Makale: Akışkan Olarak Hava, Oksijen, Karbondioksit ve Azot Kullanılan Vorteks Tüpün Performansının İncelenmesi

(1)

Giriþ

V

orteks tüpler basit bir borudan ibaret olup ýsýtma ve soðutma amaçlý kullanýlmaktadýr ve imalat masraflarý oldukça düþüktür. Vorteks tüplerden iki farklý sýcaklýkta akýþkan elde edilmektedir. Sýcak ve soðuk akýþkanýn sýcaklýðýný etkileyen birçok faktör vardýr. Vorteks tüpün uzunluðunun tüp çapýna oraný, vorteks tüpün imal edilmiþ olduðu malzeme, nozul sayýsý, akýþkanýn vorteks tüpe giriþteki hýzý basýncý ve akýþkanýn cinsi bunlardan bazýlarýdýr [1]. Vorteks tüpler, Ranque tarafýndan 1933 yýlýnda keþfedilmiþtir. Hilsch ise vorteks tüpleri geliþtirerek günümüzdeki kullanýldýðý þekilde dizayn etmiþtir [2].

Hartnett ve Eckert, 30'' uzunluðunda, 3'' çapýnda,

3/8'' çapýnda ki 8 nozul ile pleksiglastan yapýlmýþ olan vorteks tüp ile çalýþmýþlardýr. Vorteks tüpe giriþ basýncý 10, 15 ve 20 psig olarak uygulanmýþtýr. Vorteks tüpün gövdesine, ekseni boyunca 1'', 3'', 6'', 12'' ve 18'' olmak üzere 5 prob yerleþtirilerek ölçme yapýlmýþ ve merkezdeki akýþýn sýcaklýðýnýn düþük, akýþýn dýþ bölümlerinde ise sýcaklýðýn yüksek olduðu görülmüþtür [3]. Piralishvili ve Polyaev, vorteks tüp gövdesine açý vererek, vorteks tüpü konikleþtirmiþlerdir. Bu konikleþen vorteks tüp, tüp ekseni boyunca 6 bölüme ayrýlmýþ ve teorik olarak incelenmiþtir. 0,3 Pgir 0,6 MPa basýnç aralýðýnda çalýþýlmýþ ve sýcak çýkýþ tarafýna difüzör yerleþtirilmiþtir. 30 mm çapýndaki bir vorteks tüpe 3-3,5 'lik bir açý verilince, vorteks tüplerde ikinci bir döngü

£ £

° Kevser DÝNCER

Þenol BAÞKAYA

Volkan KÝRMACÝ, Hüseyin USTA B. Zühtü UYSAL

Selçuk Üniversitesi Müh. Mim.Fak., Makina Mühendisliði Bölümü

Gazi Üniversitesi Müh. Mim.Fak., Makina Mühendisliði Bölümü Gazi Üniv., TEF, Makina Bölümü

Gazi Üniv., Müh.Mim.Fak., Kimya Müh.Böl

ÖZET ABSTRACT

Ranque-Hilsch vorteks tüpünden, giriþteki basýnca baðýmlý olarak iki farklý sýcaklýkta akýþkan elde edilmektedir. Genellikle, v o r t e k s t ü p ü n d e b a s ý n ç l ý a k ý þ ka n o l a r a k , h a v a kullanýlmaktadýr. Havanýn içinde %78,09 Azot, % 20,95 Oksijen, % 0,93 Argon, % 0,03 Karbondioksit ve çok az oranda da diðer gazlar bulunmaktadýr. Bu çalýþmada, akýþkan olarak hava, O , CO ve N gazý kullanýlmýþtýr. Bu gazlar vorteks tüp sistemine, giriþ basýncý (gösterge basýncý), 2 bar'dan 7 bar'a kadar 1 bar aralýklarla uygulanmýþtýr. Hava, O , CO , N gazlarýnýn ýsýtma-soðutma sýcaklýk performanslarý deneysel olarak incelenmiþ ve birbiri ile mukayese edilmiþtir..

