dairesel bir kanalda isi transfer in in deneysel ve sayisal incelenmesi experimental and numerical...
TRANSCRIPT
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
1/143
T.C.ERCYES NVERSTES
FEN BLMLER ENSTTS
DARESEL BR KANALDA ISI TRANSFERNNDENEYSEL VE SAYISAL NCELENMES
Tezi Hazrlayanzlem H. DADELEN
Tezi YnetenYrd.Do.Dr. S. Orhan AKANSU
Makine Mhendislii Anabilim DalYksek Lisans Tezi
Ocak 2006KAYSER
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
2/143
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
3/143
ii
TEEKKR
Bu tez konusunu sememde bana yardmc olan, tez almasnn her aamasnda bilgi
ve maddi-manevi desteini esirgemeyen, bata danman hocam sayn Yrd.Do.Dr.
S.Orhan AKANSU olmak zere, konumun ilerleyiinde bilgi ve tecrbesini aktaran
sayn Yrd.Do.Dr.Yahya Erkan AKANSUya ve sayn hocalarm Prof.Dr. Hseyin
YAPICIya ve Prof.Dr.Necdet ALTUNTOPa teekkrlerimi bir bor bilirim. Ayrca,
youn i hayatm yan sra kendi branmda ilerlemem iin yaptm bu kariyer
almamda maddi ve manevi desteklerini esirgemeyen aileme, zellikle anneme,
deneysel almalarmda beni yalnz brakmayan kardeim Yk.Mh.Fatih ZTRKeve deneysel almada mekanik ve elektronikteki teknik maharetlerini esirgemeyen eim
Yk.Mh. Ulvi DADELENe de teekkr eder, bu zaman diliminde yeterince vakit
ayramadm biricik oluma ACARma tezimi ithaf ederim.
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
4/143
iii
DARESEL BR KANALDA ISI TRANSFERNN DENEYSEL VE SAYISALNCELENMES
zlem H. DADELEN
Erciyes niversitesi, Fen Bilimleri EnstitsYksek Lisans Tezi, Aralk 2005
Tez Danman: Yrd.Do.Dr. S. Orhan AKANSU
ZET
Bu tez al
mas
nda, iklimlendirme cihaz
na silindirik bir kanal balanarak havadakinem miktarnn s transferine etkisi deneysel ve saysal olarak incelenmitir. Deneysel
incelemede s gei katsays sv kristal metod ile tespit edilmitir. Saysal almada
da Fluent 6.122 program ve bu programda k- modelin species transport blm
seilmitir. Kanaln boyu 1.5 m., ap ise 0.144 m.dir. Silindirik kanal pleksiglass
malzemeden yaplm olup, i yzeyine srlen sv kristal malzeme ile scaklk
dalm grsel olarak incelenmitir.
Deneyler iklimlendirme cihaz ile yaplm olup giri scakl 605C ve Reynolds
says 500015000 arasnda ve bal nem miktar deneysel almada %1340 saysal
almada %070 arasndadr. Deneyler bir kamera araclyla kaydedilmi daha sonra
30 sn aralklarla sv kristalin renk deiimi gzlenmitir. Reynolds says arttka
ortalama Nusselt says artmaktadr. Reynolds says sabit tutulup nem arttrldnda
Nusselt saysnda da art gzlenmitir. Deneylerde ortaya kan bu fark CFDde de ayn
artlar altnda modellenmi ve boyutsuz uzaklk x/r ve yerel Nu saysna bal
grafiklerle Reynolds saylarna gre farklar belirtilmitir. Sonu olarak nem miktarnnartrlmass transfer miktarn artrmaktadr.
Saysal analiz iin eksenine keli engel konularak farkl hz ve nemli havada yaplan
almada da Re=750025000 arasnda hz ve scaklk dalmlar incelenmitir. Nem
havann ktlesini arttrd iin hz azalr, scaklk ise duvar ve eksen arasnda oluan s
farkyla s transferini artrr. Engelli kanaldaki nemli havann s transferine etkisi,
engelli kanalda nemsiz havaya gre maksimum %10 orannda fazladr.
Anahtar Kelimeler: Bal nem, Nusselt Says, Reynolds Says, s transferi, engel
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
5/143
iv
EXPERIMENTAL AND NUMERICAL INVESTIGATION OF HEATTRANSFER IN A CIRCULAR DUCT
zlem H. DADELEN
Erciyes University, Graduate School of Natural and Applied SciencesM.Sc. Thesis, December 2005
Thesis Supervisor: Assist. Prof. S.Orhan AKANSU
ABSTRACT
In this study, by mounting a cylindrical duct to the air conditioning unit the effect of the
relative humudity amount in the air to the heat transfer is investigated experimentally
and numerically. In the experimental analysis, heat transfer coefficient is determined byliquid crystal method. In numerical analysis, Fluent 6.1.2.2 program is used and this
program is selected k-, species transport model. The length of the duct is 1.5 m and
diameter is 0.144 m. The cylindrical duct is made of flexyglass material by applying LC
material to the inner surface of the duct, temperature distribution is visually investigated.
