ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
SOĞUTMA SĠSTEMĠ KILCAL BORU EMĠġ HATTI ISI DEĞĠġTĠRĠCĠSĠNĠN SAYISAL VE DENEYSEL MODELLENMESĠ
YÜKSEK LĠSANS TEZĠ ESRA ÜNVER
Esra ÜNVER
Anabilim Dalı : Makina Mühendisliği Programı : Isı AkıĢkan
Tez DanıĢmanı: Yrd. Doç. Dr. Ġ. Yalçın URALCAN
AĞUSTOS 2011
ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Esra ÜNVER
503081110
Tezin Enstitüye Verildiği Tarih: 06 Mayıs 2011
Tezin Savunulduğu Tarih: 12 Ağustos 2011
Tez DanıĢmanı: Yrd. Doç. Dr. Ġ. Yalçın URALCAN (ĠTÜ) Diğer Jüri Üyeleri: Prof. Dr. Ġ. Cem PARMAKSIZOĞLU (ĠTÜ)
Prof. Dr. Ġsmail TEKE (YTÜ)
SOĞUTMA SĠSTEMĠ KILCAL BORU EMĠġ HATTI ISI DEĞĠġTĠRĠCĠSĠNĠN SAYISAL VE DENEYSEL MODELLENMESĠ
ÖNSÖZ
Yüksek Lisans eğitimim boyunca gerek tez aşamasında gerekse gündelik herhangi bir konuda yardımını hiç bir zaman esirgemeyen danışman hocam Sayın Yrd. Doç. Dr. İ. Yalçın URALCAN’a sonsuz saygı ve teşekkürlerimi sunarım.
Ayrıca İTÜ Makine Fakültesi Isı Tekniği Laboratuarı Teknisyenleri Mehmet Kumcu, Niyazi Güven ve Kazım Can’a, Araştırma Görevlisi olarak çalıştığım süreçte manevi desteklerini ve dostluklarını her zaman hissettiğim Arş. Grv. Mak. Yük. Müh. Emrah Deniz ve Orhan Veli Kazancı'ya, çalışma ortamını paylaştığım sevgili arkadaşım Mak. Yük. Müh. Sevilay Gürbüz ve tez sürecimin bir kısmında ortak çalışma fırsatı bulduğum Mak. Yük. Müh. İsmail Tutumel'e teşekkürlerimi sunarım.
Bu zorlu süreçte göstermiş olduğu özverisi ve hayatı güzel kıldığı için Mak. Müh. Aykut Koç'a ve son olarak bugüne gelmemi sağlayan, maddi ve manevi desteklerini hiç bir zaman esirgemeyen AİLEME sonsuz teşekkürler...
Ağustos 2011 Esra ÜNVER
vii ĠÇĠNDEKĠLER Sayfa ÖNSÖZ ... v ĠÇĠNDEKĠLER ... vii KISALTMALAR ... ix SEMBOL LĠSTESĠ ... xi
ÇĠZELGE LĠSTESĠ ... xiii
ġEKĠL LĠSTESĠ ... xv ÖZET ... xvii SUMMARY ... xix 1. GĠRĠġ ... 1 1.1 Tezin Amacı ... 2 1.2 Kaynak Çalışması ... 3
2. KILCAL BORU- EMĠġ HATTI ISI DEĞĠġTĠRĠCĠSĠ (CT-SLHX) ... 7
2.1 Soğutma Çevrimi ... 7
2.2 Buzdolabı Soğutma Sistemi ... 8
2.2.1 Buzdolabı sistem elemanları ... 10
2.2.1.1 Kompresör 10 2.2.1.2 Yoğuşturucu 11 2.2.1.3 Kılcal (kapiler) boru 12 2.2.1.4 Buharlaştırıcı 13 2.2.1.5 Kurutucu (Filtre) 13 2.2.1.6 Termostat 13 2.2.1.7 Soğutucu akışkan 13 2.3 Kılcal Boru İle İlgili Temel Kavramlar ... 14
2.3.1 CT-SLHX çeşitleri ... 14
2.3.1.1 Adyabatik kılcal boru 14 2.3.1.2 Adyabatik olmayan kılcal boru 15 2.3.2 CT-SLHX ’da akış özellikleri ... 17
2.3.2.1 Kararsız Bölge (Metastable Phenomenon) 17 2.3.2.2 İki Fazlı Akış Bölgesi 18 3. CT-SLHX’DE AKIġ VE ISI GEÇĠġĠ ... 19
3.1 Tek Fazlı Akış ... 19
3.1.1 Düz boru içinde akış ... 19
3.1.2 Halka kesitli boru ... 23
3.2 İki Fazlı Akış ... 25
3.2.1 Yatay borularda iki fazlı akış tipleri ... 25
3.2.2 Düşey borularda iki fazlı akış tipleri ... 27
3.3 İki Fazlı Akışlarda Çözümleme Yaklaşımları ... 28
3.3.1 Homojen model ... 29
4. SAYISAL MODELLEME ... 33
4.1 Akış Diyagramı ve Modelde Kullanılan Denklemler ... 35
5. DENEY SĠSTEMĠ ... 43
5.1 CT-SLHX ... 45
5.2 Soğutma Sisteminin Diğer Bileşenleri ... 46
5.3 Deney Sistemi Ölçme Cihazları ... 47
5.3.1 Isıl çift ... 47
5.3.2 Basınç transmitteri (transducer) ... 48
5.3.3 Veri toplama cihazı (data logger) ... 49
5.3.4 Sürücü... 49
5.3.5 Sayaç ... 50
6. DENEY SONUÇLARI ... 51
6.1 Sıcaklık- Basınç Ölçümleri... 51
6.1.1 Tüm soğutma sistemi üzerinde yapılan ölçümler ... 51
6.1.2 CT-SLHX üzerinde yapılan ölçümler ... 52
6.1.3 Güç ölçümleri ... 53
6.2 Kompresör Karakteristiğinin Elde Edilmesi ... 54
6.2.1 Soğutma kapasitesi ve hacimsel verim... 54
6.3 Sayısal Model Sonuçları ve Karşılaştırma ... 59
6.3.1 Düşey CTSLHX ... 59
6.3.2 Yatay CT-SLHX ... 64
6.3.3 Matematik model ile deney sonuçlarının karşılaştırılması ... 68
7. SON DEĞERLENDĠRME VE ÖNERĠLER... 71
KAYNAKLAR ... 73
ix
KISALTMALAR
AC : Alternatif akım
COP : Coefficient of performance (Soğutma tesir katsayısı)
CT-SLHX : Capillary Tube Suction Line Heat Exchanger (Kılcal boru emiş hattı- ısı değiştiricisi)
EH : Emiş hattı
HX : Heat Exchanger
ID : Isı değiştirici
xi
SEMBOL LĠSTESĠ
A : Isı transfer yüzey alanı [m2] Bo : Bond Sayısı [-]
Cp : Özgül ısı [kJ/kgK] dd : Kılcal boru dış çapı [m] dh : Hidrolik ça p [m]
di : Kılcal boru iç çapı [m] do : Isı değiştiricisi iç çapı [m]
dx : Sonlu farklar hesabı için ayrıklaştırılmış CT-SLHX hücresi DPi : Basınç düşümü [Pa]
f : Sürtünme katsayısı [-]
ff : Akışın yalnızca sıvı olduğu durumlarda sürtünme katsayısı [-]
ffo : Net akışın yalnızca sıvı kabul edildiği durumlarda sürtünme katsayısı [-] Fo : Froude Sayısı [-]
ftp : İki fazlı akışlarda sürtünme katsayısı [-] g : Yerçekimi ivmesi [m/s2]
Gk : Kütlesel akı [kg/m2s]
h : Isı tasınım katsayısı [W/m2K] jg* : Buhar için boyutsuz hacimsel akı [-] k : Isı iletim katsayısı [W/mK]
L : CT-SLHX uzunluğu [m] m : Soğutucu akışkan debisi [kg/s] Nu : Nusselt Sayısı [-] P : Güç [W] Pr : Prandtl Sayısı [-] q : Isı akısı [W/m2] Q : Isıl kapasite [W] R : Sıkıştırma oranı [-] Re : Reynolds Sayısı [-] T : Sıcaklık [°C]
UA : Toplam ısı geçiş katsayısı [W/K] V0 : Akışkan hızı [m/s]
Vsil : Strok hacmi [m3] W : Kompresör işi [kW] We : Weber Sayısı [-] x : Kuruluk derecesi [-]
X : Lockhart- Martinelli parametresi [-]
Yunan harfleri
α : Boşluk oranı [-]
ΔP : Birim boya indirgenmiş basınç düşüşü [Pa/m] ΔT : Sıcaklık farkı [°C]
ΔTm : Logaritmik sıcaklık farkı [-]
μ : Dinamik viskozite [Pa.s] ν : Özgül hacim [m3/kg] ρ : Yoğunluk [kg/m3
] σ : Yüzey gerilimi [N/m]
ϕf2 : Akışın yalnızca sıvı olduğu durumlarda basınç düşümüne dayanan iki
fazlı sürtünme çarpanı [-]
ϕfo2 :Net akışın yalnızca sıvı kabul edildiği durumlarda basınç düşümüne
dayanan iki fazlı sürtünme çarpanı [-] Ω : Boyutsuz parametre [-] Alt indisler eq : equal (eş) f : fluid (sıvı) g : gaz in : inner (iç) lam : laminer m : mean (ortalama) o : outer (dış) out : dış
ref : refrigerant (soğutucu akışkan)
s : sıvı
tur : türbülanslı v : vapour (gaz)
x : dx elemanı kılcal tarafı y : dx elemanı emiş hattı tarafı
xiii
ÇĠZELGE LĠSTESĠ
Sayfa Çizelge 1.1 : Kılcal borunun fiziksel modelleme sürecinde kullanılan parametreleri . 4
Çizelge 1.2 : Modelde kullanılan CT-SLHX parametreleri... 6
Çizelge 3.1 : Bir yüzeyi yalıtılmış diğeri sabit sıcaklıkta olan ortak eksenli borular arasındaki halkasal bölgede tam gelişmiş laminer akış için Nusselt sayısı ... 24
Çizelge 5.1 : Malzemelerine göre ısıl çift türleri ... 48
