28
Tesisat Mühendisliği - Sayı 133 - Ocak-Şubat 2013Düşen Film Tipi Akışta,
Farklı Yiv Geometrili Borularda Islak Alan Oranının ve
Buharlaşan Su Miktarının Deneysel İncelenmesi
ÖZET
Düşen film tipi akış uygulamada kapalı tip soğutma kulelerinde, evaporatif kon- denserlerde, absorpsiyonlu soğutmada görülmektedir. Bu çalışmada düşen film tipi akıştaki boru demetlerinde performansı arttırmak hedeflenmektedir. Düşen film tipi akışta, ısı ve kütle transferini arttırma da ısı ve kütle transfer alanını arttırmak, başka bir ifade ile minimum sıvı miktarıyla, ıslaklık alanını arttırmak çok önemlidir. Bu çalışmada ıslaklık alanını arttırmak için, yatay boru üzerine eksenel ya da burgulu olmak üzere farklı yiv formları verilmiştir. Yiv geometri- leri üçgen, trapez, yuvarlak ve kareden oluşmuştur. Deneylerde dört ayrı yiv geometrili yatay boru üzerinde, düşen film tipi akış oluşturularak ıslaklık alanı ölçülmüştür. Islaklık alanını ölçebilmek için düşen film tipi akış boyalı su ile yapılmıştır. Farklı yiv geometrili borulardaki ıslak alanın tespit edilebilmesi için hızlı kamera kullanılarak fotoğraf çekilmiştir. Fotoğraflar Matlab programı yar- dımıyla işlenerek, en fazla ıslak alan oranının % 74 ile burgulu trapez yivli boruda, en düşük % 46 ile eksenel trapez yiv geometrili boruda olduğu sonucu- na varılmıştır. Çalışmaların devamında burgulu trapez yivli boruda, düşen film tipi akışta 30 °C, 35 °C ve 40 °C olmak üzere 3 farklı besleme suyu sıcaklığın- da buharlaşan su miktarı incelenmiştir. Şekillerden besleme su sıcaklığı arttık- ça buharlaşan su miktarının da arttığı görülmektedir.
Anahtar Kelimeler: Yivli Boru, Islak Yüzey Alanı, Düşen Film Tipi Akış
1. GİRİŞ
Günümüzde, evaporatif kondenserler ve kapalı tip soğutma kuleleri- nin kullanımı yaygınlaşmaktadır. Buralarda kullanılan ısı değiştirici- lerinde, absorpsiyonlu soğutma sistemlerinin absorber ve evaporatör kısmında, minimum su kullanarak ıslaklık alanını arttırmak, buhar- laşan su miktarını, ısı ve kütle transferini arttıracaktır. Bu durumda sistemin, ilk yatırım maliyeti ve işletme maliyeti azalacaktır.
Literatürde, düşen film tipi akıştaki deneysel çalışmaların, kullanılan akışkana, boru malzemesine, boru sayısı ve dizilişine göre farklılık- lar gösterdiği görülmüştür. Maron-Moalem vd. [1] çalışmalarında
Cenk ONAN
Derya Burcu ÖZKAN
Abs tract:
There have been studied about the falling film flow in the absorption cooling systems, evaporative con- densers and cooling towers. In this study it is aim to to improve the per- formance experimentally in the tube bundles. In the falling film flow to increase the heat and mass transfer by increasing the heat and mass transfer area is important, in other words increase the wetness area with the minimum liquid amount is very important. In this study, straight or twisted groove geometries will be applied to the horizontal tube surface to increase the wetness area on the horizontal tube. Groove geometries are formed triangular, trapezoidal, round and square shapes. In the experiments, wetted area was exam- ined in the falling film flow for four horizontal tubes with different groove geometries. In order to measure the wetted area, falling film flow is done by water based paint. High speed camera was used to detect the wet- ted area in the tubes with different groove geometries and image pro- cessing is done with the help of Matlab software, the most wetted surface area (% 74) was observed on the twisted trapezoidal grooved tube.
The lowest wetted area is determined
% 46 in the axial trapezoidal grooved tubes. On the other hand, evaporated water mass flow rate were also determined at the different feeding water temperatures, 30 °C, 35 °C and 40 °C. It is seen that evaporated water mass flow rate is increased when the feeding water temperature increases according to the results.
