TWO PHASE FLOW IN HEAT EXCHANGER MANIFOLDS
Nur Pehlivanoğlu DönmezArş. Gör.,
İstanbul Teknik Üniversitesi, Makina Fakültesi,
Makina Mühendisliği Bölümü, Gümüşsuyu, İstanbul Research Asst.,
İstanbul Technical University, Faculty of Mechanical Engineering, Gümüşsuyu, İstanbul, Turkey
Seyhan Uygur Onbaşıoğlu*
Prof. Dr.,
İstanbul Teknik Üniversitesi, Makina Fakültesi,
Makina Mühendisliği Bölümü, Gümüşsuyu, İstanbul Prof. Dr.,
İstanbul Technical University, Faculty of Mechanical Engineering, Gümüşsuyu, İstanbul, Turkey onbasiogl1@itu.edu.tr
ISI DEĞİŞTİRİCİSİ MANİFOLDLARINDA İKİ FAZLI AKIŞ
ÖZET
Manifoldlar, birçok alanda kullanılmakla birlikte, özellikle ısı değiştiricilerinde, çalışma akışkanının kanallara eşit dağılımının sağlanması açısından tasarım çalışmaları geniş bir yelpazede sürdürülen elemanlardır. Tasarıma etkiyen parametre sayısı, faz değişimi sözkonusu olduğunda artmaktadır. Li-teratürde; kütlesel akı, akışkanın manifold girişindeki kuruluk derecesi, manifold ve kanal çapları, akışın yönü, akışın kanala girmeden önceki gelişmişliği, kanalların manifolda göre konumları gibi birçok parametre ayrı ayrı kullanım alanlarına özgü olarak değerlendirilmişlerdir.
Bu çalışmada ise, manifoldlardaki iki fazlı akışın dağılımına ilişkin yaklaşımlar, probleme özgü uy-gulamalardan ortak bir payda elde edilerek, akışkanın özelikleri ve faz değişimi mekanizması teme-linde genelleştirilmiş; akış rejiminin manifold boyunca yavaş değişimine dayalı bir tasarım yaklaşımı önerilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Manifoldlar, iki fazlı akış, akış rejimleri
ABSTRACT
Manifolds are being used in many applications and investigated for a widely spread area to supply an even distribution of the working fluid into the channels, especially in heat exchangers. The number of parameters for the manifold design increases when two phases of the working fluid exist. Too many parameters have been evaluated and reported in literature. These are mostly, mass flux, the inlet qu-ality, diameters of the manifold and the channels, direction of the flow, the development of the flow previous to the entrance to the channel, the locations of the channels with respect to the manifold. In the current study, the approaches to the distribution of the two phase flow in the manifolds have been generalized based on the fluid properties and phase change mechanism. A design approach rela-ted to the gradual change of the flow regime throughout the manifold is recommended.
Keywords: Manifolds, two phase flow, flow regime * İletişim yazarı
Contact author
Geliş tarihi : 15.05.2013 Kabul tarihi : 25.09.2013
Pehlivanoğlu, Dönmez, N., Uygur, Onbaşıoğlu, S. 2013. “Isı Değiştiricisi Manifoldlarında İki Fazlı Akış,” Mühendis ve Makina, cilt 54, sayı 645, s. 14-27.
1. GİRİŞ
A
kışın ve ısının düzgün dağılımı, ısı değiştiricilerininverimi ve genel olarak istenilen ısı geçişinin gerçek-leştirilmesi üzerinde önemli ölçüde etkilidir. Isı de-ğiştiricilerinde düzgün olmayan bir akış dağılımı, toplam ısı geçiş katsayısının konuma bağlı değişimine, dolayısıyla, ısı geçişinin de düzgün olmamasına yol açacaktır. Batı dillerin-de Latince “kötü” anlamına gelen “male” dillerin-den türetilmiş olan ve “kusurlu”luk durumunu ifade eden “mal” öneki ile birlikte kullanılan “düzgün olmayan dağılım” (maldistribution), ima-lat aşamasındaki hatalardan kaynaklanabileceği gibi, akış ve akışkan da bu olumsuz sonuca neden olabilir (Müeller,1988). Manifold akışı uygulamalarında varılan ilk sonuçlar, akışın manifold içerisine iki fazlı olarak girmesi durumunda, sıvı ve gaz fazları arasındaki yoğunluk ve viskozite farklılıkları nedeniyle akışın ayrışması sonucunda manifolddaki akışın kanallara düzgün dağılımının sağlanmadığı yönündeydi (Kit-to,1989). Akışın kanallara dağılımı üzerindeki asıl etken ma-nifold içerisindeki ve kanallardaki basınç düşümüdür. Özel-likle ısı değiştiricilerinde, basınç düşüşünün artması, akışın kanallarda eşit dağılımının sağlanamamasıyla ısı geçiş alan-larının, dolayısıyla ısı değiştiricisinin etkinliğinin azalması-na yol açmaktadır. Kulkarni vd. (2004) yaptıkları çalışmada, R410 akışkanı kullanılan mikro kanallı buharlaştırıcıdaki yatay dağıtıcı manifoldunda oluşan basınç düşümünün ve düzgün olmayan akış dağılımının buharlaştırıcının kapasite-sini %20 azaltığını tespit etmişlerdir. Düzgün olmayan akış dağılımıyla, buharlaştırıcılarda kanalların büyük çoğunlu-ğunda sadece buhar fazının bulunması, kuruma bölgelerine ve bu bölgelerde ısı geçiş katsayısının hızla düşüşüne neden olmaktadır. Yoğuşturucularda düzgün olmayan akış dağılımı, aşırı sıvı dolu kanallar oluşturmasıyla ısı geçiş katsayısının düşüşüne yol açmaktadır.
Manifold ve kanallarda basınç düşümünün, akışın yanlış dağılımına neden olmasının önüne geçmek için, çeşitli tasa-rımların yapılabileceği literatürde öngörülmüş; bu tasarımla-ra öncülük eden tek fazlı akışın koşullarındaki analitik ve sayısal sonuçlar verilmiştir (Tong vd., 2007a, Sparrow vd., 2007, Wang vd., 2011). Fakat; geliştirilen bu yöntemlerde ve son olarak önerilen genel teoride (Wang vd., 2011), düzgün olmayan akışın kaynaklandığı, akışa bağlı olan parametrele-rin (örneğin Reynolds sayısı) çok az etkili olduğu belirlenmiş; basınç düşümü ile dağılım oranı arasındaki ilişki, i-) manifold kesit alanının uzunluğuna oranı, ii-) manifold kesit alanının toplam kanal çıkış kesit alanına oranı ve iii-) kanallardaki toplam basınç düşümüne bağlı olarak verilmiştir. Vist ve Pet-tersen (2004) iki fazlı bir akışta, bu geometrik parametre-lerin yanı sıra kütlesel debi, akış karakteristiği ve manifold girişindeki kuruluk derecesinin de etkili olduğunu belirtmiş-lerdir. Birçok araştırmacı bu parametrelere ilaveler yaparak çalışmalarını genişletmişlerdir. Manifoldlardaki tek fazlı akış
1. INTRODUCTION
*T
o distribute the flow and the heat evenly has asignificant effect on the performance of the heat exchangers. An uneven flow in heat exchangers will result in different values of the total heat transfer coefficient at different locations, and finally in an uneven heat transfer. In Western languages, the word, “mal” has been generated from the Latin Word “male” which means “bad”. The Word “Maldistribution” meaning uneven distribution may result from the fluid and flow, as well as the faults during the manufacturing (Müeller, 1988). The early conclusions for the maldistribution during the two phase flow in the manifolds were related to the density and the viscosity differences between the gas and liquid phases (Kitto, 1989). The main factor on the distribution of the flow into the channels is the pressure drop within the manifold and the channels. Especially in the heat exchangers, the increase in the pressure drop effects the distribution and reduces the efficiency. According to Kulkarni et al. (2004), the performance reduction by flow mal-distribution could be as large as 20%, for a micro channel evaporator, in which a horizontal distributor manifold has been used. Due to the maldistribution, only vapor phase exists in most of the channels and this situation results in dry put followed by the sudden reduction in the heat transfer coefficients. For the condensers on the other hand, the heat transfer coefficients decrease because of the excess liquid filling the channels. To prevent the pressure drop and the maldistribution for the single phase flow, analytical and computational methodologies for the design of manifold systems have been presented in literature (Tong et al., 2007a, Sparrow et al., 2007, Wang et al., 2011). But in all these methodologies and the most general one (Wang vd.,2011), the flow related parameters, i.e. Reynolds number, resulting in maldistribution have been considered as less effective and the following parameters have been indicated as the most important: i-) the ratio of the manifold cross section area of the manifold to its length, ii-) the effect of the cross section area of the manifold to the total cross-section areas of the channels and iii-) the total pressure drop within the channels. Vist and Pettersen (2004) have stated that for the two phase flow, besides these parameters, also mass flux, flow regime and the inlet quality are also important. The following studies have been expanded by considering the additional parameters. Similar to the single phase studies, a generalized theory is necessary fort he even distribution of the two-phase flow in the manifold systems. However, since the geometry and the flow conditions are different in each application the classification of the conditions should be related to this generalized theory. For an upward vertical flow and a downward vertical manifold result in fully