Çizelge 6.1 : Düşey CT-SLHX için soğutma sistemi kritik noktalarının sıcaklık ve basınç değerleri ... 51
Çizelge 6.2 : Yatay CT-SLHX için soğutma sistemi kritik noktalarının sıcaklık ve basınç değerleri ... 52
Çizelge 6.3 : Düşey CT-SLHX’ de ısı değiştiricisi üzerinde yapılan sıcaklık ölçümleri ... 52
Çizelge 6.4 : Yatay CT-SLHX’ de ısı değiştiricisi üzerinde yapılan sıcaklık ölçümleri ... 53
Çizelge 6.5 : Buharlaşma ve yoğuşma sıcaklığına bağlı kompresör soğutma kapasitesi (W) ... 54
Çizelge 6.6 : Emiş hattı ısı değiştiricisinin konumlanmasına ve frekansa bağlı güç değerleri ... 55
Çizelge 6.7 : Kompresörün hacimsel verimini etkileyen faktörler ... 56
Çizelge 6.8 : Yatay CT-SLHX kullanılan sistem için teorik debi hesabı ... 58
Çizelge 6.9 : Düşey CT-SLHX kullanılan sistem için teorik debi hesabı ... 58
Çizelge 6.10 : Yatay CT-SLHX kullanılan sistem için gerçek debi hesabı ... 59
Çizelge 6.11 : Düşey CT-SLHX kullanılan sistem için gerçek debi hesabı ... 59
Çizelge 6.12 : CT-SLHX konumuna bağlı gerçek ve teorik debi kıyaslaması ... 59
Çizelge 6.13 : Düşey KB ve EH giriş çıkışında ölçülen ve sayısal modelle hesaplanan basınç ve sıcaklıkların karşılaştırılması ... 69
Çizelge 6.14 : Yatay KB ve EH giriş çıkışında ölçülen ve sayısal modelle hesaplanan basınç ve sıcaklıkların karşılaştırılması ... 69
xv
ġEKĠL LĠSTESĠ
Sayfa
ġekil 1.1 : Adyabatik olmayan giriş bölgesi olan CT-SLHX şematik görünümü ... 6
ġekil 2.1 : İdeal buhar sıkıştırmalı çevrim, P- h ve T- s diyagramlarında gösterimi ... 7
ġekil 2.2 : İdeal ve gerçek buhar sıkıştırmalı çevrimin P-h diyagramları ... 8
ġekil 2.3 : Buzdolabı soğutma çevrimi ... 9
ġekil 2.4 : Arka duvar yoğuşturucu ... 12
ġekil 2.5 : Adyabatik kılcal boru buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi, (a) çevrim .... 15
şeması, (b) P-h diyagramı (Kahn vd. ,2009) ... 15
ġekil 2.6 : Adyabatik olmayan kılcal boru için buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi, 15 (a) çevrim şeması, (b) P-h diyagramı (Kahn vd. ,2009) ... 15
ġekil 2.7 : Yanal ve eşmerkezli CT-SLHX (Kahn vd.,2009) ... 16
ġekil 2.8 : Adyabatik (a) ve adyabatik olmayan (b) kılcal boru boyunca ... 17
sıcaklık ve basınç değişimleri, (Kahn vd, 2008) ... 17
ġekil 3.1 : Halka kesitli borularda laminer akış için çap oranına bağlı faktörü ... 23
(Heat Atlas) ... 23
ġekil 3.2 : Yatay borularda iki fazlı akış tipleri (Collier ve Thome, 1996) ... 26
ġekil 3.3 : Düşey borularda iki fazlı akış tipleri (Collier ve Thome, 1996) ... 27
ġekil 4.1 : CT-SLHX' in şematik gösterimi ... 33
ġekil 4.2 : Sonlu farklar yöntemi ile ayrıklaştırılmış CT-SLHX yapısı ... 34
ġekil 4.3 : Sonlu farklar yöntemi için oluşturulmuş dx hücresi, giriş- çıkış halleri .. 34
ġekil 4.4 : Sayısal modellemede izlenen akış diyagramı ... 36
ġekil 5.1 : Buzdolabı soğutma çevrimi devre elemanları ... 43
ġekil 5.2 : Deney sistemindeki kritik noktaların P-h diyagramı üzerinde ... 44
gösterilmesi ... 44
ġekil 5.3 : Deney sisteminde kullanılan CT-SLHX’ın 3 boyutlu modeli ... 45
ġekil 5.4 : CT-SLHX’ın kesit görünüşü ... 45
ġekil 5.5 : Keller PAA-21Y serisi basınç tranmitteri ... 48
ġekil 5.6 : Keitley 2750 marka veri toplama cihazı... 49
ġekil 6.1 : Soğutma çevrimi LnP-H diyagramı ... 51
ġekil 6.2 : Yatay CT-SLHX’de harcanan güç zaman ilişkisi ... 53
ġekil 6.3 : Düşey CT-SLHX’da harcanan güç zaman ilişkisi ... 54
ġekil 6.4 : Kompresör soğutma kapasitesinin buharlaşma ve yoğuşma sıcaklığı ile değişimi... 55
ġekil 6.5 : Kompresörde çalıştırma frekansına bağlı güç tüketimi ... 56
ġekil 6.6 : Sıkıştırma oranına bağlı volumetrik verim ... 57
ġekil 6.7 : Kılcal Boru boyunca basınç dağılımı ... 60
ġekil 6.8 : Kılcal boru boyunca sıcaklık dağılımı... 60
ġekil 6.9 : Kılcal boru boyunca kuruluk derecesi değişimi ... 61
ġekil 6.10 : Kılcal boru boyunca entalpi değişimi ... 62
ġekil 6.12 : Kılcal boruda akan soğutucu akışkan için kümülatif ısı geçişi
değişimi ... 63
ġekil 6.13 : Kılcal boru ve emiş hattındaki sıcaklık dağılımları ... 63
ġekil 6.14 : Kılcal boru boyunca basınç değişimi ... 64
ġekil 6.15 : Kılcal boru boyunca sıcaklık değişimi ... 65
ġekil 6.16 : Kılcal boru boyunca kuruluk derecesi değişimi ... 65
ġekil 6.17 : Kılcal boru boyunca entalpi değişimi ... 66
ġekil 6.18 : Emiş hattı boyunca sıcaklık değişimi ... 66
ġekil 6.19 : Kılcal boruda akan soğutucu akışkan için kümülatif ısı geçişi değişimi ... 67
ġekil 6.20 : Kılcal boru ve emiş hattındaki sıcaklık dağılımları ... 67
ġekil 6.21 : Düşey CT-SLHX’de emiş hattı sıcaklık değerlerinin kıyaslanması ... 68
SOĞUTMA SĠSTEMĠ KILCAL BORU EMĠġ HATTI ISI DEĞĠġTĠRĠCĠSĠNĠN SAYISAL VE DENEYSEL MODELLENMESĠ
ÖZET
Emiş hattı- ısı değiştiricisi çifti veya diğer adıyla adyabatik olmayan kılcal boru, sistem performansını yükseltmek amacıyla buhar sıkıştırmalı soğutma istemlerinde geniş çapta kullanılmaktadır. İç çapı 100 ~800 mikron civarında çeşitlilik gösteren kısılma cihazı olarak kullanılan kılcal boruyu kompresörün emiş hattı içine yerleştirerek yoğuşturucudan gelen kısılmış sıcak sıvının buharlaştırıcıdan emilen soğuk buhar tarafından soğutulması sağlanmaktadır. Sunulan tezde emiş hattı-ısı değiştiricisi çiftinin ısı geçişi ve basınç düşümü karakterleri sayısal ve deneysel olarak incelenmiştir.
Deneyler süresince tipik çalışma şartlarında ev tipi buzdolabının, soğutucu akışkan olarak R-134a seçilerek soğutma sistemi incelenmiştir. Emiş hattı ısı değiştiricisi eşmerkezli düz akımlı olarak düzenlenmiştir. Sistemde buzdolabı soğutma çevrimi kritik noktaları üzerinde, kılcal boru ve emiş hattı giriş çıkışında basınç ve sıcaklık ölçümleri yapılmıştır. Ayrıca ısı değiştiricisi üzerinde eşit aralıklarla sıcaklık ölçüm noktaları oluşturulmuştur.
Sayısal modelleme yarı ampirik, bir boyutlu modelin sonlu farklar metodu ile düzenlenmesi ile gerçekleştirilmiştir. Model kaynaklarda mevcut olan ampirik sürtünme katsayısı ve Nusselt sayısı bağıntılarını kullanarak basınç kaybı ve ısı geçişi hesaplamaları üzerine kurulmuştur. Kılcal boru girişi ve emiş hattı çıkışındaki şartlar deneysel verilerden alınarak kılcal boru çıkışı ve ısı değiştirici girişi için basınç ve sıcaklık değeri saptanmıştır. Emiş hattı boyunca sıcaklık, entalpi ve kuruluk derecesi dağılımları sayısal model ile hesaplanmıştır. Isı değiştiricinin diğer ucundaki şartlar için hesaplanan değerler deneysel verilerle karşılaştırılarak modelin doğrulaması yapılmıştır.