Key Words:
Grooved Tube, Wetted Area, Falling Film
deneysel olarak birden fazla yatay boru üzerinden düşen sıvı film akışını incelemişlerdir. Damlama karakteristiği üzerine yoğunlaşmışlardır. Rogers [2]
hareketi ve yatay borular üzerine düşen laminer film akışı için enerji denklemlerini çözümlemiştir. Enerji denklemlerinin çözümü için integral metodunu kul- lanmıştır. Herhangi bir noktadaki laminer film kalın- lığını Reynolds sayısının, Arşimet sayısının (Ar) ve yatay borudaki açısal pozisyonun fonksiyonu olarak denklemle ifade etmiştir. Liu vd. [3] çalışmasında evaporatörde bulunan yatay boru demeti üzerine düşen su filminin buharlaşması ile ilgili olarak deneysel ve sayısal çalışma yapmışlardır. Yatay ola- rak ısıtılmış boruların üzerine düşen su filminin, ısı transfer katsayılarını laminer ve türbülanslı modelle hesaplamışlardır. Isıtılmış boru etrafındaki hesapla- ma alanı; en üst bölge durgun bölge ve yan bölge ser- best film bölgesi olarak bölümlere ayrılmıştır.
Yaptıkları çalışmada yatay boru demetli buharlaştırı- cı üzerinde, düşen su filminin ısı ve kütle transferi için deneysel bir çalışma yapıp, sayısal bir model geliştirmişlerdir. Mitrovic [4] yatay ısıtılmış borular- dan düşen soğutulmuş sıvı filmi akışına olan ısı transferini deneysel olarak çalışmıştır.
Deneysel sonuçlarla, akış modelinin yalnızca filmin Reynolds sayısına bağlı olmadığını, boru aralıklarına da bağlı olduğunu ifade etmiştir. Bu çalışmada su için damlacık modundan jet moduna geçişin 150 ile 200 Re sayısı aralığında, jet modundan film moduna geçiş ise 315-600 Reynolds sayısının aralığında meydana geldiğini ifade etmiştir. Ribastki ve Jacobi [5]’nin çalışması yatay tip düşen film tipi evapora- törler hakkındaki mevcut literatürü kapsamaktadır.
Bu çalışma aynı zamanda tek düz boru, genişletilmiş yüzeyler, boru demetleri üzerindeki ısı transfer per- formansını etkileyen akış model çalışmalarını ve deneysel parametreleri de içermektedir.
Rogers ve Goindi [6] büyük çaplı yatay boru üzerin- den düşen suyun film kalınlığını deneysel olarak ölç- müşlerdir. Laminar düşen filmlerde ölçülen kalınlık- larla teorik değerler karşılaştırarak film kalınlığını önceden tahmin eden yeni bir korelasyon geliştir- mişlerdir. Kocamustafaogullari ve Chen [7] tarafın-
dan yatay tüp evaparatörünün boru demeti üzerinden düşen film akışının hidrodinamiği ve ısı transferinin simule edilmesi için teorik analiz sunulmuştur. Bir tüpten altındakine sıvı düşüşü borunun en üstüne uniform serbest düşme hızı ile çarpan ince sıvı jeti gibi düşünülmektedir. Isıl denklemlerin ve hidrodi- namiğin çözümü sonlu elemanlar metodu ile elde edilmiştir.
Droegemueller [8] deneysel olarak yüksek viskozite- li su gliserin karışımı gibi akışkanların düşen film tipi akışındaki davranışını çalışmıştır. Ruan ve arka- daşları [9] karşı akımlı gaz akışında ve sıvı besleme yüksekliğinin düşen film akışındaki mod geçişlerine etkisini yatay borular üzerinden akan sıvı için araş- tırmışlardır.
Liu ve Yi [10] tarafından yapılan deneysel bir çalış- ma da su ve R11 in evaporasyonu için yatay düz boru ve iki tane farklı biçim verilmiş borular üzerinden düşen film tip akış incelenmiştir. Deneysel sonuçla- ra göre özel biçim verilmiş borularda düşen film tipi akışta ısı transferi iyileşmiştir. Choudhurry ve arka- daşları [11] soğutulmuş yatay borular üzerinden akan absorban çözeltisinin filmini analiz etmiştir ve toplam kütle akısı ile debi arasındaki bağıntıya daya- narak belirli tüp boyutu için optimum akış debisini elde etmişlerdir.