çalışmalarında olduğu gibi iki fazlı akış koşullarında da ka-nallara akış dağılımının tespiti için genel bir teoriye gerek-sinim duyulmaktadır. Geometrik ve akış koşullarının her uy-gulamada farklı olması nedeniyle her uygulama için ayrı bir teorem oluşturma zorunluluğu da mevcuttur. Örneğin alttan düşey dağıtıcılı yatay bir manifold ile üstten düşey dağıtıcılı yatay bir manifold aynı geometriye sahip olsalar bile, birbiri-ne tamamen zıt akış dağılımları oluşturmaktadır. Bu birbiri-nedenle, kompakt ısı değiştiricilerinden, levhalı ısı değiştiricilerine ve boru demetlerine dek birçok uygulamada, o uygulamaya özgü çalışmalar yapılmış; uygulamanın gerektirdiği parametreler ön plana çıkarılmıştır. Akış dağılımının hesaplamalı olarak modellenmesiyle ilgili olarak da çok sayıda çalışma literatür-de mevcuttur (Ablanque vd., 2010; Moura,1990; Tompkins vd., 2002; Stevanovic vd., 2012; Fei ve Hrnjak 2004). Ayrıca; son yıllarda hızla gelişen mini ve mikro kanallarda iki fazlı akış uygulamaları da probleme yeni parametreler eklen-mesini gerektirmiştir. Bu parametrelerden bazıları: yüzey ge-rilim kuvvetinin akış rejimlerine etkisi, kanalların membranlı olup olmayışı, membran sayısı ve geometrik yapısı vb. olarak sıralanabilir. Mikrokanal tasarımları, kanallara düzgün akış da-ğılımı sağlandığı varsayımıyla yapıldığında, makro kanallara kıyasla ısı geçiş alanlarında artış sağlamasıyla ısı geçişinin ve ısı değiştiricisi etkinliğini artırmaktadır. Fakat uygulamalar ve deneysel çalışmalar göstermektedir ki, kesit alanının daralması basınç düşümünü artırmakta ve buna ek olarak doğru manifold geometrisi ve uygulamaya uygun doğru akış yönü seçilmedi-ğinde, kanallarda düzgün olmayan akış dağılımı oluşmakta ve bu durum ısı değiştiricinin büyük bir bölümünde ısı geçiş kat-sayısının ani düşüşüne neden olmaktadır. Bu da kesit daralma-sıyla sağlanmak istenen ısı geçiş artışının aksine, tüm sistem verimini olumsuz etkileyen koşullar oluşturmaktadır. Bowers vd. (2012) çalışmalarında 10 kW kapasiteli R410 kullanılan mikrokanallı ısı değiştiricisinde manifold ve kanallardaki akış yönünün ısı değiştirici performansı üzerindeki etkisini deney-sel ve analitik olarak incelemişlerdir. İncelenen üç farklı durum içerisinde, manifoldun yatay kullanıldığı durumlarda, sıvı fa-zın kanallardan 1/3’üne dağıtılamadığı; fakat, manifold düşey olarak yerleştirildiğinde, dağılımın görece iyi olduğu ve bu du-rumun ısıl performansı artırdığı tespit edilmiştir.
2. TASARIM PARAMETRELERİNE
İLİŞKİN TANIMLAR
Isı değiştiricilerinde iki fazlı akışın manifolddan kanallara da-ğılımını çalışan araştırmacılar, sonuçlarını çalıştıkları uygu-lamaya göre farklı tanımlarla literatüre kazandırmışlardır. Bu tanımları yeniden ele almakta fayda görülmektedir.
Manifold: Dilimize “ana hat” diye çevrilebilecek olan bu te-rim, birden fazla çıkışı olan kanallar için kullanılmaktadır. Ancak; “ana hat”a birden fazla giriş olması durumunda da “manifold” tanımı yapılmaktadır. Bu nedenle, manifoldlar “dağıtıcı “ ve toplayıcı olarak iki sınıfa ayrılabilir. Dağıtıcı ve
opposite flow distributions, in spite of their having the same geometrical conditions. For this reason from the compact heat exchangers to the plate ones and the shell and tube ones, case related studies have been performed in a very wide range and the parameters were presented as specified for the application. To predict the flow distribution, computational studies are also present in literature (Ablanque et al., 2010; Moura,1990, Tompkins et al., 2002; Stevanovic et al., 2012, Fei and Hrnjak 2004).
On the other hand, the applications of the two phase flow in mini and micro channels developed within the last decade needed new parameters for the design of man, fold systems. Some of these parameters are the effect of surface tension on the flow regime, using of membranes in the channels, the number and the structure of the membranes etc. When the micro channels are designed with a uniform distribu-tion of the flow from the manifold to the channels, the heat transfer rate and the efficiency of the heat exchanger in-crease. However, in the actual cases the flow distribution is not uniform due to the increasing pressure resulting from the narrowing cross sections. Also, the incorrect design for the flow direction and the manifold geometry is another reason for the uneven flow distribution in the micro channel manifolds. Thus; in most parts of the micro channel heat exchangers, the heat transfer coefficient decreases and the scope of increasing heat transfer rates by decreasing the sizes fails.
Bowers et al. (2012), for example, investigated the flow di-rection in the manifold and the channels in a micro channel heat exchanger of 10kW on the heat exchanger efficiency, where R410 had been used as the working fluid. In their experimental and analytical study, it was concluded that the liquid phase could not been distributed to the channels when a horizontal manifold had been used but a better dis-tribution was possible when the manifold and the channels had been positioned vertically and horizontally, respec-tively.
2. DEFINITONS REGARDING TO
DESIGN PARAMETERS
Researchers investigating the distribution of the two phase flow from the manifold into the channels reported their re-sults with specific definitions for their own applications. We think that it would be useful to review and generalize these definitions. Below the common concepts are given:
Manifold: In Turkish language, manifold can be translated as “main line”. It means a channel with exits more than one but also a “main line” with more than one inlet is called as manifold. For this reason, the manifolds can be classified as
toplayıcı manifoldlar, literatürde, sırasıyla, “çıkış” ve “giriş” manifoldları olarak da geçmektedir (Vist ve Petersen, 2004). Bazı kaynaklar ise, manifoldu başlık (header) olarak da ad-landırmaktadırlar (Kim vd., 2006, Hrnjak, 2004). Şekil 1’de ısı değiştiricisi üzerinde, dağıtıcı ve toplayıcı manifoldları ve uygulamalarda çoğunlukla tercih edilen kanal ve manifoldla-ra ait tipler ve etken geometrik pamanifoldla-rametreler gösterilmektedir. Şekil 2’de ise uygulamalarda sıklıkla karşılaşılan manifold ve kanallardaki akış yönleri belirtilmiştir. Bunlara ek olarak, dağıtıcı ve toplayıcı manifoldlarındaki giriş ve çıkış akış yön-lerinin, birbirine göre konumuna bağlı olarak, manifold sis-temleri, U ve Z tipi olarak adlandırılmaktadır. Bu çalışmada da bu şekilde adlandırılacaklardır.
T Bağlantısı: Manifoldaki akışa dik yönde bir çıkışı ya da gi-rişi ifade eden en basit manifold tipidir. Manifold çalışmaları-nın erken aşamalarında çalışılmış geometrilerdir. Bu geomet-rilerde, iki fazlı akış için elde edilen sonuçların, manifoldlara uygulanamayacağı öngörülmektedir (Vist ve Pettersen, 2004). Özellikle kanal çeperlerinin manifold içerisindeki girintileri-nin akış dağılımına etkisigirintileri-nin incelenmesinde, bu bağlantılar-la genel bir fikir edinilmesi doğru adım obağlantılar-labilir (Lee ve Lee, 2005). Literatürde “intrusion depth” veya “protrusion” olarak adlandırılan, kanal çeperlerinin manifold içerisindeki girinti-si; bu çalışmada “girinti derinliği” tanımıyla temsil edilecektir (Şekil 1).