A REFRIGERATION SYSTEM CAPILLARY TUBE SUCTION LINE HEAT EXCHANGERS NUMERICAL AND EXPERIMENTAL ANALYSIS
SUMMARY
Suction line heat exchangers or non-adiabatic capillary tubes have been widely used in vapor compression refrigeration systems, to increase the system performance. Inside diameter of the capillary tube varied in the range of 100 to 800 microns. The capillary tube expansion device is inserted into the suction line of the compressor, thus enabling the expanding hot liquid from the condenser to be cooled by the cold suction vapor from the evaporator. In this study, heat transfer and pressure drop characteristics of a suction line heat exchanger have been investigated experimentally and numerically.
The refrigeration system of the experimental study utilized R-134a as the refrigerant and typical operating conditions for domestic refrigerators were maintained during the experiments. The suction line HX was arranged as a concentric tube counter flow heat exchanger. On critical points of refrigerator cycle also inlet and outlet of capillary tube and suction line, temperatures and pressures were measured.
Numerical analysis was performed by a semi-empirical one-dimensional model employing a finite-difference scheme. Model was based on calculation of pressure drop and heat transfer including empirical dimensionless pressure coefficient and Nusselt number which were reported in literature. the capillary inlet and heat exchanger outlet condition were taken from experimental results. Then heat transfer across the tube wall and pressure drop through the tube were calculated to find the capillary outlet and heat exchanger inlet. Finally through the length of heat exchanger temperature, pressure and enthalpy distribution were determined and compared with the experimental results to validate the numerical model.
1. GĠRĠġ
Buhar sıkıştırmalı soğutma sistemleri, küçük kapasiteli ofis ve ev uygulamalarından (soğutucular, derin dondurucular ve split klima cihazları gibi), büyük kapasiteli endüstriyel ve ticari uygulamalara (kimya ve gıda sanayindeki proses soğutma sistemleri veya büyük otel ve iş merkezlerinin merkezi iklimlendirme sistemleri gibi) kadar çok değişik alanlarda ve kapasitelerde kullanılmaktadırlar. Bu sistemlerin beş temel bileşeni olan soğutucu akışkan, kompresör, yoğuşturucu, kısılma cihazı ve buharlaştırıcının termodinamik ve ısıl tasarımları ve sistemin otomasyonu, gerek ilk yatırım maliyetini ve gerekse de enerji tüketimi de dâhil olmak üzere işletme maliyetlerini belirleyen en başlıca sistem parametreleridir. Dünya elektrik enerjisi tüketiminin % 25'e yakın kısmının evsel, ticari ve endüstriyel soğutma sistemlerince kullanılması; bu oranın, kimya ve gıda sanayinde ve iklimlendirme sistemlerinde % 50-80'lere çıkması, soğutma sistemlerinin enerji verimliliğinde sağlanacak iyileştirmeleri, gerek ekonomiklik ve gerekse de çevresel etkiler açısından çok önemli kılmaktadır.
Buhar sıkıştırmalı soğutma sistemlerinde, yoğuşturucudan çıkan sıcak sıvı akışkan, bir kısılma cihazından (basıncın hızla düşmesini ve buna koşut olarak sıcaklığın da düşmesini sağlayan bir vana veya benzeri etki oluşturan diğer cihazlar) geçirilir. Kısılma cihazında basıncı ve sıcaklığı düşerken, soğutucu akışkan bir taraftan da kısmen buharlaşır. Buharlaştırıcıda, soğutulan ortamdan etkin olarak ısı çekilmesini sağlayan mekanizma, kısılma olayından sonra sıvı fazda kalan soğutucu akışkanın buharlaşmasıdır. Dolayısıyla, kısılma esnasında soğutucu akışkanın ne kadar az kısmı buharlaşırsa, kompresörün bastığı birim soğutucu akışkan debisi başına o kadar fazla soğutma yapılmış olur. Bu da, sistemin enerji etkenliğinde artışa yol açar. Soğutma sistemlerinin enerji verimliliğini artırmak için bir tür rejeneratif ısı değiştirici olan, Sıvı-Emiş Hattı Isı Değiştiricileri (Liquid Line -Suction Line Heat Exchangers, LSHX) kullanılırlar. Bu ısı değiştiricilerde, yoğuşturucudan çıkan sıcak sıvı, buharlaştırıcıdan çıkan soğuk buhar ile soğutulur. Dolayısıyla kısılma esnasında gerçekleşecek olan buharlaşmanın bir kısmı önlenmiş olur. Sonuç olarak bu ısı geçişi olayı, sistemin enerji performansının artmasını sağlar.
Küçük kapasiteli soğutma sistemlerinde, yoğuşturucudan çıkan sıcak sıvıyı buharlaştırıcı basıncına kısmak için kılcal borular kullanılır. Bu sistemlerde, ayrı bir ısı değiştirici koymak yerine kılcal boru, kompresörün emiş hattı borusunun içine yerleştirilir ve yoğuşturucudan gelen sıcak sıvının, genleşirken, buharlaştırıcıdan gelen soğuk buhar ile soğutulması sağlanır. Bu düzenleme, Kılcal Boru-Emiş Hattı Isı Değiştiricisi (Capillary Tube-Suction Line Heat Exchangers, CT-SLHX) olarak adlandırılır. Kılcal boru içerisindeki kısılma ve buharlaşırken soğuma (yeniden yoğuşma/re-condensation) ile sonuçlanan ısı geçişi olaylarının, altlarında yatan fiziksel mekanizmaların karmaşık ve henüz tam anlaşılamamış olmaları nedeniyle, yarı-ampirik de olsa güvenilir matematik modelleri, henüz açık kaynaklarda bulunmamaktadır. Mevcut modeller, belirli bir soğutucu akışkan için tam ampirik modeller biçimindedir ve akışkan fiziksel özeliklerini parametre olarak içermezler. Üstelik önerilen farklı modeller birbirinden oldukça farklı sonuçlar vermektedir.
1.1 Tezin Amacı
Sunulan tezde bir kılcal boru - emiş hattı ısı değiştiricisindeki kısılma ve ısı geçişi olayları, deneysel ve sayısal yöntemlerle analiz edilmiştir. Gerçekleştirilen parametrik inceleme ile, bu sistemler için kullanılabilecek güvenilir bir matematik model geliştirilmiştir; sistemin enerji verimliliğini en iyileyen ısı değiştirici tasarımı elde edilmiş; ve mili ve mikro boyutlu kanallar içerisinde kısılma olayı incelenmiştir. Sayısal çözümlemede, kılcal boru - emiş hattı ısı değiştiricisinin, bir-boyutlu sonlu farklar yöntemi kullanılarak yarı-ampirik sayısal modeli oluşturulmuştur. Her bir sonlu farklar hücresi için ısı geçişi ve basınç kaybı hesaplamaları, açık kaynaklarda geçen ampirik veya teorik bağıntılar kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu hesaplama ile ısı değiştiricinin her iki tarafında (sıcak sıvı ve soğuk buhar) toplam basınç kaybı ve ısı geçişi değerleri elde edilmiştir.
Deneysel çalışma ise, R-134a soğutucu akışkanı kullanan bir evsel buzdolabı üzerinde gerçekleştirilmiştir. Buzdolabı soğutma sisteminin kılcal boru- emiş hattı ısı değiştiricisi, eş merkezli - zıt akımlı olarak düzenlenmiştir. Kılcal boru montaj konumu yatay ve düşey yapılarak, bu konum değişiminin, sıcak sıvı ile soğuk buhar arasındaki ısı geçişine, dolayısıyla da soğutma sisteminin toplam etkenliğine etkisi araştırılmıştır. Bu amaçla, gerek kılcal borunun, gerekse de emiş hattının giriş ve
çıkışında basınç ve sıcaklıklar ölçülmüş, ısı geçişi ve enerji etkenliği hesaplamaları yapılmıştır.
Deneysel değerlerin, sayısal çözümleme sonuçları ile karşılaştırılması suretiyle, açık kaynaklarda mevcut olan basınç kaybı ve ısı geçişi bağıntıları test edilmiştir. Gerek görüldüğü durumlarda, bu bağıntılardaki ampirik katsayılar ayarlanarak, matematik model ile deney verilerinin uyumu sağlanmış ve böylece, kılcal boru - emiş hattı ısı değiştiricileri için güvenilir bir matematik model oluşturulmuştur.
1.2 Kaynak ÇalıĢması
Goldstein (1981) kılcal boruya giriş koşulu doymuş ve aşırı soğutulmuş haller için adyabatik ve adyabatik olmayan şartları için sayısal model hazırlamıştır. Model sonlu farklar metoduyla basınç düşümü hesabı yaparak kritik boy ve kritik akış karşılaştırması yapmaktadır.
Pate ve Tree (1984) lineer kuruluk modelini oluşturarak adyabatik olmayan kılcal boru içinden R-12 akışkanın emiş hattından ise havanın geçtiği açık döngü oluşturmuşlardır. Kılcal boru boruda ısı transferi ve iki fazlı bölge için akış karakteristiğin geliştirmişlerdir. Çalışmalarını deneysel veriler ile doğrulamışlardır. Ayrıca bu lineer kuruluk modeli iki fazlı bölgedeki akışkanın termodinamik özellikleri hesaplamasını sayıca azalmıştır.