This experiment is made with air conditioning unit and inlet temperature is 605C , Re
number is 5000-15000 and realtive humidity unit is %13-40 in experimental, %0-70 in
numerical. Experiments are recorded by a camera and then the change of the LC in a 30
seconds interval is considered. As the Re number increaes the average Nu number is
increasing.
While keeping Re number constant and increasing humudity an increasing Nu number
is also investigated. The difference found in the experiments is also modelled under
same conditions with CFD and the differences with the respect to Re number with non
dimensional ditance x/r and local heat Nu number graphics is determined. As a result,
when the humudity amount increases heat transfer increases.
In study in which a corned obstacle is assembled to the center of the duct fort he
numerical analysis is investigated for different velocity and humidity distributions
between Re=7500-25000. Velocity is decreased according to the increase in the mass of
the air because of humidity but temperature increases the heat transfer because of the
difference between wall and axis. The effect of the humidity air in the obstacle duct to
the heat transfer is maximum 10% greater than the air without humidity.
Keywords: Relative humidity, Nu number, Re number,heat transfer, obstacle
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
6/143
v
NDEKLER
KABUL VE ONAY...........................................................................................................iTEEKKR......................................................................................................................ii
ZET ...............................................................................................................................iii
ABSTRACT.....................................................................................................................iv
KISALTMALAR VE SMGELER................................................................................viii
TABLOLAR LSTES ......................................................................................................x
EKLLER LSTES .......................................................................................................xi
1. BLM ........................................................................................................................1
GR ...............................................................................................................................1
2. BLM ........................................................................................................................5
LTERATR ARATIRMASI ........................................................................................ 5
2.1. Yaplan almalar..................................................................................................... 5
2.2. Is Tanm Katsaysnn Belirlenmesi ....................................................................... 8
2.2.1. Entalpi Yntemi ...................................................................................................... 8
2.2.2. nce Cidar Yaklam .............................................................................................. 9
2.2.3. Kondksiyon zm Yntemi................................................................................9
2.2.4. Sv Kristal Yntemi ............................................................................................... 9
2.3. Sv Kristalin Yaps .................................................................................................11
2.3.1. Sv Kristal Kullanlarak Yaplan Baz almalar ............................................... 12
2.3.2. Sv Kristallerin Snflandrlmas ......................................................................... 17
2.3.3. Scaklk Grntleme Teknikleri.......................................................................... 18
2.3.4. Sv Kristalin Kalibrasyonu ve Renk-Scaklklikisi ..........................................19
3. BLM ......................................................................................................................21
DENEYSEL VE SAYISAL ALIMA......................................................................... 21
3.1. Giri..........................................................................................................................21
3.2. Deneysel almalar ................................................................................................ 21
3.2.1. klimlendirme Cihaz ............................................................................................ 23
3.2.1.1. Cihaz Kullanmnn Amac ................................................................................23
3.2.1.2. Tesisat ................................................................................................................ 23