“distribution” and “collection”. Distribution and collection manifolds are also called as “outlet” and “inlet” manifolds in some of the papers (Vist and Petersen, 2004), respectively. In general, manifolds can be named as “headers” (Kim et al., 2006, Hrnjak, 2004). Fig. 1 distribution and collection mani-folds, common manifold and channel types, as well as the geometric parameters. The mostly used flow directions are shown in Fig. 2. Additionally, depending on the positions of the inlet and outlet flow directions with respect to each other, manifold systems are called as U type and Z type. The same notation will be used in the present review.
T Junction: It is the simplest type of the manifold systems, where there is a unique inlet to or outlet perpendicular to the manifold. These junctions have been studied in the early analysis of the manifold systems. It is stated that the results obtained for the two phase flow in these geometries are not applicable to the manifolds (Vist and Pettersen, 2004). How-ever, especially, to analyze the effect of the protrusion depth (Fig. 1) on the flow distribution, an overview relation is pos-sible by using these types of junctions (Lee and Lee, 2005). It should be noted that “protrusion depth” is also used as “intrusion depth” in literature.
Channel: The flow media exiting from the distribution mani-fold and inlet to the collection manimani-fold are called
“chan-Dağıtıcı Manifold Distribution Manifold Toplayıcı Manifold Collection Manifold Girinti Derinliği = 0 Protrusion = 0 e : Girinti Derinliği e : Protrusion Manifold Tipleri Manifold Types Kanal Tipleri Tubes Types
Normal Giriş (Kanallarla Paralel)
Normal Inlet (Paralel to Tubes)
Yan Giriş (Kanallara Dik)
Side Inlet (Vertical to Tubes)
Normal Giriş (Kanallara Dik)
Normal Inlet (Vertical to Tubes)
Akışın Manifolda Giriş Doğrultusu
Inlet Flow Directions
Şekil 1. Manifold Şematik Gösterimi ve Akış Tasarımı Figure 1. Schematics of Different Manifold and Flow Designs
Kanal: Dağıtıcı manifolddlarda, anahattan çıkan; toplayıcı manifoldlarda anahata giren akış ortamları genel olarak “ka-nal” (channel veya conduit) diye isimlendirilmektedir (Şe-kil 1). Kanallar da manifoldlar gibi dikdörtgen veya dairesel kesitlerde olabilirler. Kanal-manifold sistemi, manifoldun konumuna göre yatay veya düşey olarak isimlendirilebilir (Koyama vd., 2006). Bu tanıma göre yapılan bir tek fazlı akış çalışmasında Wang vd. (2011) kanal sayısının azaltılması ve manifold girişinden ilk kanala olan mesafenin artırılmasının dağılımı iyileştireceği sonucuna varılmıştır.
nels” or conduit (Fig. 1). Similar to the manifolds, channels can be with rectangular or circular cross sections. Channel and manifold system can be named as “horizontal” or “ver-tical” depending on the position of the manifold (Koyama et al., 2006). According to a single phase study based on this classification Wang et al. (2011), it was concluded that decreasing the number of the channels and increasing the distance from the manifold entrance to the first channel im-proved the flow distribution.
3. TASARIMA ETKİ EDEN
PARAMETRELERİN İRDELENMESİ
Manifold sistemlerinde iki fazlı akışa etki eden parametreler i) giriş koşulları, ii) geometri, iii) akış yönü olmak üzere üç grupta incelenmektedir.Giriş koşulları: Bu grup içinde yer alan parametreler şunlar-dır: Kullanılan akışkan veya akışkanlar, akışın kütlesel akısı, sisteme uygulanan ısı akısı, kuruluk derecesi vb.
Geometri: Burada incelenen parametreler, manifold ve kanal geometrileri ve boyutlarıdır. Şekil 1'de gösterildiği gibi, mani-fold; dairesel, dikdörtgen ve d kesitli olabilmektedir. Kanallar ise, tekli veya membranlı olmak üzere ikiye ayrılmakta; bun-lar kendi içlerinde dairesel, dikdörtgen ve yassı kesit şeklinde adlandırılmaktadır. Manifold ve kanalların çap ve uzunlukları (h,W,L,H), manifold çapının kanal çapına oranı (h/L), kanal sayısı, manifold giriş ile ilk kanal arasındaki mesafe, kanallar arasındaki mesafe (s), manifolda akış sağlayan kanalın uzun-luğu (w) ve çapı, girinti derinliği (e) vb. sıralanmaktadır (Şe-kil 1).
Akış yönü: Bu başlık altında incelenecek tasarım parametre-leri ise manifold yerleşimi ve manifolda giren akışın yönü, kanal yerleşimi ve kanaldaki akışın yönü olarak sıralanmakta, Webb vd. (2005) tarafından yapılan çalışmada özetlenmekte-dir (Şekil 2).
Tablo 1’de farklı geometriler ve farklı akışkanlar için yapılan çalışmalarda kullanılan kütlesel akı ve girişteki kuruluk dere-cesi değerleri verilmiştir.
Bu parametrelerin birbirleriyle olan ilişkileri, iki fazlı akışın manifold girişindeki şekliyle ilgilidir. Giriş koşulları ve ge-ometrik parametreler, girişteki akış rejimini belirlerken ma-nifold ve kanallardaki akış yönleri, akışın kanallara düzgün dağılımını etkilemektedir. Bu nedenle akış yönleri akış rejim-lerine göre seçilmelidir.
Vist ve Petersen (2004)'in, yaptığı çalışmada 5 kW soğutma kapasiteli bir otomobil klimasında buharlaştırıcı olarak kul-lanılan kompakt ısı değiştiricisinin dağıtıcı manifold sistemi incelenmiş; bu nedenle çok küçük kütlesel akı değerleri kul-lanılarak deneyler gerçekleştirilmiştir. Modellenen ısı değiş-tiricisinin girişindeki kuruluk derecesi 0.11, 0.28, 0.39 ve 0.5 olarak alınmış; manifoldlar alltan dağıtıcılı ve üstten dağıtıcılı olmak üzere ayrı ayrı incelenmiştir. İki farklı manifold çapı (8 mm ve 16 mm ) ve 4 mm iç çaplı 10 paralel kanalla yapılan deneylerin sonucunda, kütlesel debinin etkili olmadığı; buna karşılık girişteki kuruluk derecesinin artmasıyla birlikte buhar dağılımının her durumda iyileştiği gözlemlenmiştir. Deneyler, buharlaştırıcıyı modellemek üzere yapılmış; soğutucu akışkan olarak R134a, ısı kaynağı olarak ise tek fazlı su kullanılmıştır. Isı akısı değişiminin sonuçlara etkisi su sıcaklığı değiştirile-rek gözlenmiş; fakat çok belirleyici bir etki elde
edilememiş-3. ANALYSIS OF THE DESIGN
PARAMETERS
The parameters on the two phase flow in manifold systems are classified into three groups: i) inlet conditions, ii) geometry, iii) and flow direction.
Inlet conditions: The working fluid or fluids, mass flux, the heat flux to the system, inlet quality etc…
Geometry: These are the geometry and sizes of the manifold and the channels. As it is illustrated in Fig. 1, manifolds may be with circular, rectangular and “d” type cross sections. Channels may be with and without membranes, and their cross sections may be circular, rectangular and flat as mentioned above. The diameter and length of the manifold and the channel (h, W, L, H), ratio of the manifold diameter to the channel diameter (h/L), number of channels, the distance between the entrance of the manifold and the first, the distance between the channels (s), the length (w) and the diameter of the tube supplying the fluid to the manifold, the protrusion depth (e) etc. (Fig. 1) are among these types of parameters.
Flow direction: These parameters are the position of the manifold, the direction of the flow entering into the mani-fold, the location of the channels and the flow direction within the channels are summarized in Webb et al. (2005) (Fig. 2).
The mass flux and inlet quality values used in various studies are listed in Table 1.
The relations of all these parameters depend on the flow pat-tern at the entrance of the manifold. Inlet conditions and the geometric parameters determine the flow pattern at the entrance of the manifold, while the flow directions within the manifolds and the channels effect the flow distribution. For this reason, the flow should be directed due to the flow patterns.