İnan ve Tanes (1992) kılcal boru için iki fazlı akışı homojen model kabul ederek korunum denklemlerinden yola çıkarak modellemişlerdir. Yaptıkları sayısal modeli doğrulmak için R134a soğutucu akışkanının kullanarak deneysel bir çalışma yapmışlardır (1994).
Melo ve diğerleri (2002) R600a’nın soğutucu akışkan olarak kullanıldığı temeli deneysel verilere dayanan deneysel korelâsyonlar geliştirerek adyabatik olmayan eşmerkezli konfigurasyonda kılcal boru içindeki kütlesel debi ve emiş hattı çıkış sıcaklığını saptamışlardır.
Valladares ve diğerleri (2002) temeli geliştirilen denklemler ile sonlu hacimler formülasyonuna dayalı nümerik simülasyon geliştirmişlerdir. Çözüm explicit yöntemle yapılmıştır. Kütlesel debi hesabı Newton-Ramphson Algoritması ile çözülmüştür. Diğer belli başlı özellikler; geometri, akışkan tipi, kararsız bölge, geçiş bölgesi gibi değerler çözümlenmiştir.
Valladeres ve diğerleri (2002) bir önceki çalışmada geliştirdikleri modeli deneysel olarak doğrulamışlardır. Eş merkezli kılcal boru emiş hattı ısı değiştiricisi parametrik çalışmasını sunmuşlardır.
Valladeres ve diğerleri (2007) çalışmalarına ayrık akış ve kararsız bölgeyi dâhil ederek geliştirmişlerdir. Modellerini Melo ve diğerleri (2000) ve Mendoca ve diğerlerinin (1998) deneysel verileri ile doğrulamışlardır.
Sinpiboon ve Wongwises (2002) adyabatik olmayan kılcal boru akış şartlarında matematiksel model geliştirmişlerdir. Teorik model korunum denklemleri üzerine oluşturulmuştur. Matematiksel model ısı geçişi sürecinin gerçekleştiği yere göre 3 ayrı şekilde tasarlanmıştır. Birincisi ısı geçişi sürecinin tek fazlı bölgede gerçekleştiği, ikincisi tek fazın bittiği bölgede, sonuncusu ise iki fazlı bölgede ısı geçişinin gerçekleştiğidir. Diferansiyel denklemler takımı sonlu farklar metodu explicit olarak çözümlenmiş ve nümerik sonuçlar daha önce yapılmış olan deneysel çalışmalarla doğrulanmıştır.
Xu ve Bansal (2002) kılcal boru akış bölgesini birçok kontrol hacmine bölerek nümerik bir model geliştirmişlerdir. Isı transferinin daha güçlü olduğu yerlerde basınç düşümün bağlı akışkan ısı değişimi bölgesinde yoğuşmaya eğilimli, basınç düşümünün daha güçlü olduğu yerlerde ise akışkanın flaş buhar olma eğilimini gözlemlemişlerdir. Modelde kullanılan parametreler Çizelge 1.1’de verilmiştir.
Çizelge 1.1 : Kılcal borunun fiziksel modelleme sürecinde kullanılan parametreleri
Özellik Değer
Kılcal boru giriş uzunluğu 0.7 m Isı değiştirici uzunluğu 1.0 m
Kılcal buru iç çapı 0.66 mm
Kılcal boru dış çapı 2 mm
Emiş hattı iç çapı 6.6 m
Emiş hattı dış çapı 10 mm
Kılcal boru iç yüzey pürüzlülüğü 0.00046 mm Emiş hattı iç yüzey pürüzlülüğü 0.00046 mm Soğutucu akışkan debisi 0.001 kg/s
Buharlaşma sıcaklığı 258.15 K
Yoğuşma sıcaklığı 321.1 K
Emiş hattı girişindeki kızgınlık 2 K Kılcal borudaki aşırı soğutma 1 K
Bansal ve Xu (2002), adyabatik olmayan kılcal boruda soğutkan akışını hazırladıkları model yardımı ile incelemişlerdir. Parametre olarak yoğuşma sıcaklığı, buharlaşma sıcaklığı, kılcal boru girişindeki aşırı soğuma sıcaklığı, dönüş borusu girişinde aşırı kızma miktarı, adyabatik bölgenin uzunluğu, ısı değiştiricisi boyu uzunluğu ve kılcal borunun iç çapı belirlenmiştir. Kılcal borulardaki akısın karakteristiğini belirlemek için kurulan ve kütle, momentum ve enerjinin korunum yasalarını içeren sayısal bir model anlatılmaktadır. Kurulan sayısal modelde, soğutkan olarak R134a kullanılmış ve model içerisinde hem termodinamiksel hem de geometrik parametrelerin etkilerini incelemişlerdir. Sınır şartlarından birinin değişimi sonucunda kılcal borusunun performansında meydana gelen farklılık karsılaştırılmış ve akış karakteristiğinde meydana gelen değişim de temel fizik yasalarının bakış açısından hareketle açıklanmıştır. Çalışmada, kılcal borunun oluşturduğu basınç düşümü etkisi ile bu etkiye zıt yönde tepki veren “tekrar yoğusma” durumu çalışılmıştır. Söz konusu parametrelerin “basınç düşümü tekrar yoğuşma” prosesi içerisindeki etkileri hazırlanan simülasyon programı yardımı ile çalışılmıştır. Modeldeki kılcal boru parametreleri Çizelge 1.1' deki ile aynıdır.
Choi ve diğerleri (2003) soğutucu akışkan olarak R407c, R290 ve R22’yi kullanarak adyabatik kılcal boru için farklı çevrim şartları arlında deneysel bir çalışma yapmıştır. Deney sonuçlarına dayalı ampirik korelasyon geliştirmişlerdir.
Bansal ve Yang (2005) ters ısı geçişi olayını açıklamak için nümerik simülasyon gerçekleştirmişlerdir. Matematik modelleri kütle, momentum ve enerji korunum denklemleri temeline bağlı olup sonlu farklar metoduyla integre edilmesiyle oluşturulmuştur. Kılcal boru çıkışında şok akış koşulu gereği ısı geçişi için daha uzun bir ısı değiştiricisi olmasını gerektiğini ileri sürmüşlerdir. Ayrıca ısı geçiş bölgesinde meydana gelen yeniden yoğuşma esnasında birim uzunluk başına gerçekleşen basınç düşümünü termodinamik denklemle ifade etmişlerdir.
Yang ve Bansal (2005) adyabatik olmayan kılcal boru üzerinde adyabatik olmayan giriş bölgesinde adyabatik olmasına oranla kılcal borudan emiş hattına olan ısı geçişinin %10 civarında azaldığını belirtmişlerdir. Çalışma sisteminin şematik görünüşü Şekil 1.1’de, çalışma parametreleri ise Çizelge 1.2’de verilmiştir.
ġekil 1.1 : Adyabatik olmayan giriş bölgesi olan CT-SLHX şematik görünümü Çizelge 1.2 : Modelde kullanılan CT-SLHX parametreleri
Özellik Değer
Soğutucu akışkan R-134a, R-600a
Kılcal boru giriş uzunluğu 0.5 m Isı değiştirici uzunluğu 1.5 m Kılcal boru toplam uzunluğu 4.5 m
Kılcal boru iç çapı 0.86 mm
Emiş hattı iç çapı 6.6 m
Buharlaşma sıcaklığı 260.15 K
Yoğuşma sıcaklığı 315.15 K
Emiş hattı girişindeki kızgınlık 2 K Kılcal borudaki aşırı soğutma 1 K
Seixlack ve Barbazelli (2008) sürekli halde soğutucu akışkan akışını modellemek için nümerik bir çalışma yapmışlardır. Farklı çalışma koşullarında R134a akışkanın ile sistemdeki sıcaklı dağılımı, kütlesel debi deneysel sonuçları ile kıyaslanmıştır. Hermes ve diğerleri (2008) 1400 den fazla deneysel veriyi doğrulayan basitleştirilmiş sayısal bir model geliştirmişlerdir. CFC-12, HCFC-22, HFC-134a, HC-600a akışkanları için adyabatik, HFC-134a ve HC-600a için adyabatik olmayan akış şartlarında kılcal boru emiş hattı ısı değiştirici çifti hem eşmerkezli hem de yanal olarak modellenmiştir. Modelin temeli korunum denklemlerine dayanmaktadır. Bir boyutlu geliştirilen modelde adyabatik için %91,5 adyabatik olmayan konfigürasyon için %79,3 doğruluk tespit edilmiştir.
2. KILCAL BORU- EMĠġ HATTI ISI DEĞĠġTĠRĠCĠSĠ (CT-SLHX) 2.1 Soğutma Çevrimi
Isıtma, soğutma, iklimlendirme gibi işlemlerde kullanılan tüm cihazlar soğutma çevrimi esasına göre çalışır. Sistem, çevrimi oluşturacak temel eleman kompresör olmak üzere, ısı değiştiricisi olan buharlaştırıcı ve yoğuşturucu, kısılma vanası ve soğutucu akışkandan oluşur. Çevrimin tüm süreçleri basınç- entalpi (P- h) ve sıcaklık- entropi (T-s) diyagramları üzerinde gösterilebilmektedir. Soğutma çevriminde, kompresör soğutucu akışkanı buharlaştırıcı çıkışından alıp daha yüksek sıcaklık ve basınçtaki 2 noktasına getirmektedir. İdeal çevrimde bu işlem izentropik olarak gerçekleşmektedir.