3.2.1.3. nitenin zellikleri............................................................................................24
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
7/143
vi
3.2.1.4. Teori ................................................................................................................... 24
3.2.2. Test Blgesi...........................................................................................................25
3.2.3. Hz ve Basn Bileenlerinin llmesi ...............................................................263.2.4. Is Tanmnda Boyutsuz Saylar ......................................................................... 26
3.2.5. Srtnme Faktrnn Belirlenmesi ...................................................................... 27
3.2.6. Belirsizlik Analizi ................................................................................................. 27
3.2.6.1. Boyutsuz Saylarn Belirsizlik Deerleri ...........................................................29
3.2.6.2. Deneysel lmler ile Ortaya kan Belirsizlikler ...........................................30
3.2.7. Sv Kristal Renk-Scaklklikisinin Belirlenmesi .............................................. 32
3.2.8. Test Blgesi lm Yzeyinin S
v
Kristalle Kaplanmas
...................................333.2.9. Yerel Is Tanm Katsaylarnn Hesab ...............................................................34
3.2.10. Is Transfer Katsaysnn Hesab ......................................................................... 34
3.2.11. Bo Borudaki Zaman Baml Isletim Denklemi ve Snrartlar ..................35
3.2.12. Is Tanm Katsaylarnn Hesap Prosedr ve Hesaplamalarda Kullanlan
Bilgisayar Program ............................................................................................ 40
3.3. Deneysel alma.....................................................................................................41
4. BLM ......................................................................................................................52
SAYISAL ALIMA.....................................................................................................52
4.1. Standard k- Model ..................................................................................................53
4.2. Standart k- Model iin letim Denklemi................................................................. 53
4.3. Trblansl Viskozite Modelleme............................................................................ 53
4.3.1. Model Sabitleri...................................................................................................... 53
4.3.2. letim Trlerinin Modellenmesi ve Sonlu Hz-Kimyas .......................................54
4.3.3. letim Trleri Denklemleri ....................................................................................54
4.4. Snrartlar ..............................................................................................................55
4.5. Grid Bamszl .....................................................................................................56
4.5.1. Engelsiz Bo Kanalda Scaklk ve Hz kontrleri.................................................57
4.5.2. Engelli Kanalda Hz ve Scaklk Kontrleri.......................................................... 61
4.6. Deneysel ve Nmerik almann Mukayesesi........................................................ 65
4.6.1. Nusselt Says Bakmndan Mukayese.................................................................. 65
4.6.2. Basn Deiimi Bakmndan Mukayese ..............................................................68
4.7. Saysal nceleme ......................................................................................................68
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
8/143
vii
4.8. Kanal indeki Kare Engellerin Is Transferine Etkisi Ve Hz Dalmlarnn
ncelenmesi ..................................................................................................................... 74
4.8.1. Engelsiz Durum in Nusselt Saysnn Gemi almalarla Mukayesesi ..........764.8.2. Engelli Durumda Nemsiz ve Nemli Havann Is Transferine Etkisinin ncelenmesi 77
4.8.2.1. Hz Dalmlar ..................................................................................................77
4.8.2.2. Scaklk Dalmlar ........................................................................................... 97
5. BLM ....................................................................................................................117
SONU VE RDELEME..............................................................................................117
KAYNAKLAR .............................................................................................................119