Ranque-Hilsch vorteks tüpü, enerji ayrýþýmý, ýsýtma, soðutma

Fluids at two different temperatures are obtained from the Ranque-Hilsch vortex tube, depending on the intake pressure. Usually, air is used as the pressurized fluid in the vortex tube. 78.09 % of Nitrogen, 20.95 % of Oxygen, 0.93 % of Argon, 0.03 % of Carbon Dioxide and other gases at very small amounts exist in air. In this study however, air, O , CO and N gases were used as the pressurized fluids. These gases were applied to the vortex tube system at inlet pressures (gage pressures) ranging from 2 bar to 7 bar, at intervals of 1 bar. Heating-cooling temperature performances of air, O , CO and N gases were investigated experimentally and compared with each other.

Ranque-Hilsch vortex tube, energy separation, heating, cooling. 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

Anahtar Kelimeler: _Keywords:

AKIÞKAN OLARAK HAVA, OKSÝJEN, KARBONDÝOKSÝT VE

AZOT KULLANILAN VORTEKS TÜPÜN PERFORMANSININ

(2)

oluþtuðu belirtilmiþtir [4]. Martynovskii ve Alekseev deðiþik geometrik yapýlardaki vorteks tüplerin sýcak ve soðuk akýþkan arasýndaki maksimum sýcaklýk farkýný deneysel olarak incelemiþlerdir. Akýþkan olarak amonyak, metan ve karbondioksit kullanmýþlardýr[5].

Bu çalýþmada, Ranque-Hilsch vorteks tüpünün performansý farklý akýþkanlarda deneysel olarak incelenmiþtir. Deneysel çalýþmada, akýþkan olarak hava, oksijen, karbondioksit ve azot kullanýlmýþtýr. Performans sýcak akýþkanýn sýcaklýðý ile soðuk akýþkanýn sýcaklýðý arasýndaki fark olan T'dir. Deneyler yapýlýrken, sýcak çýkýþ tarafýndaki kontrol vanasý tam açýk konumda býrakýlmýþtýr. Sýcak çýkýþ tarafýndaki kontrol vanasýnýn tam açýk kalmasý 'nýn sabit kalmasýna neden olmuþtur. Vorteks tüp giriþteki basýnç, 2 bar'dan 7 bar'a kadar 1 bar aralýklarla yükseltilerek deneyler yapýlmýþtýr.

Vorteks tüpler özelliklerine göre, iki ana baþlýk altýnda gruplandýrýlýrlar. Bunlar; akýþ ve dizayn özellikleridir.

Akýþ özelliklerine göre;

1. Karþýt akýþlý vorteks tüpleri,

2. Paralel akýþlý vorteks tüpleri,

Dizayn özelliklerine göre;

1. Adyabatik vorteks tüpleri,

2. Adyabatik olmayan vorteks tüpleridir [6].

Karþýt akýþlý vorteks tüpün çalýþma prensibi Þekil 1'de,

paralel akýþlý vorteks tüpün çalýþma prensibi ise Þekil 2'de verilmiþtir.

Vorteks tüpü ile iki farklý sýcaklýkta akýþkan elde edilmesinin temel prensibi, Þekil 3 ve Þekil 4'de görüldüðü gibi basýnçlý akýþkan vorteks tüpe, nozul(lar)dan vorteks tüpe, teðetsel olarak verilir. Tüp giriþinde nozul kullanýlmasýnýn sebebi, basýncýn düþürülerek hýzýn artmasýný saðlamaktýr. Nozul sonrasý hýz, tüpe giren basýnçlý akýþkana baðýmlý olarak tüpün silindirik yapýsýndan dolayý dönmeye baþlar. Çok yüksek açýsal hýzlarda dönen merkezdeki akýþ, merkezkaç kuvvetin etkisi ile tüp cidarýna doðru açýlmaya zorlanýr. Tüp merkezindeki akýþkan ile tüp cidarýndaki akýþkan arasýnda basýnç farký oluþur. Merkezdeki akýþýn açýsal hýzý, açýsal momentumun korunumu ilkesi gereðince tüp cidarýndaki akýþýn açýsal hýzýndan daha yüksek deðerlere ulaþýr. Bu nedenle, tüp içerisinde iki farklý hýzda dönen akýþ oluþur. Merkezdeki akýþ daha yüksek hýza sahip olduðundan, cidardaki akýþý ivmelendirmeye çalýþýr. Böylece merkezdeki akýþ, cidardaki akýþa mekanik enerji transferi gerçekleþtirir. Mekanik enerjisinde azalma olan merkezdeki akýþ soðuk akýþ, merkezdeki akýþtan aldýðý D