2 noktasında soğutucu akışkan kızgın buhar bölgesindedir. Buradan yüksek basınçta ve kızgın buhar fazında yoğuşturucuya giren akışkan duyulur olarak soğuyarak yoğuşma sıcaklığına gelir daha sonra faz değişimi gerçekleşmeye başlar. Bu iki fazlı bölgede ısısısın büyük bir bölümünü dışa atarak sistemin soğutulmasını sağlar. Daha sonra kısılma vanasına girer burada buharlaştırıcı basıncına kısılır ve sıcaklığı da düşer.
ġekil 2.1 : İdeal buhar sıkıştırmalı çevrim, P- h ve T- s diyagramlarında gösterimi
İdeal çevrimde kısılma vanasındaki işlem izentalpik olarak gerçekleşmektedir. Kısılma vanasından sonra buharlaştırıcıya ıslak buhar bölgesinde giren akışkan
burada ortamdan ısı çekerek, ortamı soğutur ve buharlaşır. Buharlaştırıcıdan kompresöre doymuş buhar olarak gelen kompresörde tekrar basılarak çevrimi takip eder.
Gerçek çevrim ideal çevrimden farklılık gösterir. Burada sıkıştırma işlemi izentropik olmamaktadır. Kompresörden soğutucu akışkana bir miktar ısı geçişi meydana geldiğinden bu eğri, kompresörün izentropik verimine bağlı olarak sağ tarafa yatmaktadır. Aynı şekilde kısılma işlemi de izentalpik gerçekleşmemektedir. Bunun haricinde, kompresörün çalışma şartlarını güvence altına almak için, soğutucu akışkan buharlaştırıcıdan kızgın buhar olarak çıkartılmaktadır. Akışkan buharlaştırıcıdan 3-5 °C kızdırma derecesiyle ayrılır bu da bir miktar verimin düşmesine sebep olur. Buna karşın Yoğuşturucu ise soğutucu akışkan, yoğuşma sıcaklığından daha aşağı sıcaklıklara soğutulmaktadır. Bu sayede, soğutucu akışkan buharlaştırıcıya daha düşük kuruluk derecesinde girebilmekte ve soğutucu akışkanın soğutma etkisinde artış yaratılabilmektedir.
ġekil 2.2 : İdeal ve gerçek buhar sıkıştırmalı çevrimin P-h diyagramları 2.2 Buzdolabı Soğutma Sistemi
Buzdolaplarında soğutma, buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi ile gerçekleştirilir. Buharlaştırıcıda buharlaşmanın gerçekleşmesi için kabinden çekilen ısı kabinin soğutulmasını sağlar. Yoğuşturucudan ise yoğuşma işlemi esnasında ısı ortama atılır. Böylelikle hedeflenen kabin içi soğutma işlemi gerçekleşmiş olur. İdeal soğutma çevriminden bazı farklılıklar gösterir, kısılma vanası yerine kılcal boru vasıtasıyla
buharlaştırıcı basıncına düşülür. Ayrıca buharlaştırıcı dönüşü sonrasında kılcal boruyla eş merkezli veya yanal emiş hattı ısı değiştiricisi olarak adlandırılan kısım bulunmaktadır. Bu ısı değiştirici genleşmenin adyabatik duruma yakın şartlarda gerçekleşmesine katkıda bulunur.
Buzdolabında gerçeklesen soğutma çevrimi Şekil 2.3’de verilmiştir.
ġekil 2.3 : Buzdolabı soğutma çevrimi
Çevrim kompresörde başlamasıyla birlikte alçak basınçtan yüksek basınca sıkıştırılan soğutucu akışkan molekülleri artan kinetik enerjisi sebebiyle, hem yüksek basınca gelir hem de sıcaklığı artmış olur. Sıcaklık ve basınçtaki artış sınırı dışarıya ısı atabilmek için yoğuşturucuyu saran havanın sıcaklığından daha yüksek bir noktaya gelene kadardır. Dolayısıyla bu noktaya gelinceye kadar moleküllerin hızı yükselmeye böylelikle de sıcaklığı ve basıncı artmaya devam eder. Sıkıştırılan akışkan buharının basıncı 14~15 bar mertebelerine, sıcaklığı ise ortam ve çalıştırma şartlarına bağlı olarak 75-82°C sıcaklık değerlerine kadar ulaşabilir.
Kompresörden yoğuşturucuya aktarılan akışkan ortamdan daha sıcak olduğu için yoğuşturucudan havaya ısı geçişi başlar ve soğutucu akışkanın yoğuşarak sıvı hale geçmesine sebep olur. Sıvılaşan akışkan kurutucudan (filtre) geçerek sistemde tıkanmaya sebep olabilecek yabancı maddeleri ve akışkandaki nemi uzaklaştırır. Daha sonra kılcal boruya gelen akışkan yoğuşturucu yüksek basıncından buharlaştırıcı alçak basıncına kısılarak buharlaştırıcıya geçer. Buharlaştırıcıda kabin içinden ısı çekerek buharlaşan akışkan buhar haline geçer ve kabin içinin soğumasını sağlar. Buharlaştırıcı çıkışı emiş hattı ısı değiştiricisine giren buhar fazındaki akışkan kızgın buhar haline gelir böylelikle kompresöre sıvı girmesi önlenmiş olur.
2.2.1 Buzdolabı sistem elemanları 2.2.1.1 Kompresör
Buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimlerinde, soğutma sisteminin performansını ve güvenliğini en çok etkileyen bilesen olan kompresör, buharlaştırıcıdan çıkan gazı yoğuşma basıncına kadar sıkıştırılması işlevini yerine getirmektedir. Bu işlevi yerine getirebilecek başka kompresör çeşitleri ve tasarımları mevcut olmakla birlikte ev tipi buzdolaplarında hermetik pistonlu kompresörler nispeten düşük ses seviyeleri ve düşük maliyetleri nedeniyle, yaygın olarak kullanılmaktadır.
Pistonlu kompresörlerde, gerçeklesen termodinamik çevrim 4 zaman ile tanımlanır: Sıkıştırma: Emiş hattından silindir içine çekilen düşük basınçlı gaz pistonlar aracılığı ile egzoz manifoldunun basıncına eşitlenip egzoz valfi açılıncaya kadar sıkıştırma işlemi gerçekleşir.
Egzoz: Egzoz valfi açılmasıyla sıkıştırma işlemi biten gaz boşalmaya başlar. Silindir içi ve egzoz manifoldu basınçları eşitlenince valf kapanır ve egzoz işlemi tamamlanır.
Geri genleşme: Silindir içinde ölü hacimde kalıp egzoz edilemeyen gaz egzoz valfi kapandıktan sonra emiş valfi açılana kadar genişler.
Emme: Silindir hacmi artarken yani piston üst ölü noktadan alt ölü noktaya ilerken emiş manifoldundaki basınç silindir içindeki basınçtan fazla olur valf açılarak emiş işlemi başlar. Piston alt ölü noktaya geldiğinde gaz ile dolan silindirin basıncı emiş manifoldu basıncına eşitlenince valf kapanır emiş işlemi tamamlanır.
İdeal soğutma çevrimi için performans katsayısı , soğutulmak istenen ortamdan çekilen ısının kompresörü çalıştırmak için gereken güce oranı olarak tanımlanmaktadır (Çengel ve Boles, 2000).
(2.1)
(2.2)
Burada , buharlastırıcının ısıl kapasitesi, , kompresörün yaptığı isi ve , entalpiyi göstermektedir. Kompresörün basabileceği maksimum debi; soğutucu akışkanın kompresör giriş sıcaklığındaki yoğunluluğunun bilinmesiyle bulunabilir. (2.4) , kompresörün çıkısındaki termodinamik özelliklerden hesaplanabilen teorik
debi, kompresör girisindeki soğutkan yoğunluğu, strok hacmi, kompresör çalışma frekansını gösterir.
Bir debimetre ile ölçüldüğü takdirde akışkan debisinin ile ifade edersek, kompresörlerde gerçek debi ile teorik (ideal) debi arasındaki debi farklılığı hacimsel verimlilik ile tanımlanmaktadır. Kompresörlerdeki termodinamik kayıplar nedeniyle, gerçek soğutucu akışkan debisi teorik debiden düşüktür ve
(2.5)
Eşitliği ile verilen hacimsel verim,
(2.6)
Olarak tanımlanan sıkıştırma oranının fonksiyonudur. Genel olarak sıkıştırma oranı arttıkça kompresörün hacimsel verimi azalır.
2.2.1.2 YoğuĢturucu
Yoğuşturucu, kızgın haldeki gazın ısısını atarak yoğuşmasını ve sıvı hale gelmesini sağlar. Buharlaştırıcının kabin içinden çektiği ısı burada ortama bırakılır.
Küçük ve orta boyutlu ev tipi buzdolaplarında genellikle iki tip yoğuşturucu kullanılır. İlki kabin arkasına yerleştirilen akışkanın dolaştığı borular üzerine kanat görevi gören taşınımla ısı geçişini arttırmaya yönelik teller kaynatılır, bu tip “arka duvar yoğuşturucu” olarak tanımlanır.. İkinci tip ise, kabin dibine yerleştirilen fan yardımıyla zorlanmış taşınımla soğutulan “sargı (coil) yoğuşturucu” olarak adlandırılan yoğuşturucudur.
Çalışmada kullanılan buzdolabında bulunan yoğuşturucu “arka duvar yoğuşturucu”dur ve Şekil 2,4’te gösterilmiştir. Dış tarafında havayla temas eden yoğuşturucuda doğal tasınım meydana gelirken, genel akış şartları düşünüldüğünde,
akışkan tarafında ise akış sıkıştırılmış sıvı, iki faz, kızgın buhar olmak üzere ayrılmaktadır.