EKLER..........................................................................................................................123EK1 ...........................................................................................................................123
EK2 ...........................................................................................................................126
EK3 ...........................................................................................................................127
ZGEM .................................................................................................................. 128
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
9/143
viii
KISALTMALAR ve SMGELER
Q Akkana aktarlan toplam sTg Akkan giri scakl
T Akkan k scakl
m Akkann ktlesel debisi
c Akkann sabit basntaki zgl ss
Cp Srtnme katsays
h Is tanm katsays
Tm Cidarla akkan arasndaki logaritmik scaklk farkF Yzey alan
Tco Cidar scaklklarnn ortalamas
Taor Akkann ortalama scakl
.
q Is aks
Tbulk ak scakl
Twi Yerel yzey scakl
Taw Adyabatik duvar scakl
Td Kuru termometre scakl
Tw Ya termometre scakl
Re Reynolds sats
d Boru ap
Ortamn s iletim katsays
p Test blgesi k
U Test blgesi giriindeki ortalama hz
Akkann younluu
R Toplam belirsizlik
Nu Nusselt says
St Strouhal says
dhe Edeer ap
A Ak ynne dik kesit alan
F Islak evreTaf Akkan film scakl
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
10/143
ix
w Duvar malzemesinin younluu
k Is transfer katsays
Gk Ana hz radyanlarna bal trblans kinetik enerjiGb Su zerinde durabilme zelliine bal trblans kinetik enerji
YM Kanaln bir ucundan bir uca dalm oranna sktrlabilir trblansdakararsz genileme
k,e Trblansl akta Pr saylar
Pr Prandtl says
t Trblans viskozitesi
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
11/143
x
TABLOLAR LSTES
Tablo 3.1. S
v
Kristalin Renk Oluum S
cakl
klar
.......................................................33Tablo 3.2. Deneysel Veri Tablosu................................................................................... 42
Tablo 4.1. 50250 mm Arasndaki llebilen Deneysel P Basn Fark ve CFDOlarak Hesaplanan P Basn Fark Deerleri ............................................... 68
Tablo 4.2. Reynolds, Bal Nem, Basn Fark ve Srtnme Katsays DeerlerininDeiimi ..........................................................................................................74
Tablo 4.3. k, c, r ve mnin Scakln Fonksiyonu Olarak Deiimi ..............................75
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
12/143
xi
EKLLER LSTES
ekil 3.1. klimlendirme Cihaz
......................................................................................22ekil 3.2. klimlendirme Cihazematikekli...............................................................22
ekil 3.3. Test Blgesi .................................................................................................... 26
ekil 3.4. Is Gei Katsaylarnn Belirlenmesinde Kullanlan Snr Koullar .............34
ekil 3.5. Hi Hesaplamada Kullanlan Sonlu Fark Gsterimi (J=1 Dm Noktasnda
Konveksiyon Snrart) ................................................................................36
ekil 3.6. Ara Dm Noktalarnda Kullanlan Sonlu Farklar A ................................38
ekil 3.7. J = Numr Dm Noktasnda Konveksiyon Snrart .................................39
ekil 3.8. Deney Dzeneinin Genel Grnm............................................................41
ekil 3.9. %19 Bal Nem ve Re = 9642 in Test Blgesinde Sv Kristalin Scaklk
Karsnda Meydana Gelen Renk Deiimi (Deney 10) ................................43
ekil 3.10. %21 Bal Nem ve Re = 11872 iin Test Blgesinde Sv Kristalin Scaklk
Karsnda Meydana Gelen Renk Deiimi (Deney No:13) .......................... 44
ekil 3.11. %23 Bal Nem ve Re = 13020 iin Test Blgesinde Sv Kristalin Scaklk
Karsnda Meydana Gelen Renk Deiimi (Deney no:17) ........................... 45
ekil 3.12. %40 Bal Nem ve Re = 13675 iin Test Blgesinde Sv Kristalin Scaklk
Karsnda Meydana Gelen Renk Deiimi (Deney No:28) .......................... 46
ekil 3.13. %30 ve %33nemlerde Re7300 iin x Eksenel Uzakla Karlk Yerel Nu
Says ..............................................................................................................47
ekil 3.14. %30 ve %33 Nemlerde Re8100 iin x Eksenel Uzakla Karlk Yerel Nu
Says ..............................................................................................................48
ekil 3.15. %17 ve %30 Nemlerde Re8800 iin x Eksenel Uzakla Karlk Yerel Nu
Says ..............................................................................................................48
ekil 3.16. %18 ve %30 Nemlerde Re9300 iin x Eksenel Uzakla Karlk Yerel Nu
Says ..............................................................................................................49
ekil 3.17. %19 ve %40 Nemlerde Re10000 iin x Eksenel Uzakla Karlk Yerel