Literatürde düşen film tipi akışta düz boru üzerine çalışmalar yapılmıştır. Dıştan yivli boru üzerine sınırlı sayıda çalışma mevcuttur. Bu çalışmada lite- ratürde ki diğer çalışmalardan farklı olarak düşen film tipi akışta farklı yiv geometrili borularda mini- mum su miktarıyla, boru üzerinde en fazla ıslaklık alanını elde etmek hedeflenmiştir. Bu amaçla yatay yerleştirilmiş üçgen, trapez, yuvarlak ve kare yiv geometrili borular üzerinden düşen film tipi akış oluşturulmuştur. Yapılan deneysel çalışmada en fazla ıslaklık alanının % 74 burgulu trapez yivli boruda olduğu tespit edilmiştir. Çalışmanın devamında en fazla ıslaklık alanını veren burgulu trapez yivli boru- da, düşen film tipi akışta buharlaşan su miktarı 30°C, 35 °C ve 40 °C olmak üzere 3 farklı besleme suyu sıcaklığında deneysel olarak incelenmiştir.
2. DENEY DÜZENEĞİ VE DENEYİN YAPILIŞI Deneysel çalışma, Şekil 1’de resmi verilmiş olan deney düzeneğinde yapılmıştır. Deneylerin ilk kıs- mında test borusu üzerinde düşen film tipi akış oluş- turularak, ıslak yüzey alan ölçümü yapılmıştır. Bu amaçla boru üzerinde burgulu ve eksenel form veri- len 4 farklı yiv geometrisi olmak üzere toplam 8 adet
boru, test borusu olarak kullanılmıştır. Şekil 2’de deneyde test borusu olarak kullanılan farklı yiv geo- metrisi verilmiş olan borular görülmektedir.
Deneyde test borusu boyunca eşit akış sağlamak için besleme borusu kullanılmıştır. Besleme borusunun alt noktasına ince delikler açılmıştır. Besleyici, dengele- me tüpü ve test boruları sırayla belirli aralıklarla yer- Şekil 1. Deney Düzeneği ve Ekipmanların Şematik Gösterimi
Şekil 2. Yivli Boru Geometrileri ve Yiv Formları
30
Tesisat Mühendisliği - Sayı 133 - Ocak-Şubat 2013leştirilmiştir. Görüntü işleme için kullanılan sıvı filmi öncelikle besleyici borunun deliklerinden 1.4 mm uzaklıktaki dengeleme tüpüne ve sonrasında da test borusunun üzerine akmaktadır. Bu sırada yüksek hızlı kamera (CMOS görüntü algılayıcı ve yüksek hız sağ- layan LSI görüntü işlemci) ile (60 fps) akışın fotoğ- rafları çekilmiştir (Şekil 3). Çekilen fotoğraflar Matlab programı aracılığıyla işlenerek, boruların ıslak
yüzey alanı birbirleriyle karşılaştırılmıştır (Şekil 4).
Çalışmada boruların üzerinden akan suyun sıcaklığı- nı kontrol etmek amacıyla depolu sıcak su ısıtıcı kul- lanılmıştır. Depolu sıcak su ısıtıcı 10 bar basınçta, 53 litre sıcak su hazırlayabilme kapasitesine sahiptir.
Ayrıca test borusuna gelmeden önce su sıcaklığının kontrolü için boru hattına kablo tipi ısıtıcılar ve PID sıcaklık kontrol cihazları yerleştirilmiştir.
Şekil 3. Test Borusu Üzerinden Boyalı Su İle Düşen Film Tipi Akış
Şekil 4. Matlab Programında Görüntü İşleme Araçlarının Kullanımı
32
Tesisat Mühendisliği - Sayı 133 - Ocak-Şubat 2013toplanan suyun debisini ölçmek amacıyla debimetre yerleştirilmiştir. Test hücresine hava giriş ve çıkış bağıl nem ölçümlerini yapabilmek için kanal tipi nemlendirici kullanılmıştır.