x

Vorteks Tüpün Çalýþma Prensibi

Þekil 1.Karþýt Akýþlý Vorteks Tüpün Yapýsý [7] Akýþkan giriþi

Sýcak çýkýþ

Vana Soðuk çýkýþ

Þekil 2.Paralel Akýþlý Vorteks Tüpün Yapýsý [7]

Akýþkan giriþi _{Sýcak çýkýþ} Vana

Soðuk çýkýþ

Þekil 3.Karþýt Akýþlý Bir Vorteks Tüpteki Akýþ [9]

Akým çizgi sýnýrý

Sýcak çýkýþ

V

ana

Soðuk çýkýþ Gaz giriþiEnerji transfer yönü

(3)

mekanik enerjiden dolayý tüp cidarýndaki akýþ ise sýcak akýþtýr [8].

Bu çalýþmada, iç çapý 11 mm, uzunluðu 160 mm olan karþýt akýþlý adyabatik bir Ranque-Hilsch vorteks tüpü kullanýlmýþtýr (Þekil 5). Yüksek basýnca karþý dayanýmýný arttýrmak için iç çapý 14 mm olan çelik bir boru vorteks tüpün üzerine kafes amacýyla geçirilmiþtir. Vorteks tüpün sýcak çýkýþ tarafýna, hacimsel debileri ayarlamak için bir kontrol valfi monte edilmiþtir.

Vorteks tüpe hava kompresörden saðlanmýþtýr. Vorteks tüp giriþindeki basýnc (gösterge basýncý) 2

bar'dan 7 bar'a kadar 1 bar aralýklarla uygulanmýþtýr. Giriþ, çýkýþtaki sýcaklýklar 1 C hassasiyetinde olan dijital termometrelerle ve 0,0006 m /s ile 0.003 m /s arasýnda deðiþen hacimsel debiler rotametrelerle ölçülmüþtür.

± ° 3 o o o o 3

Bir giriþ ve bir çýkýþlý sürekli akýþlý açýk sistemler için kütlenin korunumu,

(1)

Eþitlik 1'de ki, giriþteki akýþkanýn kütlesel debisi, çýkýþtaki akýþkanýn kütlesel debisidir.

(2)

Eþitlik 2'de ki, sýcak akýþkanýn kütlesel debisi, soðuk akýþkanýn kütlesel debisidir. Vorteks tüpünde, soðuk akýþkanýn kütle debisinin giriþteki akýþkanýn kütle debisine oraný olarak tanýmlanmýþ ve Eþitlik 3 ile verilmiþtir. 1- ise, sýcak akýþkanýn kütle debisinin giriþteki akýþkanýn kütle debisine oranýdýr ve Eþitlik 4'de ki gibi yazýlabilir.

(3)

(4)

Vorteks tüplerde, sýcak akýþýn çýkýþ tarafýnda bulunan vananýn açýlýp kapanmasý ile oraný deðiþmektedir. Yapýlmýþ olan bu deneysel çalýþmada, vana tam açýk konumda býrakýlarak deneyler yapýldýðýndan (=0,4) sabittir.