Nu Says.........................................................................................................49
ekil 3.18. %19 ve %39 Bal Nemlerde Re9800 iin x Eksenel Uzakla Karlk
Yerel Nu Says............................................................................................... 50
ekil 3.19. %21 ve %40 Nemlerde Re10500 iin x Eksenel Uzakla Karlk YerelNu Says.........................................................................................................50
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
13/143
xii
ekil 3.20. %25, %38 ve %40 Nemlerde Re11000 iin x Eksenel Uzakla Karlk
Yerel Nu Says............................................................................................... 51
ekil 4.1. 212919 Grid Saysnda Bo Kanalda Hz Dalm ........................................57ekil 4.2. 258759 Grid Saysnda Bo Kanalda Hz Dalm ........................................57
ekil 4.3. 332499 Grid Saysnda Bo Kanalda Hz Dalm ........................................57
ekil 4.4. 221919 Grid Saysnda Bo Kanalda Scaklk Dalm.................................58
ekil 4.5. 258759 Grid Saysnda Bo Kanalda Scaklk Dalm.................................58
ekil 4.6. 332499 Grid Saysnda Bo Kanalda Scaklk Dalm.................................58
ekil 4.7. Engelsiz Kanaln x Ekseninde 0 0,25 Arasnda (a) 221919, (b) 258759 ve
(c) 332499 Grid Say
lar
nda H
z Da
l
mlar
................................................. 59ekil 4.8. Engelsiz Kanalda x Ekseninde 0 0.25 Aralnda (a) 221919, (b) 258759 ve
(c) 332499 Grid Saylarnda Scaklk Dalm .............................................. 60
ekil 4.9. 212420 Grid Saysnda L/D=0,5, Re=23400de Ekseninde Kt Cisim Bulunan
Kanaln Hz Dalm......................................................................................61
ekil 4.10. 231756 Grid Saysnda L/D = 0,5, Re = 23400de Ekseninde Kt Cisim
Bulunan Kanaln Hz Dalm ....................................................................... 61
ekil 4.11. 270556 Grid Saysnda L/D = 0,5, Re = 23400de Ekseninde Kt Cisim
Bulunan Kanaln Hz Dalm ....................................................................... 61
ekil 4.12. 212420 Grid Saysnda L/D = 0,5, Re = 23400de Ekseninde Kt Cisim
Bulunan Kanaln Scaklk Dalm................................................................62
ekil 4.13. 231756 Grid Saysnda L/D = 0,5, Re = 23400de Ekseninde Kt Cisim
Bulunan Kanaln Scaklk Dalm................................................................62
ekil 4.14. 270556 grid saysnda L/D = 0,5, Re = 23400de ekseninde kt cisim
bulunan kanaln scaklk dalm...................................................................62
ekil 4.15. Engelli Kanalda x Ekseninin 0-0,25 m Aralnda L/D = 0.5, Re = 23400de
212420, 231756 ve 270556 Grid Saylarndaki Hz Dalmlar....................63
ekil 4.16. Engelli Kanalda x Ekseninin 00,25 m Aralnda L/D = 0,5, Re = 23400de
212420, 231756 ve 270556 Grid Saylarndaki Scaklk Dalmlar ............64
ekil 4.17. Re=6483 iin x Mesafesine Karlk Deneysel ve CFD Yerel Nusselt Says ... 65
ekil 4.18. Re=5473 iin x Mesafesine Karlk Deneysel ve CFD Yerel Nusselt Says ... 65
ekil 4.19. Re=11745 iin x Mesafesine Karlk Deneysel ve CFD Yerel Nusselt Says . 66
ekil 4.20. Re=7184 iin x Mesafesine Karlk Deneysel ve CFD Yerel Nusselt Says ... 66
ekil 4.21. Re=12871 iin x Mesafesine Karlk Deneysel ve CFD Yerel Nusselt Says . 67
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
14/143
xiii
ekil 4.22. Re=13020 iin x Mesafesine Karlk Deneysel ve CFD Yerel Nusselt Says . 67
ekil 4.23. Re=3820 iin %0, 5-10, 20, 30, 40 ve 70 Bal Nem Deerlerinde x Eksenel
Uzaklk-Yerel Nusselt Says.......................................................................... 69ekil 4.24. Re=5720 iin %0, 510, 20, 30, 40 ve 70 Bal Nem Deerlerinde x Eksenel
Uzaklk-Yerel Nusselt Says.......................................................................... 69
ekil 4.25. Re=7627 iin %0, 5-10, 20, 30, 40 ve 70 Bal Nem Deerlerinde x Eksenel
Uzaklk-Yerel Nusselt Says.......................................................................... 70
ekil 4.26. Re=9533 iin %0, 510, 20, 30, 40 ve 70 Bal Nem Deerlerinde x Eksenel
Uzaklk-Yerel Nusselt Says.......................................................................... 70
ekil 4.27. Re=11440 iin %0, 5-10, 20, 30, 40 ve 70 Ba
l Nem Deerlerinde xEksenel Uzaklk-Yerel Nusselt Says ............................................................71
ekil 4.28. v = 1 m/sn Re = 3813, 5720, 7627, 9533 Ve 11140 Deerlerinde x Eksenel
Uzaklk Yerel Nu Says. .............................................................................71
ekil 4.29. v=1,5 m/sn Re=3813, 5720, 7627, 9533 ve 11140 Deerlerinde x Eksenel
Uzaklk Yerel Nu Says. .............................................................................72
ekil 4.30. v=2 m/sn Re=3813, 5720, 7627, 9533 Ve 11140 Deerlerinde x Eksenel