Vist and Petersen (2004) investigated distribution manifold of a the compact heat exchanger, used as evaporator in automotive air conditioner with cooling capacity of 5 kW, where the mass flux is very small. The inlet qualities were 0.11, 0.28, 0.39 and 0.5; and upward and downward distribution manifolds were tested, separately. Manifolds were designed for two different diameters, 8 mm and 16 mm, and 10 parallel channels with inner diameter of 4 mm were connected to the manifolds. It was observed that the mass flux was not effective, but with the increasing value of the inlet quality, the vapor distribution was improved. Experiments were performed to model the evaporator where the working fluid was and R134a and the heat was rejected from a source of liquid water. The variation in the heat flux was provided by changing the water temperature. However, not a significant correlation has been obtained. In the paper
Üstten Dağıtıcılı Yatay
Upward Horizontal Distrubution
Alttan Dağıtıcılı Yatay
Downward Horizontal Distribution
Üstten Toplayıcı Yatay
Upward Horizontal Collection
Yatay Manifold Dikey Kanal
Horizontal Manifold Vertical Tubes
Alttan Toplayıcı Yatay
Downward Horizontal Collection
Düşey Manifold Yatay Kanal
Vertical Manifold Horizantal Tubes
Yatay U Akış Horizontal U Flow Düşey U Akış Vertical U Flow Yatay Z Akış Horizontal Z Flow Düşey Z Akış Vertical Z Flow
Yatay Normal Akış
Horizontal Normal Flow
Düşey Normal Akış
Vertical Normal Flow
Şekil 2. Manifold Tipleri, Manifold ve Kanallarda Akış Yönleri (Webb vd.,2005) Figure 2. Manifold Types, Flow Directions in Manifolds and Channels ( Webb et al.,2005)
Yazarlar Akışkan Kütlesel Akı / Kütle Akış Hızı Kuruluk Derecesi Manifold T ipi ve Çapı (mm) Kanal T ipi ve Çap (mm) Akış Yönü
Girinti Derinliği/ Manifold Çapı
Manifolda Ge
-çişi Sağlayan Kanalın Uzun
-luğu [mm] Lee (2009) Hava-Su 70 – 160 kg/m 2s 0.3 – 0.7 14×14 12×1.6
Kim & Byun (2013)
R134a 70 – 130 kg/m 2s 0.2 – 0.6 W attabe (1995) R 11 40 – 120 kg/m 2s 0 - 0.4 Yatay Ø20 Ø6 ID ↓ Tompkins (2002) Hava-Su 50 – 400 kg/m 2s 0 - 0.4 Yatay ↓ 0
Vist & Pettersen
(2004) R134a 12 – 21 kg/m 2s 0 - 0.5 Ø8 &16 Mikro kanal ↑↓ 0 50 & 250 Koyama (2006) R134a 130 kg/m 2s 0.1 - 0.4 Yatay Ø9 ↓ 0, ½, değişken 70 Bowers (2006) R134a 46 – 107 kg/m 2s 0.05 - 0.35 Yatay Ø20 Mikro kanal ↓ 0, ½, ¾ 90 & 265
Kim & Han (2008)
Hava-Su 70 – 130 kg/m 2s 0 - 0.6 Cho (2003) R22 60 kg/m 2s 0.1 - 0.3 Yatay ve Düşey Ø19.4 ↓← Marchitto (2008) Hava-Su Yatay Ø26 ↑ 0 2000 Kim (2006 ) R134a 16–90g/s 0.2 – 0.6 Yatay Ø17 ↑↓ 0, ½ Poggi (2007) HFE – 7100 3-130g/s 0.1 – 0.9 Düşey & yatay Ø16 Mikro kanal ↑← 90
Vist & Pettersen (2003-2004)
CO 2 & R134a 25-42g/s 0.1 1 – 0.5 32 ↑↓ 0 50 & 250 Yoo (2002) Hava-Su 9-23g/s 0.03 – 0.48 Düşey & Yatay 5.4 &15.1 Mikro kanal ↓← 0 50 & 250 Zhang (2003) R134a 15-35g/s 0 – 0.35 Yatay 5.4 - 15.1 ↑ 0 50 & 250 Bernoux (2001) R1 13 35-100 Yatay Ø50 ↓ 0 100
Cho & Cho (2003)
R22 38 – 43g/s 0.1 – 0.2 Yatay Ø19.4 Mikro kanal ↑ Hwang (2004) R134a 30 – 60g/s 0.15 – 0.45 Yatay Mikro kanal ↑ Kim (2003) Hava-Su 1 – 4g/s 0.1 – 0.3 Yatay Ø5 ↑ 0, ½, 1
Kim & Han (2008)
Hava-Su 16 – 30g/s 0.2 – 0.6 Yatay Ø17 Mikro kanal ↓↑ 0, ¼, ½ 64
Kim & Sin (2006)
Hava-Su 16 – 45g/s 0.2 – 0.6 Yatay Ø17 Mikro kanal ↓↑ 0, ¼, ½ 1000
Lee & Lee (2005)
Hava-Su Düşey 14x14 Mikro kanal ← 0 1650 Hwang (2007) R410a 106 – 212 kg/m 2s 0.15 – 0.45 Yatay 19 mm Mikro kanal 1.70 mm ↑ ½ 190 Kim (201 1) R134a 70-130 kg/m 2s 0.2-0.6 Yatay ↓ 0 W atanabe (1995) R 11 60-120 kg/m 2s 0-0.4 Yatay ↑
Kim & Byun (2013)
R134a 70-130 kg/m 2s 0.2-0.6 Yatay 17 mm Mikro kanal ↑ 0 Bowers (2012) R410A 47-68 g/s Yatay&Düşey Mikro kanal ↓↑← Zou &Hrnjak (2013) R134a 92-276 kg/m 2s 0.2-0.8 Düşey 14.94 mm Mikro kanal ↑ ¾ ½ Tablo 1.
Manifold Sistemlerinde İki Fazlı Akışla Ilgili Çalışmalar
Authors
Fluid
Mass flux / Mass
flow rate
Inlet quality
Manifold type and diameter (mm) Channel type and diameter
(mm)
Flow direc
-tion
Protrusion depth/ manifold diameter
Diameter of the
tube supplying flow to the manifold
(mm) Lee (2009) Air – W ater 70 – 160 k g/m 2s 0.3 – 0.7 14×14 12×1.6
Kim & Byun (2013)
R134a 70 – 130 k g/m 2s 0.2 – 0.6 W attabe (1995) R 11 40 – 120 k g/m 2s 0 - 0.4 Horizontal Ø20 Ø6 ID ↓ Tompkins (2002) Air – W ater 50 – 400 k g/m 2s 0 - 0.4 Horizontal ↓ 0
Vist & Pettersen (2004)
R134a 12 – 21 k g/m 2s 0 - 0.5 Ø8 &16 Micro channel ↑↓ 0 50 & 250 Koyama (2006) R134a 130 k g/m 2s 0.1 - 0.4 Horizontal Ø9 ↓ 0, ½, varied 70 Bowers (2006) R134a 46 – 107 k g/m 2s 0.05 - 0.35 Horizontal Ø20 Micro channel ↓ 0, ½, ¾ 90 & 265
Kim & Han (2008)
Air – W ater 70 – 130 k g/m 2s 0 - 0.6 Cho (2003) R22 60 k g/m 2s 0.1 - 0.3 Horizontal and V ertical Ø19.4 ↓← Marchitto (2008) Air - W ater Horizontal Ø26 ↑ 0 2000 Kim (2006 ) R134a 16–90 g/s 0.2 – 0.6 Horizontal Ø17 ↑↓ 0, ½ Poggi (2007) HFE – 7100 3-130 g/s 0.1 – 0.9
Vertical & Horizontal
Ø16
Micro channel
↑←
90
Vist & Pettersen (2003-2004)
CO 2 & R134a 25-42 g/s 0.1 1 – 0.5 32 ↑↓ 0 50 & 250 Yoo (2002) Air – W ater 9-23 g/s 0.03 – 0.48
Vertical & Horizontal
5.4 &15.1 Micro channel ↓← 0 50 & 250 Zhang (2003) R134a 15-35 g/s 0 – 0.35 Horizontal 5.4 - 15.1 ↑ 0 50 & 250 Bernoux (2001) R1 13 35-100 Horizontal Ø50 ↓ 0 100
Cho & Cho (2003)
R22 38 – 43 g/s 0.1 – 0.2 Horizontal Ø19.4 Micro channel ↑ Hwang (2004) R134a 30 – 60 g/s 0.15 – 0.45 Horizontal Micro channel ↑ Kim (2003) Air-W ater 1 – 4 g/s 0.1 – 0.3 Horizontal Ø5 ↑ 0, ½, 1
Kim & Han (2008)
Air-W ater 16 – 30 g/s 0.2 – 0.6 Horizontal Ø17 Micro channel ↓↑ 0, ¼, ½ 64
Kim & Sin (2006)
Air-W ater 16 – 45 g/s 0.2 – 0.6 Horizontal Ø17 Micro channel ↓↑ 0, ¼, ½ 1000
Lee & Lee (2005)
Air-W ater Vertical 14x14 Micro channel ← 0 1650 Hwang (2007) R410a 106 – 212 k g/m 2s 0.15 – 0.45 Horizontal 19 mm Micro channel 1.70 mm ↑ ½ 190 Kim (201 1) R134a 70-130 k g/m 2s 0.2-0.6 Horizontal ↓ 0 W atanabe (1995) R 11 60-120 k g/m 2s 0-0.4 Horizontal ↑
Kim & Byun (2013)
R134a 70-130 k g/m 2s 0.2-0.6 Horizontal 17 mm Micro channel ↑ 0 Bowers (2012) R410A 47-68 g/s Horizontal and V ertical Micro channel ↓↑← Zou &Hrnjak (2013) R134a 92-276 k g/m 2s 0.2-0.8 Vertical 14.94 mm Micro channel ↑ ¾ ½