ġekil 2.4 : Arka duvar yoğuşturucu 2.2.1.3 Kılcal (kapiler) boru
Ev tipi buzdolapları ve küçük tip iklimlendirme cihazlarının soğutma devrelerinde kısılma vanası yerine kullanılan yaklaşık 0.8~1.2 mm iç çapında bakır borudur. Kılcal borunun soğutma devrelerinde kullanılmasının yarattığı avantajlar şu şekilde sıralanabilmektedirler;
Basit fiziksel yapısından ötürü düşük maliyetlidir.
Hareketli parçası yoktur, bakım ve onarıma ihtiyaç duymamaktadır.
Çevrim çalışma dışı olduğunda yoğuşturucu ve buharlaştırıcı basınçlarının dengeye gelmesini sağlamaktadır ve bu şekilde kompresörün gerek duyduğu ilk kalkış momentini düşürmektedir.
Ev tipi buzdolaplarında kılcal boru iç ısı değişimini arttırmak amacıyla emiş hattı içene konumlandırılır ve böylelikle soğutma kapasitesi yükselir ve kompresöre sıvı olarak akışkan gitmesini önler.
Isı değişimi ile soğutma işleminin termodinamik verimi iyileşir, bunu soğutucu akışkanın entalpisini buharlaştırıcıya girmeden önce düşürüp kütle akım oranını arttırarak yapar bu işlem için sadece kompresör gücünde biraz yükselme gerekir dahası kompresörün tıkanmasını önler.
2.2.1.4 BuharlaĢtırıcı
Düşük basınç ve düşük sıcaklık altında kılcal borudan gelen soğutucu akışkan, buharlaştırıcıda kabinden fazla miktarda ısı çekerek buharlaşır. Dolabın üst tarafındaki soğumuş olan havanın yoğunluğu, dolabın alt taraflarındaki sıcak havanın yoğunluğundan fazla olduğu için, soğuk hava kabin dibine çökmeye baslar. Soğuk havanın, sıcak havanın bulunduğu yeri bu şekilde işgal etmesi sıcak havayı yukarı doğru çıkmaya zorlar. Böylece dolap içinde yukarıdan aşağıya ve aşağıdan yukarıya doğru bir hava akımı meydana gelir.
2.2.1.5 Kurutucu (Filtre)
Kurutucu; kompresörden zamanla aşınıp dökülen metal tozlarını, yabancı maddeleri ve akışkandaki nemi tutar. Yoğuşturucu çıkışına monte edilir, sebebi ise kılcal boruyu yabancı maddelerin tıkamasını önlemek için önceden süzme işlemini yapmayı sağlamaktır.
2.2.1.6 Termostat
Termostat soğutma sıcaklığını ayarlayan devre elemanıdır. İç yapısında yine soğutma sistemlerinde kullanılan gazlardan biri bulunur (R12, R134a v.b). Buzdolaplarında buharlaştırıcıya monteli olur içi gaz dolu bulpun ucu (yaklaşık termostatın 1,5 metre uzunluğunda kılcal borusu bulunur) buharlaştırıcıya montelidir. Buharlaştırıcıdaki soğutma arttıkça bulp içindeki gaz termostat gövdesindeki körüğün şişerek kontağı açmasına ve bu kontağa bağlı kompresörün devre dışı kalmasına sıcaklık yükseldiği zaman körüğün sönerek tekrar kontağı kapamasıyla kompresörün çalışmasına sebep olur. Bu şekilde soğutma sıcaklığı termostatta ayarlanan değerde kalır aynı zamanda kompresörün dinlenmesi sağlanır.
2.2.1.7 Soğutucu akıĢkan
Buzdolabının içindeki ısıyı dışarı taşımak için kullanılan akışkan maddelerdir. Soğutkanlarda bulunması gereken bazı özellikler şunlardır:
Çevresel uyum
Yanıcı, patlayıcı, zehirli olmaması
Sistemin hiçbir yerinde kimyasal değişikliğe uğramaması Düşük maliyet
2.3 Kılcal Boru Ġle Ġlgili Temel Kavramlar
Kılcal boru, yoğuşturucu çıkısı ve buharlaştırıcı girişi arasında bulunan, kısılma vanası yerine kullanılan 0.5~2 mm iç çap aralığında bakır borudur. Yoğuşturucu tarafındaki yüksek basınçlı akışkanı kısarak buharlaştırıcıya düşük basınçta yönlendirir. Çapı ve boyu sistem soğutma kapasitesine göre belirlenir. Buharlaştırıcının kabin içenden çektiği ısı miktarını istenilen düzeye getirebilmek için sistemin müsaade edebileceği basınçlar arasında çalışmasını sağlar. Kısılma işlemini izentalpik olarak gerçekleştirir. Kılcal boru tek başına ise yalnızca kısılma işleminde kullanılıyorsa adyabatik, kompresöre giden emiş hattı- ısı değiştircisi ile birleştiriliyorsa adyabatik olmayan kılcal boru adını alır.
2.3.1 CT-SLHX çeĢitleri 2.3.1.1 Adyabatik kılcal boru
Adyabatik kılcal boruda akışkan yüksek basınç tarafından alçak basınç bölgesine adyabatik olarak kısılır. Soğutucu akışkan kılcal boruya sıkıştırılmış sıvı olarak girer. Sıvı akışkan kılcal boru boyunca ilerlerken basıncı sürtünmeye bağlı olarak lineer azalır, sıcaklık ise sabittir. Basınç mevcut sıcaklıktaki doyma basıncının altına düştüğünde bir miktar sıvı akışkan flaş buhara dönüşür. Buharlaşmanın artmasıyla kılcal boruda iki fazlı akış meydana gelir. Bu durum buhar kuruluk derecesinin ve akışkan hızının artmasına sebep olur. 2 fazlı akış bölgesinde sıcaklık basıncın fonksiyonu olduğundan artan basınç akışkanın sıcaklığının aniden düşmesine sebep olur. Kılcal boru adyabatik olduğu için akışkan sıvı kaldığı sürece sıcaklık sabittir ancak flaş buhar oluşumu başladığı gibi sıcaklık aniden düşer. Kısılma sürecinde entalpinin sabit kalması flaş buharın oluşmasına kadar olduğu için süreç izentalpik olmaktan ziyade adyabatiktir, flaş buhar olması sonucu toplam enerjinin bir kısmı kinetik enerjiye dönüşür.
ġekil 2.5 : Adyabatik kılcal boru buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi, (a) çevrim şeması, (b) P-h diyagramı (Kahn vd. ,2009)
2.3.1.2 Adyabatik olmayan kılcal boru
ġekil 2.6 : Adyabatik olmayan kılcal boru için buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi, (a) çevrim şeması, (b) P-h diyagramı (Kahn vd. ,2009)
Kılcal boru buharlaştırıcıdan çıkıp kompresöre giden emiş hattı– ısı değiştiricisi ile çeşitli geometrilerde birleştirildiğinde adyabatik olmayan şartları oluşturur. Sistem COP’ sini artırmaya yönelik bu uygulama aynı zamanda emiş hattındaki buharı kızdırarak kompresöre sıvı gitmesini önler. Sıkıştırılmış sıvı olarak kılcal boruya giren akışkan kılcal boyunca doyma basıncının altına düşerse, akışkanda “flashing” olarak adlandırılan ani bir faz değişimi meydana gelir. Bu olay akışkanın ısınarak buharlaşmasından farklı olarak ani basınç düşümleri sonucu doyma basıncı altına
düşmesinden kaynaklanan bir faz değişimidir. Kılcal borudaki sürtünme ve akışkan genleşmesi nedeniyle akışkan basıncı düşmeye devam ederken iki fazlı akışla sonuçlanır. Bu esnada emiş hattı- ısı değiştiricisi ile ısı değişimi buhar halindeki bazı akışkanların yoğuşmasıyla sonuçlanır. Böylece soğutkan buhar kalitesi, ısı geçişi ve basınç düşümü arasında bir denge açığa çıkarır akış karakteristikleri ısı geçişi ve basınç düşümünün toplam etkisini gösterir.
Buharlaştırıcı çıkışından kompresöre giden emiş hattı ısı değiştiricisi ile çeşitli geometrilerde konumlandırılarak SLHX’ı oluşturur. Bunlar, “lateral (yanal) CT-SLHX” ve “concentric (eşmerkezli) CT-CT-SLHX”dır. Bu iki geometri arasında deneysel karsılaştırma bulunmamasına rağmen Paiva vd. (1995)’nın sayısal çalışmalarında, bitişik ısı değiştiricilerinde aynı şartlarda daha yüksek performanslara ulaşılabileceği hesaplanmıştır. “Lateral” yerleşimli dönüş borusu-ısı değiştirici hattı yüzeyindeki ısının atılması için emiş borusu yüzeyinin etkin bir kanat vazifesi görmesi nedeniyle, kılcal borudan atılan ısı miktarı, gaz fazındaki akışkanla temasta olan “coaxial (concentric)” yerleşimli kılcal boruya göre daha fazla olduğu ifade edilmiştir.
ġekil 2.7 : Yanal ve eşmerkezli CT-SLHX (Kahn vd.,2009)
Sıcak sıvıdan soğuk buhara ısı geçişini sağlayan ısı değiştiricisinin etkenliği, ısı değiştiricinin büyüklüğüne ve konumuna bağlıdır. Emiş hattı-ısı değiştiricisi performansı ;
(2.11)
olarak hesaplanır.
Burada ve buhar fazının giris ve çıkış sıcaklıklarını, , ise sıvı fazın giriş sıcaklığını ifade etmektedir.