Uzaklk Yerel Nu Says. .............................................................................72
ekil 4.31. v=1 m/sn Re=3813, 5720, 7627, 9533 ve 11140 Deerlerinde x Eksenel
Uzaklk Yerel Nu Says. .............................................................................73
ekil 4.32. Nmerik allan Modelin Grn..........................................................75
ekil 4.33. Hesaplanan Nusselt Says ile Ampirik Nusselt Saysnn Reynolds Saysna
Gre Grn ............................................................................................... 76
ekil 4.34. L/D=1de Re=7800 iin Nemsiz Havada Hz Dalm(v=1).......................79
ekil 4.35. L/D=1de Re=7800 iin %10 Nemli Havada Hz Dalm(v=1).................80
ekil 4.36. L/D=1de Re=7800 iin %30 Nemli Havada Hz Dalm(v=1).................81
ekil 4.37. L/D=1de Re=7800 iin %50 Nemli Havada Hz Dalm(v=1).................82
ekil 4.38. L/D=1de Re=15600 iin Nemsiz Havada Hz Dalm(v=2).....................83
ekil 4.39. L/D=1de Re=15600 iin %10 Nemli Havada Hz Dalm(v=2)...............84
ekil 4.40. L/D=1de Re=15600 iin %30 Nemli Havada Hz Dalm(v=2)...............85
ekil 4.41. L/D=1de Re=15600 iin %50 Nemli Havada Hz Dalm(v=2)...............86
ekil 4.42. L/D=1de Re=23400 iin Nemsiz Havada Hz Dalm(v=3).....................87
ekil 4.43. L/D=1de Re=23400 iin %10 Nemli Havada Hz Dalm(v=3)...............88
ekil 4.44. L/D=1de Re=23400 iin %30 Nemli Havada Hz Dalm(v=3)...............89
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
15/143
xiv
ekil 4.45. L/D=1de Re=23400 iin %50 Nemli Havada Hz Dalm(v=3)...............90
ekil 4.46. L/D=0,5de Re=7800 iin Nemsiz Havada Hz Dalm(v=1)....................91
ekil 4.47. L/D=0,5de Re=7800 iin %30 Nemli Havada Hz Dalm(v=1)..............92ekil 4.48. L/D=0,5de Re=15600 iin Nemsiz Havada Hz Dalm(v=2)..................93
ekil 4.49. L/D=0,5de Re=15600 iin %30 Nemli Havada Hz Dalm(v=2)............94
ekil 4.50. L/D=0,5de Re=23400 iin Nemsiz Havada Hz Dalm(v=3)..................95
ekil 4.51. L/D=0,5de Re=23400 iin %30 Nemli Havada Hz Dalm(v=3)............96
ekil 4.52. L/D=1de Re=7800 iin Nemsiz Havada Scaklk Dalm(v=1) ...............99
ekil 4.53. L/D=1de Re=7800 iin %10 Nemli Havada Scaklk Dalm(v=1) ....... 100
ekil 4.54. L/D=1de Re=7800 iin %30 Nemli Havada S
cakl
k Da
l
m
(v=1) ....... 101ekil 4.55. L/D=1de Re=7800 iin %50 Nemli Havada Scaklk Dalm(v=1) ....... 102
ekil 4.56. L/D=1de Re=15600 iin Nemsiz Havada Scaklk Dalm(v=2) ........... 103
ekil 4.57. L/D=1de Re=15600 iin %10 Nemli Havada Scaklk Dalm(v=2) ..... 104
ekil 4.58. L/D=1de Re=15600 iin %30 Nemli Havada Scaklk Dalm(v=2) ..... 105
ekil 4.59. L/D=1de Re=15600 iin %50 Nemli Havada Scaklk Dalm(v=2) ..... 106
ekil 4.60. L/D=1de Re=23400 iin Nemsiz Havada Scaklk Dalm(v=3) ........... 107
ekil 4.61. L/D=1de Re=23400 iin %10 Nemli Havada Scaklk Dalm(v=3) ..... 108
ekil 4.62. L/D=1de Re=23400 iin %30 Nemli Havada Scaklk Dalm(v=3) ..... 109
ekil 4.63. L/D=1de Re=23400 iin %50 Nemli Havada Scaklk Dalm(v=3) ..... 110
ekil 4.64. L/D=0,5de Re=7800 iin Nemsiz Havada Scaklk Dalm(v=1) .......... 111
ekil 4.65. L/D=0,5 de Re=7800 iin %30 Nemli Havada Scaklk Dalm(v=1).....112
ekil 4.66. L/D=0,5de Re=15600 iin Nemsiz Havada Scaklk Dalm(v=2) ........ 113
ekil 4.67. L/D=0,5de Re=15600 iin %30 Nemli Havada Scaklk Dalm(v=2) ..114
ekil 4.68. L/D=0,5de Re=23400 iin Nemsiz Havada Scaklk Dalm(v=3) ........ 115
ekil 4.69. L/D=0,5de Re=23400 iin %30 Nemli Havada Scaklk Dalm(v=3) ..116
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
16/143
1.BLMGR
Enerji, yllardan beri yana insanolunun yaamn devam ettirmesinde en nemli temel
kaynaklardan birisi olmutur. Gnmzde gelime ve glenmede en stratejik unsur
konumundadr. 18. yzyln ikinci yarsnda balayan ve "Sanayi devrimi" olarak
adlandrlan bilimsel ve teknolojik gelimeler sonucunda, retim srecindeki hzl
makineleme, beraberinde enerji ihtiyacn da gndeme getirmitir. Bugn
kullandmz enerjinin byk bir ounluu petrol, kmr, doal gaz gibi fosil
yaktlardan elde edilmektedir. Enerjinin daha verimli ve tasarruflu kullanlmas, bu
yaktlarn snrl rezervlerinin korunmas anlam tamaktadr. Dnya enerji tketimi;
nfus artna, daha konforlu yaam talebine bal sanayilemeye ve teknolojikgelimelere paralel olarak, ba dndrc bir hzla artmaktadr. 21. Yzyla girerken
adeta enerji souran bir dnya toplumu portresi ortaya kmaktadr. Gnmzde Dnya
toplam elektrik enerjisi gereksinimi 15 trilyon kilowatt saat dzeyindedir, enerji
gereksiniminin % 80'i kmr, petrol ve doal gaz gibi fosil yaktlarca, geri kalan %20'si
de bata hidrolik ve nkleer enerji olmak zere, hayvan, bitki atklar, rzgr, gne,
jeotermal enerji gibi kaynaklardan karlanmaktadr. Fosil yaktlarn Dnya'da bilinen
rezerv da
l
mlar
petrol edeeri olarak % 68 kmr, % 18 petrol, % 14 doal gazolarak hesaplanmaktadr. Buna gre; enerji tketim trendinin bugnk seviyesiyle,
bilinen petrol rezervlerinin mr 45 yl, doal gazn 65 yl, kmrn ise 240 yldr.