Havanın viskozitesi ve diğer fiziksel özellikler film sıcaklığında belirlenmiştir. Film sıcaklığı;
T∞+ Ts
Tf= ———— (1)
2
ifadesiyle hesaplanmıştır.
Islak yüzeyin alan oranı, toplam boru yüzey alanının, ıslak boru yüzey alanına oranı olarak ifade edilmiş- tir.
A∞
Fw= —— (2)
At
Buharlaşan suyun kütlesel debisi;
ṁv= V Ath a (i–o) (3) ifadesiyle hesaplanmıştır. Burada ρ ortalama sıcak- lıkta havanın yoğunluğu, ω ise sırasıyla havanın deney düzeneğine giriş ve çıkışındaki mutlak nemi- dir. Buharlaşan su oranı ise;
ṁb
Fb= —— (4)
ṁbes
denklemi yardımıyla belirlenmiştir.
3. SONUÇLAR
Eksenel ve burgulu yivli boruların düşen film tipi akışta ıslak yüzey alan oranları (Fw) Şekil 5’ te ince- lenmiştir. Şekilde test boruları kodlarla ifade edil- miştir. Kodların ilk harfi yivin formunu, ikinci harf- te yivin geometrisini ifade etmektedir. Burgulu yivli borular için “B” harfi, eksenel yivli borular içinde
“E” harfi kullanılmıştır. Yivin geometrik şekline Test borusu üzerinden düşen film tipi akış oluşturul-
duğunda boru yüzey sıcaklıkları ve ortam sıcaklığı 10 adet kalibre edilmiş T tipi termoeleman ile ölçül- müştür. Test borularına giriş ve çıkış su debisi, sıcak- lığı, havanın bağıl nem, sıcaklık ve hız değerleri anlık olarak veri kaydedici ile bilgisayara aktarılmış- tır. Deneylerde boru yüzeyinden havaya olan ısı transferinin homojen olmasını sağlamak ve ölçebil-
mek için farklı yiv geometrili borular içerisine sili- kon kaplı rezistans yerleştirilmiştir.
Sistemde test borusu dış yüzeyinde düşen film tipi akışı oluşturan suyun debisi elektromanyetik debi- metre ile ölçülmüştür. Deneylerin tekrarlanabilirliği- ni sağlamak, aynı debilerde birden fazla deney yapa- bilmek için test borusunun üzerindeki debimetreden önce iğne vana kullanılmıştır. Test borusunun altında
Şekil 5. Dört Farklı Geometrili Burgulu Ve Eksenel Yivli Olmak Üzere Toplam 8 Adet Borunun Islak Yüzey Alanı Sonuçları
bağlı olarak, üçgen için “Ü”, yuvarlak için “Y”, tra- pez için “T”, kare içinde “K” harfi kullanılarak boru- lar kodlanmıştır.
Şekil 5’te eksenel yiv geometrili boruların daha düşük ıslak yüzey alan oranları olduğu görülmekte- dir. Düşen film tipi akışta, burgulu yivli boruların ıslak yüzey alan oranları (Fw) karşılaştırıldığında ise en fazla 0,74 ile burgulu trapez yivli boru, daha sonra 0,71 ile burgulu yuvarlak, 0,67 ıslak alan oranı ile burgulu üçgen yiv geometrili boru olmaktadır.
Burgulu yiv geometrileri içerisinde en kötü ıslak yüzey alan oranının burgulu kare yiv geometrisi olduğu sonucuna varılmıştır. Eksenel yiv geometrili borularda en yüksek ıslak alan oranı (Fw) kare olup, sırasıyla üçgen, yuvarlak ve trapez olarak değişmek- tedir. Islak yüzey alan oranının en fazla burgulu tra- pez yiv geometrili boruda görülmesi, bu boruda ısı ve kütle transferinin daha iyi olacağını göstermekte- dir.