Isı değiştiricisi yüksek ve düşük basınç bölgelerine etki ederek sistem performansını etkileyebilmektedir. Yoğuşturucu çıkışı ile kılcal boru girişi arasında uygulanan aşırı soğutma ile hem flashing (ilk buhar oluşumu) olayı geciktirilmiş olur hem de kılcal boru girişinde buhar kabarcıklarının görülme ihtimali zayıflatılmış olur. Buharlaştırıcı çıkışı ile kompresör girişi arasında uygulanan aşırı kızdırma ile de kompresör emiş hattında görülebilecek terleme riski ortadan kaldırılmış olur. Isı değiştirici uygulamasının en büyük avantajlarından biri de, buharlaştırıcı boyunca daha düşük kalitede akışkan geçmesini sağlamasıdır.
2.3.2 CT-SLHX ’da akıĢ özellikleri
Kılcal borudan soğutucu akışkan akışı sırasında akış kararsız bölge (metastable phenomenon), kritik akış, iki fazlı akış, emiş hattı ile ısıl temas gibi fiziksel olaylar meydana gelir. Bu bölgeler aşağıda detaylı olarak incelenmiştir.
2.3.2.1 Kararsız Bölge (Metastable Phenomenon)
Yoğuşturucudan sıkıştırılmış sıvı olarak çıkan akışkan kılcal boru boyunca kısılırken, sıkıştırılmış sıvıdan, iki fazlı akışa yani sıvı buhar karışımına geçer. Bu geçişte kararsız bölgeler oluşur, bunu oluşturan etmen ise buharlaşmanın başladığı nokta doyma noktası değil daha aşağıda bir nokta olmasıdır. Bu yüzden buharlaşma gecikmesi olarak adlandırılan bir durum oluşur ve kararsız akış meydana gelir. Şekil 2.8’de adyabatik ve adyabatik olmayan kılcal boruda sıcaklık ve basınç değişimleri verilmiştir. Adyabatik kılcal boru boyunca emiş hattıyla ısı geçişi ile ilerlerken sıvı akışkan sıcaklığı sabit kaldığı görülmektedir.
ġekil 2.8 : Adyabatik (a) ve adyabatik olmayan (b) kılcal boru boyunca sıcaklık ve basınç değişimleri, (Kahn vd, 2008)
2.3.2.2 Ġki Fazlı AkıĢ Bölgesi
Kılcal borudan buharlaştırıcıya ilerlerken iki fazlı akışa geçişe birlikte kuruluk derecesi artar, akış viskozlaşıp buhar kabarcıkları akışa hâkim olur. Bu bölgedeki akış tamamen türbülanslı kabul edilmektedir. Tek fazlı akışa göre viskozlaşma ve sürtünme arttığından basınç düşümü bu bölgede daha çoktur özellikle kılcal boru çıkışının sonlarında bu durum daha belirgindir. Kuruluk yani buhar kalitesi arttıkça gazın kütlesi artar, soğutucu akışkan akışında ivmelenmeler olur, fazlar arası ve kılcal boru duvarında kayma gerilmeleri meydana gelir.
Yukarıda bahsedile ivmelenme, kritik akış şartları sağlanana kadar devam etmektedir. Kritik akış hızına ulaşılan kılcal boru çıkış basıncının daha fazla düşürülmesi kütlesel debide herhangi bir değişikliğe yol açmayacaktır. Bu durum kılcal boru boyunca gerçekleşen basınç düşüm gradyeninin sonsuza gitmesi şeklinde gerçekleşmektedir. Sabit akış kesitinde, iki fazlı akış basınç düşüm ifadesi ile durum açıklanmaktadır; (2.12)
Kılcal boruda birim boy başına düşen ağırlık çok düşük olduğundan yerçekimi terimi ihmal edilir. Ayrıca sabit sıcaklık altında gazın özgül hacmi ile kuruluk derecesinin çarpımı çok küçük olduğundan bu terim de ihmal edilir. Denklem 2.12’nin yeni hali aşağıdaki gibidir. (2.13)
Basınç düşümü ifadesinin sonsuza gidebilmesi için paydanın sıfır olması gerekmektedir. İki fazlı akışlarda kolaylıkla sağlanabilen bu durum, belli bir soğutkan akış hızında gerçekleşmekte, akış boğulmakta ve kritik akış şartları sağlanmaktadır.
3. CT-SLHX’DE AKIġ VE ISI GEÇĠġĠ
Sunulan tez kapsamında incelenen kılcal boru emiş hattı-ısı değiştiricisinde (CT-SLHX) meydana gelen ışı geçişi ve basın düşümü durumları incelenmiştir.
Temel olarak akış, tek fazlı ve iki fazlı olmak üzere iki ana başlık altında değerlendirilmiştir.
3.1 Tek Fazlı AkıĢ
3.1.1 Düz boru içinde akıĢ
İç akışla ilgili bir problem çözülürken akşın tipini belirlemek gerekir. Düz boru içerisindeki akış tipini belirleyen Reynolds sayısı
(3.1) Şeklinde tanımlanır. Burada boru kesitindeki ortalama akışkan hızı, ise
borunun hidrolik çapıdır. İç akışlarda türbülansın başladığı kritik Reynolds sayısı, (3.2)
Olarak alınır. Ortalama hız:
Ortalama hız, akışkanın yoğunluğu ve borunun kesit alanıyla çarpıldığında boru içinden geçen akışkanın kütlesel debisini verecek şekilde tanımlanmıştır. Bu durumda
(3.3) Olur. Düz boru içerisindeki akışta, Reynolds sayısı böylelikle,
(3.4) Yazılabilir.
Tam geliĢmiĢ akıĢta basınç gradyeni ve sürtünme faktörü:
Basınç düşümü, gerekli pompa gücünü belirlediğinden, iç akışın sürekli olması için bu değerin bilinmesi gereklidir. Basınç düşümünü hesaplamak için,
(3.5)
Olarak tanımlanan Moody (Darcy) sürtünme katsayısı kullanılır. Tam gelişmiş laminer akışta,
(3.6) Olarak tanımlanır.
Tam gelişmiş türbülanslı akış için çözümleme karmaşıktır, bu nedenle deneysel sonuçlar önem kazanır. Reynolds sayısının geniş bir aralığı için sürtünme katsayıları Moody diyagramında verilir. Sürtünme faktörü Reynolds sayısının olduğu kadar boru yüzey pürüzlülüğünün de bir fonksiyonudur. Yüzey pürüzlülüğü e, olarak gösterilmiştir. Pürüzsüz yüzeylerde sürtünme faktörü düşük değerler alır ve yüzey pürüzlülüğündeki artışla yükselir. Pürüzsüz yüzey koşullarında oldukça iyi sonuç iki bağıntı,
(3.7)
(3.8)
Olarak verilmiştir. Diğer bir seçenek Petukhov(1970) tarafından geliştirilen ve geniş bir Reynolds sayısı aralığını kapsayan tek bir bağıntı şeklindedir.
(3.9)
ve buna bağlı olarak ’in tam gelişmiş olduğu bölgede sabit olduğu bilinmelidir. Denklem 3.5 den yararlanarak tam gelişmiş akışta boru boyunca basınç düşümü aşağıdaki gibi hesaplanır.
(3.10) Enerji dengesi:
Boru içi akışta enerjinin korunumu ilkesi uyarlanırsa, boru yüzeyinden akışkana taşınımla geçen ısı boru çıkışına kadar akışkanın sahip olduğu ısıl enerjideki değişim miktarına eşit olmalıdır, buna göre
(3.11)
Olarak yazılabilir. İç akışta Newton’un soğuma yasasına göre boru yüzeyinden akışkana taşınımla geçen ısı
(3.12)
Şeklinde yazılır. İki denklem eşitlenirse
(3.13) Sonucu elde edilir.
Laminer akıĢta tam geliĢmiĢ bölge için ısı geçiĢi:
Düz boru içerisindeki laminer akış teorik olarak incelenmiştir. Yüzeyde sabit ısı akısı şartı için
(3.14) (3.15) Olduğu bulunmuştur.
GiriĢ bölgesi için ısı geçiĢi:
Giriş bölgesi için enerji denklemini çözmek hız ve sıcaklığın hem radyal hem de eksenel yönde değişmesi nedeniyle güçtür. Kays (1955), Hausen (1943) aşağıdaki bağıntıyı önermiştir.
(3.16) Burada , olarak tanımlıdır. Bu bağıntı ısıl giriş uzunluğu problemine özgü olduğundan genellikle kullanılmaz. Birleşik giriş uzunluğu için Sieder ve Tate (1936)
Bağıntısını önermişlerdir. Yukarıdaki denklem, ve
i aralığında sabit sıcaklık sınır şartı altında geçerlidir. dışındaki tüm
özellikler ortalama akışkan sıcaklığında hesaplanır. Türbülanslı akıĢ için ısı geçiĢi:
Türbülanslı akış koşullarının incelenmesinde deneysel bağıntıların belirlenmesine daha büyük önem verilmiştir. Pürüzsüz düz borularda tam gelişmiş türbülanslı akış için yerel Nusselt sayılarını veren klasik bağıntı Colburn’a (1933) aittir.
(3.18) Dittus Boelter (1930) yukarıdaki denkleme göre daha yaygın kullanılan
(3.19)
Eşitliğini sunmuştur. Burada ısıtma için ( ) , soğutma için (Ti T)
alınır. Bu denklemler , ve için deneysel olarak doğrulanmıştır. Büyük özellik değişimleriyle tanımlanan akışlar için Sieder ve Tate (1936) aşağıdaki bağıntıyı önermişlerdir.