Konfor ve gelime talebindeki artla bu mrn ok daha kstl olaca aktr. Bu
durumda, Dnya'nn 21. Yzyldaki en nemli ve gvenilir enerji kayna yine kmr
olmaktadr. Nitekim Dnya enerji retiminde, gnmzde % 40 civarnda olan kmr
paynn 2020 ylnda % 48'e ykselecei tahmin edilmektedir
lkemiz, tkettii genel enerjinin % 45-46'sn yerli kaynaklardan salayan bir lkedir.
Yani ihtiyac olan enerjinin % 55'ini ithal etmektedir. Bu da enerji konusunda lkemizin
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
17/143
2
da baml olduunun ok ak bir gstergesidir. u anda Trkiye'de kurulu
durumdaki enerji santralleri yllk 20 GW civarnda elektrik enerjisi retmektedirler.
Santrallerin byk bir ksm kmr ve su enerjisi ile almaktadr. DPT tarafndanyaplan almalara gre 2010 ylna kadar lkemizdeki hzl sanayileme nedeni ile
yllk enerji ihtiyacmz 60 GW civarnda olacaktr. Sadece bu rakamlar bile lkemizde
enerji kapasitesinin alternatif olarak gelitirilmesini ve enerjinin tasarruflu
kullanlmasnn nemini aka ortaya koymaktadr. Kalknma sreci ierisinde olan
lkemizde ise enerji tketim seviyeleri, gerek fert bana birincil enerji, gerekse fert
bana elektrik enerjisi baznda gelimi lkelerin ok gerisindedir. Bu husus dikkate
al
narak, lkemizde uygulanan politikalar erevesinde temel ilkeler belirlenmelidir.Trkiye'nin toplam ve fert bana enerji tketimi, kalknmaya ve refah artna paralel
olarak arttrlmaldr. Buna ek olarak, enerji taleplerinin karlanmasnda, yerli/ithal
kaynak oran, enerji gvenlii, dnya enerji piyasalarndaki arz gelimeleri ve ekonomi
gz nne alnarak optimize edilmelidir. lkemiz, dnyann en zengin enerji
kaynaklarna sahip lkelerle evrili olduu halde, petrol ve doal gazmz yok denecek
kadar az olduu ifade edilmektedir.
Enerji retim ve dnm verimini artrmak iin ok sayda saysal ve deneysel alma
yaplmtr. Is transferi aratrmasnn nemli alanlarndan birisi de kanal iindeki ak
olaydr. Kanal iindeki s transferi yapsnn anlalmas s eanjrleri, gne
kolektrleri ve bilgisayarlarn verimli alabilmesi iin gereken soutma ilemlerinin
ve benzeri fiziksel olaylarn daha iyi bilinmesi sayesinde bu tr tasarmlarn optimum
olmasn salayacaktr.
Yksek performansl sl sistemler tasarlanrken, tasarm ve iletim basamaklarnn
dk olmas istenir. Maliyetlerinin azaltlabilmesi iin de s geiinin iyiletirilmesine
ynelik baz yntemler kullanlabilir. Bu yntemlerden ilki Bergles tarafndan 1969
ylnda aktif ve pasif yntemler olarak iki balkta gruplandrlmtr [1].
Sistemde ilave enerjinin kullanld yntemler aktif yntemler olarak snflandrlr.
Mesela, yzeyin dndrlmesi, cidardan alan kk deliklerden akn emilmesi, akm
ortamna ilave akkann baslmas, akn titreiminin salanmas vb. pasif yntem ise
ilave enerjinin kullanlmad yntemdir. Bu yntemde yzey przlnn artrlmas,
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
18/143
3
ak alanna ilave elemanlarn yerletirilmesi, s gei yzey alannn bytlmesi gibi
rnekler verilebilir.
Ak tipinin d veya i ak oluuna, akm alannn laminer veya trblansl olmasna,
akn akm ynnde gelimekte veya tam gelimi olmasna ve sistemdeki sl snr
koullarna bal olarak sl sistemlerdeki akm ve s gei karakteristiklerinin
deiimleri belirlenebilir. Bu akm ve s gei karakteristikleri, kullanlan iyiletirme
tekniine gre, iletme veya tasarm parametrelerine bal olarak etkileimleri ayrca
belirlenir [2].
