ulaşılabilir. Şekil 4.5.’te çapraz akışlı bir ısı değiştiricide akışkanların birbirine karışmadığı durum için farklı kapasite oranlarında ε-NTU grafiği çizilmiştir. Özellikle deneylerin yapıldığı Cr oranlarına yakın olan Cr=0.2 eğrisinin 1-2 NTU aralığına bakıldığında hem eğim hem de etkenlik değerleri büyük oranda benzeşmektedir.

Şekil 4.4. Dairesel borulu kanatlı ara soğutucuya ait ε-NTU grafiği

Dairesel borulu kanatlı ara soğutucuda, soğutma havası tarafındaki ısı transfer yüzey alanı kanatlarla arttırılmıştır. Bu kanatlar üzerinde dalgalı formda sınır tabakayı bozacak saptırıcılar bulunmaktadır. Bu saptırıcıların amacı ısı taşınım katsayısının ve dolayısıyla ısı transferinin iyileştirilmesidir. Farklı soğutma havası kütlesel debi değerlerine bağlı olarak farklı fin içi Re sayısı değerleri oluştuğu için soğutma havası tarafındaki ısı taşınım katsayısı kullanılarak hesaplanan j faktörünün Re sayısı ile değişimi Şekil 4.6.’da, Nu sayısının Re sayısı ile değişimi Şekil 4.7.’de verilmiştir.

Şekil 4.5. Çapraz akışlı bir ısı değiştiricide akışkanların birbirine karışmadığı durum için farklı kapasite

oranlarında ε-NTU

Şekil 4.6. Soğutma havası tarafında hesaplanan j faktörünün Re sayısı ile değişimi

Dairesel borulu kanatlı ara soğutucunun test edildiği aralıkta, hesaplanan bir Re sayısına göre j ve Nu değerini bulabilmek için Şekil 4.6. ve Şekil 4.7.’de verilen eğrilerin denklemleri kullanılabilir. Re sayısı kullanılarak j faktörünün hesaplanacağı eşitlik (4.2)’de, Nu sayısının hesaplanacağı eşitlik ise (4.3)’de verilmiştir.



 







Şekil 4.7. Soğutma havası tarafında hesaplanan Nu sayısının Re sayısı ile değişimi

Deneylerin yapıldığı aralıkta ara soğutucu içerisinde üretilen toplam tersinmezlik değerlerinin, dört farklı dolgu havası giriş sıcaklığında soğutma havasının ara soğutucuya giriş hızına göre değişimi Şekil 4.8.’de verilmiştir.

Şekil 4.8. Üretilen toplam tersinmezlik değerlerinin dört farklı dolgu havası giriş sıcaklığında soğutma

havasının ara soğutucuya giriş hızına göre değişimi

Ara soğutucu içerisinde üretilen tersinmezliğin soğutma havası hızı ile arttığı görülmektedir. Bu artış özellikle 333 K ve 353 K dolgu havası giriş sıcaklıklarında daha belirgindir. Bunun sebebi, bu sıcaklıklarda akışkanlar arasında daha az bir ısı transferi

gerçekleşirken, hemen hemen aynı oranda basınç düşüşüne bağlı olarak gerçekleşen tersinmezlik üretiminin büyüklüğüdür. Tersinmezlik üretimi, soğutma havası ortalama hızı ile artmaktadır. Çünkü soğutma havasının ortalama hızındaki artışa bağlı olarak soğutma havası tarafında basınç düşüşü ve tersinmezlik artmaktadır. Üretilen tersinmezliğin bileşenlerine ayrılmış olarak gösterimi Şekil 4.9.’da verilmiştir.

a b

c d

Şekil 4.9. Dairesel borulu kanatlı ara soğutucu içerisinde üretilen tersinmezliğin ısı geçişi ve basınç

düşüşü bileşenlerine ayrılmış olarak gösterimi

Şekil 4.9.’dan da görüleceği üzere, yüksek sıcaklık farkında artan ısı transferi nedeniyle, önlenemez tersinmezlik bileşeni olan sonlu sıcaklık farkında ısı geçişinden kaynaklanan tersinmezlik bileşeni artmaktadır. Bununla beraber önemli bir tersinmezlik kaynağı olan soğutma havası basınç düşüşü, soğutma havası hızı azaltılarak belirli oranda önlenebilir. Şekil 4.1.’de soğutma havası kütlesel debi değerinin dairesel borulu kanatlı ara soğutucuda deneyler sırasında test edilen kapasite oranlarında soğutma kapasitesini fazla etkilemediği gösterilmiştir. Soğutma havası hızı azaltılarak üretilen tersinmezliğin maksimum %45’i, minimum %30’u önlenebilir.

Şekil 4.10.’da dairesel borulu kanatlı ara soğutucu için ekserji veriminin (rasyonel verim) soğutma havası hızına göre değişimi gösterilmiştir. Ara soğutucunun

ekserji verimi %20-40 arasında değişmektedir. Bu aralıkta en yüksek değer, akışkanlar arası sıcaklık farkının en az olduğu dolgu havası sıcaklığının 333 K değeridir. Artan soğutma havası hızlarında verim değerleri birbirine çok yaklaşmaktadır. Özellikle yüksek soğutma havası hızlarında verim değerleri arasındaki dalgalanma, deneysel belirsizlik ile açıklanabilir.

Şekil 4.10. Dairesel borulu kanatlı ara soğutucu için ekserji veriminin (rasyonel verim) soğutma havası

hızına göre değişimi