(3.20)
Bu denklem , ve için geçerlidir. Son iki denklem kolaylıkla uygulanabilir olmakla birlikte, kullanımda %25’den daha büyük hatalar verebilir.%10’dan daha az hatalı olan Petukhov (1970) tarafından verilen
(3.21) Bağıntısı ve değerlerinde geçerlidir. Daha
düşük Reynolds sayıları için, Gnielinski (1976) yukarıdaki denklemi tekrar düzenlemiş ve
(3.22)
Şeklinde ifade edilen ve değerleri için geçerli olan bağıntısını sunmuştur. Özellikler ortalama akışkan sıcaklığında alınmalıdır.
i
3.1.2 Halka kesitli boru
Halka kesitli boru içerisindeki akışta karakteristik boyut olan hidrolik çap,
(3.23) Olarak ifade edilir. 2300’den küçük Re sayılarında akış laminerdir. geçiş bölgesi olarak ifade edilir. 104’den büyük Re değerlerinde türbülans olacağı kesindir. Halka kesitli borularda üç tip sınır şartı mevcuttur,
İç borudan akışkana ısı geçişinin olup, dış borunun yalıtılmış,
Dış borudan akışkana ısı geçişinin olup, iç borunun yalıtılmış,
İç ve dış borunun her ikisinden de ısı geçişinin olduğu, şeklindedir.
Laminer akıĢ için sürtünme faktörü:
Sürtünme katsayısının tanımı için akış kesitinin geometrisine bağlı bir φ faktörü eklenerek halini alır. Denklemdeki φ faktörü Şekil 3.1’den okunur.
(3.24)
ġekil 3.1 : Halka kesitli borularda laminer akış için çap oranına bağlı faktörü (Heat Atlas)
Türbülanslı akıĢ için sürtünme faktörü:
Halka kesitli borularda türbülanslı durumdaki sürtünme katsayısı birçok araştırmacı tarafından incelenmiş ve çap oranına bağlı olduğu açıklanmıştır. Bu veriler geçerli olmakla birlikte çok küçük bir aralığı kapsamaktadır. Brighton ve Jones (1964) aralığı için çap oranına bağlı sürtünme faktörü verilerini sunmuşlardır. Düz boru bağıntılarını kullanmak için %10 arttırılması tavsiye edilir. Bu yaklaşımla Blasius aşağıdaki formülü geliştirmiştir.
(3.25) Halka kesitli borularda ısı geçiĢi:
Birçok iç akış problemi ortak eksenli borular arasındaki halkasal bölgede ısı geçişini içerir. Akışkan ortak eksenli borular arasında oluşan halkasal bölgeden geçer ve taşınımla ısı geçişi gerek içteki gerekse dıştaki boru yüzeylerine veya yüzeylerinden olabilir. Bu yüzeylerin her biri için sıcaklık ve ısı akısı bağımsız olarak belirlenebilir. Yüzeylerden ısı akıları aşağıdaki bağıntılardan hesaplanabilir.
, (3.26)
İç ve dış yüzeylerde taşınım katsayıları genellikle farklıdır. Bu durumda ilgili Nusselt sayıları,
(3.27) Buradaki hidrolik çaptır ve aşağıdaki gibi hesaplanır.
(3.28)
Çizelge 3.1 : Bir yüzeyi yalıtılmış diğeri sabit sıcaklıkta olan ortak eksenli borular arasındaki halkasal bölgede tam gelişmiş laminer akış için Nusselt
sayısı di/dd Nui Nud 0 - 3,66 0,05 17,46 4,06 0,1 11,56 4,11 0,25 7,37 4,23 0,5 5,74 4,43 1 4,86 4,86
Yukarıdaki tablo bir yüzeyi yalıtılmış diğeri sabit sıcaklıkta olan ortak eksenli borular arasındaki halkasal bölgede tam gelişmiş laminer akış için Nusselt sayısını vermektedir. Böyle durumlarda sadece sabit sıcaklıktaki yüzeyin taşınım katsayısının bulunması söz konusu olacaktır.
Tam gelişmiş türbülanslı akış için, etki katsayıları Reynolds ve Prandtl sayılarının fonksiyonudur. Bununla beraber ilk yaklaşım olarak iç ve dış taşınım katsayılarının eşit olduğu varsayılabilir ve Dittus Boelter denklemi yukarıda açıklanan hidrolik çap kullanılarak hesaplanabilir.
(3.29) Burada ( Ts>Tm ) için , soğutma için (Ts<Tm) alınır.
3.2 Ġki Fazlı AkıĢ
İki fazlı akışlarda, fazlar arasında ara yüzey oluşmakta ve bu ara yüzey özellikle gaz-sıvı akışlarda çok farklı şekiller almaktadır. Fazlar arası arayüzey geometrisi iki fazlı akış rejimleri incelenirken en önemli noktadır çünkü fazlar arası arayüzeydeki momentum, kütle ve ısı geçişleri akış ya da fazlar arası arayüzey geometrisi ile doğrudan ilgilidir. İki fazlı akışlarda ara yüzey üzerine en büyük etkiyi akış yönü yapar, akış yönüne göre yatay ve düşey iki fazlı akışlar olarak ikiye ayrılır. İki fazlı bölgede akışın karakteristiğini yerçekimi kuvveti ve buhar kayma kuvveti belirlemektedir. Akışa hâkim olan yerçekimi kuvveti ise akışta tabakalı ve dalgalı bir dağılım göstermektedir. Kayma kuvveti baskın olduğu durumlarda ise özellikle yüksek akış debili durumlarda halkasal akıştan bahsedilebilir. İçinde akış gerçekleşen borunun düşey veya yatay olmasına göre yerçekimi farklı etkiler göstermektedir. düşey borularda yerçekimi ivmesi akışa paralel etkirken, yatayda akış yönüne dik etki etmektedir. Bu dik etki sebebiyle yatay iki fazlı akışta daha fazla akış tipi vardır. 3.2.1 Yatay borularda iki fazlı akıĢ tipleri
Yatay borularda iki fazlı akışta yerçekimi ivmesinin akışa dik etki etmesinden dolayı akış tipleri çok çeşitlilik gösterir. Şekil 3.2 de yatay borularda görülen iki fazlı akış tipleri yer almaktadır.
ġekil 3.2 : Yatay borularda iki fazlı akış tipleri (Collier ve Thome, 1996)
Kabarcıklı AkıĢ:
Gaz kabarcıkları sıvı içerisinde yüksek konsantrasyonda yüzebilme etkisinden dolayı yatay borunun üst kısmında dağılım gösterir. Kayma gerilmesi baskın olduğu takdirde kabarcıklar borunun her yerine düzgün bir şekilde dağılır. Yatay boruda bu akış tipi yüksek kütlesel debilerde görülür.
Katmanlı akıĢ:
Düşük sıvı ve gaz hızlarında iki faz tamamen birbirinden ayrılmıştır. Gaz fazı borunun üstünden, sıvı ise alt kısmından akar, bozulmamış bir yatay arayüzle ayrılmıştır.
Darbeli (Slug) AkıĢ:
Kesintili akışın bir çeşididir, yüksek gaz hızlarında, arayüzde oluşan dalgalar borunun üstüne değebilecek genlikte olur, uzamış kabarcık çapları kanal yüksekliğine benzer boyuta gelir.
Tıkaç (Plug) AkıĢ:
Bu akış tipi de kesintili akışa dâhil edilir. Sıvı tıkaçlar uzamış gaz kabarcıklarıyla ayrılır. Kabarcık çapları kanal boyundan küçüktür. Kanalın alt kısmından sıvı faz birbirine tutunur.
Dalgalı (Wavy) AkıĢ:
Tabakalı akışta gaz hızını artmasıyla, dalgalar arayüzde sıralanır ve akış yönünde ilerler. Dalgaların genliği belirgin olmakla birlikte tepe noktası kanala değmez ve iki fazın bağıl hızına bağlıdır. Dalgalar kanalın yan yüzeylerine tırmanır dalgaların geçişi ile ince sıvı film yüzeyden ayrılır.
Halkasal AkıĢ:
Yüksek gaz hızlarında, sıvı yatay borunun çevresini saracak şekilde halkasal bir film oluşturur, film kalınlığı alt yüzeyde daha azdır. Halkasal sıvı ile buhar gövdesinin arayüzünde küçük genlikte düzgün dalgalar oluşur, bazen de gaz gövdesinin içinde küçük damlalar görülür.
3.2.2 DüĢey borularda iki fazlı akıĢ tipleri
Düşey iki fazlı akışlar düşey doğrultuda fazların dağılımı yatay akıştan farklı olarak yerçekiminden etkilenmez. Düşey iki fazlı akışta görülen akış tipleri şekil 3.3 de verilmiştir.
ġekil 3.3 : Düşey borularda iki fazlı akış tipleri (Collier ve Thome, 1996)
Kabarcıklı AkıĢ:
Birçok kabarcık ayrık formda sürekli sıvı faz içine dağılmıştır. Bu kabarcıklar büyüklük ve şekil olarak çeşitlilik arz eder, fakat genellikle küresel ve çapları da kanal çapından küçüktür.
Darbeli (Slug) AkıĢ:
Gazın boşluk oranı arttıkça, kabarcıklar birbirine çok yakınlaşır birleşip çapları boru çapına benzer boyuta gelerek daha büyük kabarcıklar oluştururlar. Bu kabarcıklar karakteristik bir görünüş kazanarak yarı küresel uçlu ve küt kuyruklu mermiye benzer ve Taylor kabarcıkları olarak anılırlar. Taylor kabarcıkları içinde küçük