tir. Girinti derinliğinden söz edilmeyen bu çalışmada, dikkat çekici olan ve üzerinde çalışılması gereken nokta, manifolda giriş borusunun uzunluğunun dağılım üzerindeki etkisidir. Bu uzunluk, akışın manifold girişinde tam gelişmiş olmasına izin vermeyecek değerde olduğunda buharın ve sıvının kanallara dağılımı iyileşmektedir. Ancak; bu etkinin akışın gelişmişli-ğinden çok, akış rejimiyle (flow pattern) ilgili olduğu düşü-nülmektedir. Deneylerdeki giriş debisinin sabit, buna karşın, manifold çapının değişken olduğu düşünüldüğünde, akış ha-ritalarından, hız ve kuruluk derecesine bağlı olarak girişteki akış rejimini saptamak olanaklıdır. Buharlaştırıcıda, kanallar-daki akış rejimi halkalı akış ise maksimum ısı geçiş katsayısı elde edilebileceğinden, tasarımlardaki hedef tüm kanallarda düzgün dağılım ve halkalı akış sağlanmasıdır. Deneysel veri-ler ise bu deneysel koşullara göre en iyi dağılımın manifold-daki çalkantılı akış ile sağlanabildiğini göstermektedir. Zou ve Hrnjak (2013) mikrokanallı ısı değiştiricinde dört farklı düşey manifoldun R134a dağılımına etkisini incelemişleridir. Bu araştırmacılar en iyi dağılımın yüksek ısı akısı ve düşük kuruluk derecelerinde olduğunu gözlenlenmiş, akış rejim-lerinin iki fazlı karışımın homojenliği ve momentumdan et-kilendiğini, bu nedenle çalkantılı akışın katmanlı akışa göre daha iyi dağılım sağladığını belirlemişleridir. Bunun yanı sıra; yüksek ısı akılarında kütlesel akı, kanal sayısı veya gi-rinti derinliğinin artırılmasıyla, yüksek momentumlu sıvı fazı manifoldun üst bölümlerine erişebildiğinde, en iyi dağılıma ulaşılabilmektedir. Öte yandan, yatay manifoldlar için, akış rejimlerini Hrnjak (2004); giriş kanal çapı, kuruluk derecesi ve kütlesel akıya bağlı olarak gözlemlemiştir.
Kütlesel akının daha yüksek değerlerde ve daha geniş bir ara-lıkta ele alındığı ve manifolddaki iki fazlı akış çalışmalarının en eskilerinden olan Watanabe vd. (1995) ise, kullandıkları ça-lışma akışkanı R11’in manifolddan kanallara dağılımının ge-rek girişteki kuruluk derecesine, gege-rekse kütlesel akıya önemli oranda bağlı olduğunu belirtmişlerdir. Watanabe vd.(1995) bu çalışmalarında akışın manifold girişinde katmanlı (stratified) olduğunu ifade etmişlerdir. Bu çalışmada manifold ve kanal-lar dairesel kesitlidir ve girişteki kuruluk derecesi ve manifold çapının kanal çapına oranı Vist ve Petersen (2004)’in çalışma-larındaki değerlerle aynı mertebelerdedir. İki çalışma arasında kullanılan akışkan arasında fark bulunmaktadır (sırasıyla R11 ve R134a). Bunun yanı sıra girinti derinliğinin de iki çalışma arasında oluşan farklılıkta etken olduğu düşünülmektedir. Gi-rinti derinliği etkisini göz önüne alan ve aynı mertebelerdeki kütlesel akılarla yapılmış bir çalışma Bowers vd. tarafından 2006 yılında yapılmştır. Girinti derinliğinin iki fazın karış-masını, dolayısıyla manifoldlardan kanallara olan dağılımın iyileşmesini sağladığının gözlemlendiği bu çalışmada, girinti derinliğinin yanı sıra, giriş uzunluğunun etkisi de irdelenmiş; girinti derinliğinin, girişteki kuruluk derecesinin ve kütlesel debinin, sıvı fazın kanallar içerisindeki dağılımında, yalnızca, daha uzun giriş uzunluğunda, belirgin etkileri olduğu
vurgu-reporting this investigation, it was not mentioned about the protrusion depth but, the length of the tube supplying the flow to the manifold was effective on the flow distribution. When the tube was not long enough to allow the flow to be fully developed, the distribution of the vapor and the liquid to the channels were more even. To our knowledge, this effect regards to the flow pattern rather than the development of the flow. Considering the constant inlet quality and varied diameters of the manifold, it is possible to determine the flow regime from the flow maps. Since the maximum heat transfer coefficient can be obtained in case of annular flow, the design objective should be to realize uniform and annular flow. Experimental data, on the other hand should that churn flow is valid under these conditions.
Zou and Hrnjak (2013) investigated four different verti-cal manifolds in a micro channel heat exchanger where the working fluid was R134a. It was observed that the best dis-tribution was under high heat flux and low inlet quality val-ues; flow patterns were affected by the homogeneity of the two phase mixture and momentum. The authors concluded that the reason for the superiority of the churn flow on the annular flow is this dependency. Besides this, under high heat flux conditions, increasing the number of the channels and protrusion depth, the liquid phase with high momentum reaches to the higher locations on the manifold and the from is the closest to the uniform distribution. For the horizontal manifolds, on the other hand, Hrnjak (2004) observed flow regimes based on the diameter of the inlet channel, quality and the mass flux.
One of the earliest studies on two phase flow in manifold systems, Watanabe et al. (1995), in which the mass fluxes were at higher values within a wide range, it was stated that the distribution of the working fluid, R11, had been depended on both the inlet quality and the mass flux. Watanabe et al. (1995) emphasized that the flow regime at the inlet of the manifold was stratified. The manifold and the channels were circular; and the inlet quality and the ratio of the manifold diameter to the channel diameter was in the same range with those of the Vist and Petersen (2004). Although the working fluids are different in these two studies (R11 and R134a), the effect of the protrusion depth is also significant on the different results obtained from these two studies. One of the investigations considering the protrusion depth which was performed within the same range of the mass flux is the one by Bowers et al. (2006). They have observed that the protrusion depth provides a well mixing of the two phases, thus the uniform distribution. Besides the protrusion depth, they also tested the effect of the entrance length and concluded that the protrusion depth, the inlet quality and the mass flow rate affects the flow distribution significantly only for the longer entrance length. For the shorter entrance length, there have been already an n almost uniform distribution, these parameters are secondary.
lanmıştır. Kısa giriş uzunluğunda ise zaten daha düzgün bir dağılım söz konusu olduğundan, girinti derinliği, girişteki kuruluk derecesi ve kütlesel debi parametreleri ikincil planda kalmaktadır. Dolayısıyla; dağılımdaki en önemli parametre, manifolddaki ilk kanalın girişe uzaklığı olmaktadır. Vist ve Petersen (2004) ile Bowers vd. (2006) çalışmalarının aynı akışkan ile (R134a) yapıldığı düşünüldüğünde, giriş uzunlu-ğu ve dolayısıyla akışın ilk kanal girişindeki rejiminin önemi ortaya çıkmaktadır. Ancak; her iki çalışma da probleme özgü değerlerle yapılmış olduğundan, karşılaştırma için genel bir teorinin oluşturulması gerekmektedir.