Þekil 6'da hava, O , CO ve N gazlarýnýn, sýcak akýþkanýn sýcaklýðý (T ) ve soðuk akýþkanýn sýcaklýðýnýn (T ) giriþteki basýnç ile deðiþimi verilmiþtir. Sýcak akýþkanýn sýcaklýðýnýn en fazla havada (38,7 C), en az ise CO 'de (15,0 C) oluþtuðu deneysel olarak tespit edilmiþtir. Ancak, CO ’in en az ýsýnmasýna (15,0 C) raðmen, en fazla soðuma (-19,7 C ) olayý CO gazýnda oluþtuðu görülmüþtür. 7 bar giriþ basýncýnda,

x x x x 2 2 2 sck soð 2 2 2

Deneysel Çalýþma

Bulgular ve Tartýþma

kº ç . gir .

m

=

∑

çkº . m gir . m sck . . soð çkº .

m

=

+

sck .

m

soð .

m

Þekil 4.Vorteks Tüpün Içindeki Sýcak ve Soðuk Akýþýn Hareketi

w

soð

>

w

sck

Nozul

Tüp cidarý

Nozul wsck: Sýcak akýþýn açýsal hýzý

wsoð: Soðuk akýþýn açýsal hýzý

Dijital termometre Giriþ

manometresi Rotametre Rotametre Dijital termometre Soðuk akýþkan Vorteks tüpü Sýcak akýþkan Soðuk akýþkan çýkýþý Sýcak akýþkan çýkýþý gir . soð .

m

=

ξ

gir . sck . m m 1−ξ=

(4)

hava, Azot, Oksijen ve Karbondioksit gazlarýnýn, vorteks tüpün sýcak çýkýþ tarafýndaki sýcaklýk deðerleri sýrasýyla 38,7 C; 28,5 C; 26,7 C; 15,0 C'dýr. Vorteks tüpü giriþ basýncýnýn 7 bar olduðunda, Karbondioksit, Azot, Oksijen ve havanýn, vorteks tüpünden çýkan soðuk çýkýþ

sýcaklýklarý sýrasýyla -19,7 C; -17,4 C; -16,4 C ve -2,1 C'dýr (Þekil 6).

Þekil 7'de hava, O , CO ve N gazlarýnýn, sýcak ve soðuk çýkýþ tarafýndaki sýcaklýklar arasýndaki fark olan T'nin, vorteks tüpün giriþ basýncý ile deðiþimleri

o o o o

o o o

o

2 2 2

D

Þekil 6.Hava, O , CO ve N Gazlarýnýn T ve T 'ýn Vorteks Tüpü Giriþindeki Basýnç ile

Deðiþimleri

2 2 2 sck soð

Þekil 7.Hava, O , CO ve N Gazlarýna Ait Sýcak ve Soðuk Çýkýþ Tarafýndaki Sýcaklýk2 2 2

D Sýcaklýk, C° P , bargir P , bargýr D T. C°

(5)

verilmiþtir. Hava, O , CO ve N gazlarý, T cinsinden performanslarý dikkate alýnarak birbiri ile mukayese edildiðinde; vorteks tüpü giriþindeki 7 bar basýnçtaki, N , O , hava ve CO gazlarýný T deðerleri sýrasýyla 45,9 C; 43,1 C; 40,8 C ve 34,7 C'dýr. T'nin en fazla N ’de en az ise CO ’de olduðu görülmektedir. Havanýn 6 bar basýnçta, T deðeri 43,7 C'dir. Havanýn 6 bar basýnçtan sonra T cinsinden per formansýnýn düþmeye baþladýðý deneysel olarak tespit edilmiþtir (Þekil 7).