Besleme suyu debisine ve besleme suyu sıcaklığına bağlı olarak buharlaşan su oranının (Fb) değişimi Şekil 6’da gösterilmiştir. Soğutma kulesi çalışma
şartları göz önünde bulundurularak, deneylerde bes- leme suyu sıcaklıkları 30 °C, 35 °C ve 40 °C olmak üzere 3 farklı durum çalışılmıştır. Şekil 6’da görül- düğü üzere besleme suyu sıcaklığı arttıkça buharla- şan su miktarı oranı da artış göstermektedir. Bu durum besleme suyu sıcaklığının artmasının kütle transferini arttırdığını ifade etmektedir. Deneylerde 50 kg/h ile 200 kg/h arasında besleme suyu debileri değiştirilmiştir. Şekil 6’da besleme suyu debisinin artışı ile buharlaşan su miktarı oranının düştüğü göz- lenmektedir.
Isı değiştirgeçlerinde düz boru yerine, yivli boru kul- lanımı ısı transfer yüzey alanını ve aynı zamanda ısı, kütle transferini arttırmaktadır. Çalışmada eksenel yiv formu yerine burgulu yiv formunun ıslaklık ala- nında daha ideal olduğu sonucuna varılmıştır. Yiv geometrisi de ıslaklık alanında önemli bir parametre- dir. Bu çalışmada ıslaklık alanının en fazla burgulu trapez yivli boruda olduğu görülmektedir. Bu çalış- mada düşen film tipi akışta yivli boru üzerine çalışıl- mıştır. Çalışmanın devamında yivli boruların alt alta yerleştirilmesiyle oluşan ısı değiştiricileri üzerine çalışılacaktır.
Şekil 6. Buharlaşan Su Oranının Besleme Suyu Debisine Bağlı Değişimi
34
Tesisat Mühendisliği - Sayı 133 - Ocak-Şubat 2013SEMBOL LİSTESİ A alan (m2)
b buharlaşan, bileşik bes besleyici
f film
F oran
h taşınım katsayısı (W/m2K)
i giriş
V hava hızı (m/s)
m kütlesel debi (kg/h) (g/m.s)
o çıkış
Pr Prandtl sayısı
Q ısı (W)
Re Reynolds sayısı T sıcaklık (°C)
t toplam
th test hücresi
v su buharı
w ıslak yüzey
ω mutlak nem (grSB/kgKH)
KAYNAKLAR
[1] Maron–Moalem, D, Sideman, S , Dukler, A E, Dripping Characteristics in a Horizontal Tube Film Evaporator, Desalination, 27, 117-127, 1978.
[2] Rogers,, J T, Laminar falling film flow and heat transfer characteristics on horizontal tubes, Canadian Journal of Chemical Engineering, 59, 213-222, 1981.
[3] Zhen, H L, Qun-Zhi, Z, Yu-Ming, C, Evaporation Heat Transfer of Falling Water Film on a Horizontal Tube Bundle, Heat Transfer-Asian Research, 31(1), 42-55, 2002.
[4] Mitrovic, J, Influence of tube spacing and flow rate on heat transfer from a horizontal tube to a falling liquid film, Proceedings of the eighth
international heat transfer conference, San Francisco, 4, 1949-1956, 1986.
[5] Ribastski, G, Jacobi, A M, Falling-film evapora- tion on horizontal tubes – a critical review, International Journal of Refrigeration, 28, 635- 653, 2005.
[6] Rogers, J, Goindi, S, Experimental laminar fal- ling film heat transfer coefficient on a large dia- meter horizontal tube, The Canadian Journal of Chemical Engineering, 67, 560-568, 1989.
[7] Kocamustafaogullari, G, Chen, I, Falling film heat transfer analysis on a bank of horizontal tube evaporator, AIChe Journal, 34 (9), 1539- 1548, 1988.
[8] Droegemueller, P, Viskose Rieselfilme im Waagerechten Rohrbuendel, Stroemungsformen, Waermeuebertragung und Mechanische Beeinflussung, VDI-Verlag Reihe, 19 (113), 1998.
[9] Ruan, B, Jacobi, A, Li, L, Effects of a counter- current gas flow on falling-film mode transitions between horizontal tubes, Experimental Thermal and Fluid Science, 33, 1216-1225, 2009.
[10] Liu, Z, Yi, J, Enhanced evaporation heat trans- fer of water and R-11 falling film with the roll- worked enhanced tube bundle, Experimental Thermal and Fluid Science, 25, 447-455, 2001.
[11] Choudhurry, S, Absortion of vapors into liquid films flowing over cooled horizontal tubes, ASHRAE Transitions, 99, 81-89, 1993.