Kim vd. (2006) yaptıkları çalışmada akış yönlerini ve girinti derinliği değişimini incelemişlerdir. Alttan dağıtıcı manifold-larda sıvının büyük çoğunluğu kanallara manifoldun sonundan dağılırken, üstten dağıtıcı manifoldlarda başlangıç bölgesin-den dağılmaktadır. Bu nebölgesin-denle, girinti derinliğinin artırılması-nın etkisinin minimal düzeyde olduğu tespit edilmiştir. Girinti derinliğinin 1/2 olduğu durumda üstten dağıtıcılı manifoldlar için akış dağılımının manifold sonuna doğru ilerlemesi sağla-nabilmiştir. Bowers vd. (2012) üstten ve alltan dağıtıcılı mani-foldlarda mikrokanal kullanımında oluşan genel akış ve sıcak-lık dağılımını şematik olarak göstermişlerdir (Şekil 3). Öte yandan, Koyama vd. (2006) üstten dağıtıcılı bir manifoldda, 6 adet kanal kullanılması durumu için, girinti derinliğinin etki-sini üç farklı yapıda incelemişlerdir: Birinci yapıda, girinti de-rinliğinin manifold çapına oranı 1/2 iken, ikinci yapıda sadece ilk iki kanalda, üçüncü yapıda ise ilk üç kanalda girinti derinli-ği oluşturulmuştur. İkinci ve üçüncü manifold yapılarının akış dağılımında gelişme sağlandığı; kuruluk derecesindeki artışın da sıvı faz dağılımını geliştirdiği belirlenmiştir.
Thus; the most important parameter is the distance between the entrance of the manifold and the first channel. With the information that the Vist and Petersen (2004) and Bowers et al. (2006) performed their studies for the same working (R134a), the importance of the flow regime at the entrance to the first channel is obvious However, since the values of the parameters are for the problems investigated, we need a generalized theory.
Kim et al. (2006) investigated the flow directions and the protrusion depth. While most of the liquid was distributed from the downstream of the manifold for the upward distribution manifolds, it was from the upstream part, for the downward distribution manifolds. For this reason, it was concluded that the increasing of the protrusion depth had minimum importance on the flow distribution. For the downward distribution manifolds where the ratio of the protrusion depth to the manifold diameter was ½ to direct the flow to the downstream was achieved. Bowers et al. (2012) showed the general flow and temperature distribution for both downward and upward manifolds schematically (Fig. 3). Koyama et al. (2006), on the other hand, investigated the effect of the protrusion depth for the case of 6 channels connected to a downward distribution manifold, for three different structures. For the first one, the ratio of the protrusion depth to the manifold diameter was 1/2 for all channels. For the second one, only for the first two channels, and for the third one only for the first three channels had protrusion. For the second and the third manifold structures an improvement in the flow distribution was observed. It is also concluded that inlet quality improves the liquid phase distribution.
Çıkış Out GirişIn Çıkış Out Giriş In Giriş In Giriş In
Alttan Dağıtıcılı Yatay Mikro Kanallı
Upward Horizontal Distribution With Micro Channels Downward Horizontal Distribution With Micro ChannelsÜstten Dağıtıcılı Yatay Mikro Kanallı
Şekil 3. Mikrokanallı Yatay Manifoldlarda Genel Akış ve Sıcaklık Dağılımı (Bowers vd.,2012)
Lee ve Lee (2005) ise düşey manifoldlarda, hava-su karışı-mının dağılımını incelemişlerdir. Kanal sayısının artırılması, kanal ve manifold içindeki akış rejimlerini, dolayısıyla akış dağılımını etkilemektedir. Bu çalışmadaki deneysel koşullar için, uniform bir dağılımı sağlayan girinti derinliği değerinin, manifoldun hidrolik çapının 1/8’i olduğu belirlenmiştir. Bir başka çalışmada ise, akışkan olarak R134a kullanılmış (Kim ve Byun, 2013) ve 70-130 kg/m2s arasındaki kütlesel
akı değerlerinde, akışın manifolda ve kanallara giriş yönlerinin dağılımda etkili olduğu sonucuna varılmıştır. Giriş uzunluğun-dan ve girinti derinliğinden sözedilmeyen çalışmada, kütlesel debinin etkili olmadığı vurgulanmış; kanallara giren sıvı ve buhar oranı ile manifolddaki Reynolds sayısı arasında korelas-yonlar geliştirilmiştir. En iyi dağılımın, akışın manifolda, ka-nallar yönünde, düşey olarak girmesi durumunda elde edilmiş olması, manifold girişindeki akış rejiminin dağılıma etkisini bir kez daha göstermektedir. Hwang vd. (2007) ise, alttan dağı-tıcılı yatay bir manifolddan, yassı membranlı kanallara, R410A akışkanının sıvı-buhar fazının girişinde, akışkanın manifold giriş yönünün etkisini incelemişlerdir. Akışın manifolda giriş doğrultusu, yandan olduğunda (Şekil 1) giriş parametrelerine bağlı olarak en iyi sıvı dağılımının sağlandığı belirlemmiştir. Akışın manifolda giriş yönüyle birlikte manifold konumunun da (yatay ve düşey) dağılıma etkisinin incelendiği bir çalışma-da (Cho vd.2003) çalışma akışkanı olarak R22 kullanılmış ve girinti derinliği manifold çapının yarısı olarak düzenlenmiştir. Manifolda giriş yönünün düşey konum için etkili olmadığı; ya-tay konumdaki manifold için ise en iyi dağılımın akışın kanallar yönünde girmesi koşulunda elde edildiği vurgulanmıştır. Bu sonuç, yatay konumdaki manifolda kanallar yönünde giren akı-şın basınç kaybının az olması nedeniyle, yukarıda da açıklan-dığı gibi, Kim ve Byun (2013)’un çalışmasında R134a, Hwang vd. (2007) çalışmasında R410a için de elde edilmiştir.
Manifold girişindeki akış rejiminin etkisi, hava-su çiftinden oluşmuş iki fazlı akışlarda da incelenmiştir. Örneğin; Tompkins vd. (2002), düşey kanallara yer çekimi yönünde dağılan hava su çiftinin davranışını çalışmışlardır. Elde ettikleri sonuç, yine akışın manifold girişindeki rejimiyle ilgilidir. Düşük kütlesel akılarda katmanlı (stratified), yüksek kütlesel akılarda ise hal-kalı (annular) akış gözlemleyen araştırmacılar, katmanlı akışın daha iyi bir dağılım verdiği sonucuna varmışlardır. Bu nedenle, kanalların manifold içerisine girmediği, diğer bir deyişle gi-rinti derinliğinin sıfır olduğu (Vist, 2004) çalışmada, dağılı-mın kütlesel debiye bağlılığı önem kazanmıştır. Tompkins vd. (2002)’de, ayrıca, kanalların toplam kesit alanlarının manifold kesit alanına oranı, dikdörtgen kesitli manifoldun boyu değiş-tirilerek ayarlanmıştır. Dört farklı giriş uzunluğunun denendiği bu çalışmada, kısa giriş uzunluklarının dağılımı kötüleştirdiği, kütlesel debinin ve girişteki hava/su oranının kısa giriş uzun-luklarında etkisinin olmadığı da anlaşılmıştır. Oysa, daha son-ra Bowers vd. tason-rafından (2006) R134a akışkanı ile dairesel kesitli manifolddan yassı kanallara dağılım için yapılan çalış-malarda, kısa giriş uzunluklarının dağılımı iyileştirdiği sonucu
Lee and Lee (2005) tested the flow distribution of air-water pair in a vertical manifold. The increase in the number of the channels does not affect the flow distribution but the flow regimes within the manifold. Under the experimental con-ditions of the mentioned study, for a uniform distribution a value of 1/8 was determined as the ratio of the protrusion depth to the manifold diameter.
Effect of mass flux was tested on the other hand, for the values
of 70-130 kg/m2s, and it was conclude that flow directions
in the manifold and the channels, in which the working fluid was R134a, were significant (Kim and Byun, 2013). In the mentioned study, the ratio of the liquid to the vapor entering into the channels was correlated to the Reynolds number. However, there was no information about the protrusion depth and the entrance length in this mentioned study. To obtain the best distribution in cases of the flow directions parallel to the channels proves the significance of the flow pattern at the entrance of the manifold, once more. Hwang et al. (2007), as another example, investigated the effect of the flow direction on the liquid vapor phase of R410A distribution to the flat channels with membranes from an upward distribution manifold. They have concluded that, the most uniform liquid distribution is for the side flow direction (Fig. 1).
Besides the flow direction into the manifold, also the position of the manifold (horizontal or vertical) was tested by Cho et al. (2003) where the working fluid was R22 and the protrusion depth was the half of the manifold diameter. It was stated in this study that the flow direction into the manifold had not been significant for the vertical position but for the horizon-tally positioned manifolds, the most uniform distribution had been observed for the flow directions parallel to the channels, as mentioned above, for R410A in Hwang et al. (2007) and also in Kim and Byun (2013) for R134a. The reason behind this conclusion is the less pressure drop in case of flow direc-tion parallel to the channels.