Deneysel olarak yapýlan bu çalýþmada, sabit (=0,4) tutulmuþtur. =0,4'e göre, hava, N , O ve CO gazlarýnýn deðiþik basýnçlarda, vorteks tüpü cinsinden performanslarý deneysel olarak incelenmiþtir. Vorteks tüpünde, akýþkan olarak N , O ve CO gazlarý kullanýldýðýnda, soðuk çýkýþtaki akýþkanýn sýcaklýðýnýn havaya göre daha düþük olduðu deneysel olarak tespit edilmiþtir. Vorteks tüpe giriþteki akýþkanýn basýncý arttýrýldýkça, soðuk çýkýþtaki akýþkanýn (hava, O , CO ve N ) sýcaklýðýda düþmüþtür. O ve CO gazlarýnýn, havaya göre daha fazla soðuduðu görülmüþtür. T cinsinden sýcaklýðý hava, O , CO ve N birbiri ile mukayese edildiðinde, N gazýnýn performansýnýn hava, O ve CO ’e göre daha düþük olduðu deneysel olarak görülmüþtür. Yapýlan deneysel çalýþma sonuçlarý dikkate alýnýrsa, havada bulunan O , CO ve N gazlarýndan N gazýnýn miktarý arttýrýldýðýnda, soðuk çýkýþtaki akýþkan sýcaklýðýnýn daha da soðuk olacaðý düþünülmektedir. Hava, O , CO ve N gazlarýnýn vorteks tüpüne giriþ basýncý arttýrýldýðýnda T'nin de artacaðý deneysel olarak gözlemlenmiþtir. Bu deneysel çalýþma farklý akýþkanlarda vorteks tüp performansýnýn farklý olduðu deneysel olarak tespit edilmiþtir (Þekil 6, 7). 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 D D D D D x x D D o o o o o

1. Dincer K., Baþkaya Þ., Üçgül Ý., Uysal B. Z., “Giriþ ve Çýkýþ

Kütlesel Debilerinin Bir Vorteks Tüpün Performansýna Etkisinin Deneysel Ýncelenmesi”, 14. Ulusal Isý Bilimi ve Tekniði Kongresi”, Isparta, s. 13-18, (2003).

“Vorteks Tüplerde Enerji ve Ekserji Analizi”, 15. Ulusal Isý Bilimi ve Tekniði Kongresi”, Trabzon, s. 602-607, (2005).

“Experimental Study of The

Velocity and Temperature Distribution in a

High-Velocity Vortex Type-Flow”, Trans. of ACME, 79:751-755 (1957).

“A Similarty Relation for Energy Seperation in A Vortex Tube”, Int. Journal of Heat Mass Transfer, 27(6): 911-920 (1984).

“Dört Nozullu Vorteks Tüpünün Performansýnýn Deneysel Ýncelenmesi”, 15. Ulusal Isý Bilimi ve Tekniði Kongresi”, Trabzon, s. 596-601, (2005).

“Karþýt Akýþlý Ranque-Hilsch Vorteks Tüpün Performansýnýn Ýncelenmesi”, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bil. Enst., Ankara, s. 1-229, (2005).

“Bulanýk Mantýk Yöntemiyle Vorteks Tüp Performansýnýn Ýncelenmesi”, 15.Ulusal Isý Bilimi ve Tekniði Kongresi”, Trabzon, s. 608-613, (2005).

“Altý Nozullu Vorteks Tüpünün Performansýnýn Ýncelenmesi ”, 4. Uluslararasý Ýleri Teknolojiler Sempozyumu” , Konya, s.474-479, (2005).

“Vorteks Tüplerin Çalýþma Kriterlerine Etki Eden Faktörlerin ve Endüstrideki Kullaným Alanlarýnýn Tespiti ”, Yüksek Lisans Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bil. Enst., Isparta, s. 1-70, (2001).

Sonuç ve Öneriler

Kaynakça

2. Dincer K., Uysal Z., Baþkaya Þ., Mecit Sivrioðlu M., Üçgül Ý.,

3. Hartnett, J. P., Eckert, E. R.,

4. Stephan, K., Lin, S., Durst, M., Huang, F., Seher, D.,

6. Dincer K.,

7. Dincer K., Üçgül Ý., Baþkaya Þ., Mecit Sivrioðlu M., Uysal Z.,