The effect of the flow regime at the entrance of the manifold has also been investigated for the air-water pair. Tompkins et al. (2002) studied the downward distribution into the chan-nels. The results are again related to the flow regime at the entrance of the manifold. They have observed stratified and annular flow regimes, for the low and high mass fluxes, re-spectively. The stratified flow supplied better distribution than the annular flow. For this reason, for the protrusion depth of zero, the dependence of the distribution on the mass flow rate was important (Vist, 2004). Also, the length of the manifold with a rectangular cross section was varied. It was concluded that the distribution tended to be non-uniform for the short entrance length values decreasing the importance of the mass flow rate and the air/water ratio. However, later on, Bow-ers et al. (2006) studied R134a for a manifold of circular cross section with flat channels and observed that short en-trance lengths improve the distribution. One of the reasons
elde edilmiştir. Bu temel farklılığın, akış rejiminin manifold kesit alanından etkilenmesinden kaynaklanabileceği düşünül-mektedir. Diğer bir deyişle, dikdörtgen kesitli bir manifoldda, uygun dağılım veren akış rejiminin oluşması için gerekli giriş uzunluğu, dairesel kesitli bir manifolddakinden farklıdır. Bir diğer neden ise, manifold cidarındaki sıvı filminin buhar veya gaz fazı tarafından sürüklenme hızının, iki fazlı akışın, tek bir çalışma akışkanının (Bowers vd. (2006)’de R134a) faz de-ğiştirmesinden veya farklı fazdaki iki akışkanın karışımından (Tompkins vd. (2002)’de hava/su çifti) oluşması durumunda farklı değerler alacak olmasıdır. Her iki çıkarım da, manifold girişindeki ve içerisindeki akış rejimin değişimine bağlıdır. Öte yandan, su/hava çifti ile yapılan bir başka çalışmada (Lee ve Lee, 2005), kompakt ısı değiştiricilerinde kullanılan manifold-kanal bağlantısını temsil etmek üzere, dikdörtgen kesitli mani-fold ve kanallar kullanılmıştır. Kanalların içerisine membran-ların yerleştirilmiş olduğu test düzeneğinde, manifold, girişten itibaren üç bölgeye ayrılmıştır. Böylece; manifoldun ucuna yer-leştirilmiş olan levhanın oluşturduğu geri akımların, akışın ka-nallara dağılımı üzerine etkisini irdelemek
mümkün olmuştur. T bağlantılarıyla yapı-lan çalışmaların sonuçlarının, gerçek bir manifoldda yalnızca girişe yakın bölgeyle uyumlu olduğunu, uç plakanın (Şekil 4) bulunduğu yönde ilerlerken, akışın bu lev-haya çarpmasından oluşan geri akımların, akışın kanallara dağılımını etkilediği gö-rülmüştür. Burada, tüm deneylerin girişte halkalı (annular) akış olması koşullarında yapıldığı özellikle belirtilmiştir. Çalışma-da, kanal içerisindeki membranların etkisi-nin de incelendiği, ancak anlamlı bir ilişki elde edilemediğini vurgulamak gerekir. Manifold girişinde halkalı akışın olduğu bir su/hava akışı çalışması, dairesel ma-nifoldda, yassı kanallarda Kim ve Han (2008) tarafından gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada, deneyler, akışın, yatay bir ma-nifolddan yer çekimi doğrultusunda (aşa-ğıya doğru ) ve yer çekimine zıt doğrultu-da (yukarıya doğru) olmak üzere iki farklı koşulda gerçekleştirilmiştir. Ayrıca; girinti derinliği değiştirilerek, farklı (e/h) oran-larında, manifold içerisindeki engellerin oluşturduğu basınç düşümünün dağılıma etkisi incelenmiştir. Aşağıya doğru olan akışta, artan girinti derinliğinin daha fazla miktarda suyun uç levhaya çarpıp mani-folddun gerisine yönlendirildiği; aynı etki-yi manifold girişinde artan kütlesel debi ve hava/su oranının da oluşturduğu belirlen-miştir. Girinti derinliğinin yukarıya doğru akışta da aynı etkiyi gösterdiği; fakat bu
for these different observations in our opinion is the effect of the cross section type on the flow regime. In other words, the flow regime for perfect distribution from a rectangular mani-fold is different than the circular one. Another reason is the drift velocity of the liquid film on the wall of the manifold. It should not be the same for the phase changing of a single fluid (R134a in Bowers et al., 2006) and for two different fluids of the different phases (air/water pair in Tompkins et al., 2002). Both of the reasons regard to the flow regimes at the entrance and within the manifold.
On the other hand, to represent the manifold systems used in the compact heat exchangers, air-water pair has been inves-tigated in manifolds and channels of rectangular cross sec-tions (Lee and Lee, 2005). The channels were with mem-branes and the manifold was separated into three regions to analyze the effect of the back flows occurred due to the plate at the end of the manifold (Fig. 4). The results of the study performed on T junctions were appropriate for a manifold system only for the region close to the entrance and the back flows effected the distribution. It was especially noted that all flow regimes at the entrance of the manifold was annular. The effect of the membranes within the channels, on the other hand, did not give a reasonable corre-lation with the distribution. Kim and Han (2008) studied air/water pair for the annular flow at the entrance of the manifold with cross section where the channels were flat. The flow was tested for both downward and upward conditions. Also, the ratio of the protrusion depth to the diameter of the manifold (e/h) was varied to understand the effect of the obstacles within the manifold on the pressure drop. For the downward flow, the increasing protrusion depth directed more amount of water to the end plate and back flows. The same effect is also because of the increasing mass flow rate and air/water ratio at the entrance of the manifold. The same results were obtained for the increasing protrusion depth upward flow Geri Akım Recirculation Region Region Region Plaka
Partition (End Plate)
Şekil 4. Uç Plakalı Düşey Bir Manifold Akış Rejimleri (Lee ve
Lee, 2005)
Figure 4. Flow Regime in a Vertical Manifold With an end Plate
yönde, manifold girişindeki kütlesel debi ve kuruluk derecesi arttıkça, daha fazla sıvının manifoldun ilerisindeki kanallara gi-riş yaptığı gözlemlenmiştir.
Manifolda girişteki akış şekliyle ilgili ayrıntılı çalışmalardan biri levhalı ısı değiştiricilerinde kullanılan manifold sistemle-rini temsil etmek üzere, Marchitto vd. tarafından (2008) ya-pılmıştır. Dairesel kesitli yatay bir manifolddan düşey kanal-lara hava/su karışımının yer çekimine zıt yönde dağılımının incelendiği çalışmada, manifold girişindeki bir lüle yardımıyla manifolda girişteki akış rejimi de değiştirilmiştir. Böylece; iki fazlı bir akışta, akışın kanallara dağılımının, geometrik para-metrelerin yanı sıra sıvının görünür hızına da bağlı olduğu vur-gulanmıştır.
4. SONUÇ
Yukarıda aktarılmış olan çalışmalardan, manifolddaki akışın kanallara her iki faz için eşit dağılımının, ilk kanala giriş ön-cesindeki akış rejimine bağlı olduğu anlaşılmaktadır. Akışın ilk kanala girmeden önceki rejimin manifold boyunca sabit kalması basınç düşüşü nedeniyle mümkün değildir. Ancak; akış rejimindeki değişim ne kadar yavaş olursa, buhar/sıvı oranının manifold boyunca o kadar az değişeceği açıktır. Bu durumda akışın, kanallara düzgün dağılıma yakın bir oranla girmesi de gerçekleşebilir. Akış rejimindeki değişimin ince-lenmesi için o akışkana ait akış haritalarının, kütlesel akı ile boşluk oranı, buhar oranı veya görünür hız arasındaki ilişki temelinde incelenmesi gerekir. Girişteki kuruluk derecesi ve girinti derinliğinin manifold çapına oranı, akış şeklinin ma-nifold boyunca az değişmesini sağlayacak şekilde ilişkilen-dirilmelidir. Öte yandan, manifold çeperlerinde sıvı tabakası ile buhar fazı arasındaki ilişki de çalışma akışkanının özellik-lerine bağlıdır. Bu nedenle, manifold boyunca akış rejiminin olabidiğince az değişimi kütlesel akının değiştirilmesi ile bu değişim de girinti derinliğinin değişken yapılmasıyla sağlana-bilir. Ancak; bu durumda oluşacak döngüler de akış şekline etki edecektir. Bu döngülerin etkisinden kaçınmak ve basınç düşümünü azaltabilmek için manifold ve kanal yerleşimleri ve akışın manifolda giriş yönleri üzerinde çalışılmalıdır.
but as the mass flow rate and the air/water ratio increase more amount of water was observed to enter into channels located downstream the manifold.
One of the studies related to the flow regimes at the entrance of the manifold aimed to model the manifold systems used in plate heat exchangers (Marchitto et al., 2008). The upward flow to the channels from a manifold with circular section the flow regime at the entrance of the manifold was varied by the means of a nozzle located at the inlet. Thus; it was emphasized that the flow distribution for a two phase flow, depends also on the superficial velocity of the liquid as well as the geometric parameters.
4. CONCLUSION
Summarizing all the studies mentioned above, it can be con-cluded that the distribution of the two phase flow from the manifold into the channels evenly, depends strictly on the flow regime previous to the first channel downstream the manifold. Due to the pressure drops, the flow regime cannot be kept constant through the manifold but as the change in the flow regime is slows down; the ratio of the vapor / liquid will tend to be constant. Thus; an almost uniform distribution can be achieved. To understand the change in the flow regime, the flow map belonging to the working fluid should be analyzed based on the mass flux, void fraction, and superficial veloci-ties. The inlet quality values and the protrusion depth should also be determined to provide a very slow change in the flow regime throughout the manifold. On the other hand, the inter-action of the liquid layer contacting the walls of the manifold and the vapor phase is related to the fluid properties. If the mass flux through the manifold can be adjusted by varying the protrusion depth for each channel the change in the flow regime can be degraded. However, for the higher protrusion depths the circulations will also affect the flow regime. To avoid these effects and to prevent the large pressure drops, the positions of the manifolds and the channels and also the flow directions should be tested.
KAYNAKÇA / REFERENCES
Ablanque, N. N., Oliet, C. C., Rigola, J. J., Pérez-Segarra, C. D., Oliva, A. A. 2010. "Two-Phase Flow Distribution in Multiple Parallel Tubes," International Journal of Thermal Sciences, 49(6), p. 909-921.
Bowers, C.D., Newell, T.A., Hrnjak, P.S. 2006. "Experimental In-vestigation of Two-Phase Refrigerant Distribution in a Mic-rochannel Manifold," Technical Report TR-245,Urbana, Uni-versity of Illinois at Urbana-Champaign, USA.
Bowers, C.D., Mai, H., Elbel, S., Hrnjak, P.S. 2012. "Refrigerant
Sparrow, E. M., Tong, J. C. K., Abraham, J. P. 2007. "A Quasi-Analytical Method for Fluid Flow in a Multi-Inlet Collection Manifold," Journal of Fluids Engineering, vol. 579, p.1186-586.
Stevanovic, V., Cucuz, S., Carl-Meissner, W., Maslovaric, B., Pri-ca, S. 2012. "A Numerical Investigation of the Refrigerant Maldistribution From A Header Towards Parallel Channels in an Evaporator of Automotive Air Conditioning System," Int. J. Heat Mass Transfer 55, p.3335–3343.
Tompkins, D.M., Newell, T.A., Hrnjak, P.S. 2002. "Single Phase, Two-Phase Modeling; Xray Visualization for A Microchan-nel Manifold Distribution System," Technical Report TR-206. Urbana, University of Illinois at Urbana-Champaign, USA.
Tong, J. C. K., Sparrow E. M., Abraham J. P. 2007. "Attainment of Flowrate Uniformity in the Channels That Link A Distri-bution Manifold to A Collection Manifold," Journal of Fluids Engineering, Vol. 129, p.1186-1192.
Vist, S., Pettersen, J. 2004. "Two-Phase Flow Distribution in Com-pact Heat Exchanger Manifolds," Exp. Therm. Fluid Sci. 28, p. 209–215.
Wang, C.C., Yang, K.S., Tsai, J.S., Chen, I.Y. 2011. "Characte-ristics of Flow Distribution in Compact Parallel Flow Heat Exchangers, Part II: Modified Inlet Header," Applied Ther-mal Engineering 31, p.3235-3242.
Wang, C.C., Yang, K.S., Tsai, J.S., Chen, I.Y. 2011. "Characte-ristics of Flow Distribution in Compact Parallel Flow Heat Exchangers, Part I: Typical Inlet Header," Applied Thermal Engineering 31, p.3226-3234.
Watanabe, M., Katsuta, M., Nagata, K. 1995. "General Characte-ristics of Two-Phase Flow Distribution in a Multipass Tube," Heat Transfer Jpn. Res. 24 p.32–44.
Webb, R.L., Chung, K. 2005. "Two-Phase Flow Distribution to Tubes of Parallel Flow Aircooled Heat Exchangers," Heat Transfer Eng. 26 (4), p.3–18.
Yoo, T., Hrnjak, P.S., Newell, T.A. 2002. "An Experimental Investi-gation of Two-Phase Flow Distribution in Microchannel Ma-nifolds," Technical Reports, TR-207, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, USA.
Zhang, Q.M., Hrnjak, P.S., Newell, T.A. 2003. "An Experimental Investigation of Two-Phase Flow Distribution in Microchan-nel Manifolds, Technical Reports, TR-223, University of Illi-nois at Urbana-Champaign, Urbana, USA.
Zou, Y., Hrnjak, P. S. 2013. "Experiment And Visualization on R134a Upward Flow In The Vertical Header of Microchannel Heat Exchanger And Its Effect on Distribution," International Journal of Heat and Mass Transfer 62 , p.124–134.
Distribution Effects on the Performance of Microchannel Evaporators," International Refrigeration and Air Conditio-ning Conference, Paper 2173, Purdue, USA.
Cho, H., Cho, K., Kim, Y. 2003. "Mass Flow Rate Distribution and Phase Separation of R-22 In Multi-Microchannel Tubes Un-der Adiabatic Condition," In: Proc. 1st Int.Conf. Microchan-nels and MinichanMicrochan-nels, pp. 527–533.
Fei, P., Hrnjak, P.S. 2004. "Adiabatic Developing Two-Phase Ref-rigerant Flow in Manifolds of Heat Exchangers," Technical Report TR-225, Urbana, University of Illinois at Urbana-Champaign, USA.
Hrnjak, P.S. 2004. "Developing Adiabatic Two Phase Flow in He-aders Distribution Issue in Parallel Flow Microchannel Heat Exchangers," Heat Transfer Eng. 25 (3), p.61–68.
Hwang, Y., Jin, D.H., Radermacher, R. 2007. "Distribution in Minichannel Evaporator Manifolds," HVAC Refrigerant &R Res. 13 (4), p.543–555.
Kim, N., Park, T., Ham, J. 2006. "Two-Phase Distribution of R134a in an Header of Parallel Flow Heat Exchanger," International Refrigeration and Air Conditioning Conference, Paper 767, Purdue, USA.
Kim, N.H., Byun, H.W. 2013. "Effect Of Inlet Configuration on Up-ward Branching of Two-Phase Refrigerant in a Parallel Flow Heat Exchanger," International Journal of Refrigeration 36, p.1062-1077.
Kim, N. H., Han, S.-P. 2008. "Distribution of Air–Water Annular Flow in A Header of a Parallel Flow Heat Exchanger," Int. J. Heat Mass Transfer 51, p.977–992.
Kitto, J.B.J., Robertson, J.M. 1989. "Effects of Maldistribution of Flow on Heat Transfer Equipment Performance," Heat Trans-fer Engineering," 10:1, p. 18-25.
Koyama, S., Wijayanta, A.T., Kuwahara, K., Ikuta, S. 2006. "De-veloping Two-Phase Flow Distribution in Horizontal Hea-ders With Downward Minichannel-Branches," International Refrigeration and Air Conditioning Conference, Paper 745, Purdue, USA.
Kulkarni, T., Bullard, C.W., Cho. 2004. "Header Design Trade-offs in Microchannel Evaporators," Appl. Therm. Eng. 24, p. 759–776.
Lee, S.Y., Lee, J.K. 2005. "Aspects of Two-Phase Flow Distribution at Header-Channels Assembly," Keynote Lecture, Procee-dings of Fifth International Conference on Enhanced, Com-pact and Ultra-ComCom-pact Heat Exchangers: Science, Enginee-ring and Technology, EngineeEnginee-ring Conferences International, Hoboken, NJ, USA.
Marchitto, A., Devia, F., Fossa, M., Guglielmini, G., Schenone, C. 2008. "Experiments On Two-Phase Flow Distribution inside Parallel Channels of Compact Heat Exchangers," Int. J. Mul-tiphase Flow 34 (2), p. 28-144.
Moura, F.L. 1990. "Experimental and Numerical Study on the Two-Phase Flow," ASME Fluids Eng. Div. (Publ.), vol. 99, p.267-273.
Mueller, A. C., Chiou, J. P. 1988. "Review of various Types of Flow Maldistribution in Heat Exchangers," Heat Transfer Enginee-ring, 9:2, p.36-50.
Poggi, F., Macchi-Tejeda, H., Marechal, A., Leducq, D., Bon-temps, A. 2007. International Congress of Refrigeration Pa-per #ICR07-B1-647