Is gei yzeyini artrmak iin yaplan almalarda, yzeyde kanallar almakta,erisel yzeyler oluturulmakta, prz elemanlar ve kanatklar kullanlmakta olup,
daha etkili sonular elde edebilmek iin birden fazla iyiletirme tekniinin kullanld
almalarda yaplmtr. rnein, spiral kanatk kullanmyla bir taraftan akm
dndrlrken dier taraftan da s gei yzey alan artrlrken, kanatklarn
geometrilerine ve tasarm parametrelerine gre akm alan ierisindeki trblans
iddetinin de artrlmas sz konusudur.
Dz boru, i yzeyi kanatkl boru, i yzeyinde farkl geometrilerde yerletirilmi kt
cisimler iin deneysel ve teorik birok anlamda alma yaplm olmasna ramen
literatrde bir kanal boyunca nemli havann s transferine etkisi konusunda ok az
sayda deneysel bilgi mevcuttur.
Yaplan bu almada, laboratuarmzda bulunan P.A. Hilton Ltd. Air Conditioning
Lab.Unit Seri No: A574/62578 numaral klima cihaznn kna hz dzenleyici olarak
cihaz
k
genileyen ve sonra sabit genilikte test blgesine bal
pleksiglassdanyaplan bir difzr ve onun ucuna da ap 0,144 m ve boyu 1,5 m olan d ksm
yaltml yine pleksiglass boru monte edilmitir. lk olarak nem oran klima cihaznn
ayarlanabilir aral olan %1340 aralnda ve 500015000 Re saysnda test edilmitir.
Zamana baml sv kristal yntemi kullanlarak yaplan testler CFD kodu FLUENT
6.1.22 ile karlatrlmtr. CFD programnda standart k- model seilmi olup
reaksiyonsuz species transport model kullanlarak, termal etkenler dikkate alnarak
yaplmtr. Bu alma ile bylece deneysel ve teorik olarak nemin etkisinin kanal
ierisindeki akta s transferine ve basncna etkisi incelenerek literatre katkda
bulunulmaya allmtr.
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
19/143
4
Hazrlanan tez, genel itibariyle be blmden olumaktadr. 1. Blmde konuyla ilgili
genel bilgiler, 2. Blmde literatr, 3. Blmde deneysel ve saysal alma
mukayesesi, 4. Blmde de deneysel alma artlar dnda istenilen parametrelerleyaplan saysal almalar yer almaktadr. Son blmde ise yaplan almalarn
deerlendirilmesi ve irdelenmesi gereklemektedir.
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
20/143
2.BLMLTERATR ARATIRMASI
2.1.Yaplan almalarIs transfer miktarn artrmak, eitli parametrelerle nasl etkilendiini gzlemlemek ve
s geiinin iyiletirilmesini salamak amacyla literatrde ok sayda alma
yaplmtr ve yaplmaktadr. Kanatk veya prz eleman gibi yzeylerde ilave
elemanlarn kullanld boru ve dikdrtgen kesitli kanallar, dzgn yzeyli ve
kanatkl konsantrik kanallar, yatay ve eimli kanallar, kanal boyunca nemli havann
etkisi konusunda yaplan almalar sunulacak ve literatr aratrmasnn son ksmnda,
sv kristal kullanlarak s gei karakteristiklerinin belirlendii almalar
anlatlacaktr.
Rowley ve Patankar [3], i yzeyinde evresel olarak dikdrtgen kesitli kanatklar
bulunan borularda laminer akmdaki akm ve s geiini saysal olarak incelemilerdir.
Bu almalarnda farkl geometrilerde Prandtl ve Reynolds saylarnda, dk Prandtl
deerinde yzey alanndaki genilemeye ramen, ak yapsnn kanatklar nedeniyle
bozulmasna bal olarak boru cidarndan olan s geiinin azaldn ve Pr = 5
deerinden sonra art olduunu belirlemilerdir.
Sethumadhavan ve Rao [4], i yzeyinde akm ynnde farkl eimlerde tekli ve oklu
spiral engeller oluturulan bir dairesel kanalda, trblansl akmdaki s ve akm
karakteristiklerini deneysel olarak belirlemilerdir. Kullanlan bu spiral engellerin, akm
ve geometrik parametrelere bal olarak s geiini %30100 orannda, srtnme
faktrn ise %30200 orannda arttrdn tespit etmilerdir.
Ling vd. [5], sabit yzey scaklklarna sahip, alt ve st yzeylerinde, kesiti ikizkenar
dik gen olan engellerin bulunduu kare kesitli bir kanaldaki s geiini ve basn
dmn deneysel olarak inceledikleri almalarnda; farkl Re saylarnda, engel
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
21/143
6
yksekliklerinde ve admlarnda gen kesitli engellerin kullanld kanaldaki s
geiinin, dzgn yzeyli kanaldaki s geiine gre 1/2,3 orannda arttn, buna
karlk basn dmnde ise 1/10 orannda art olduunu tespit etmilerdir.
Kuvvet ve Yavuz [6] almasnda ayn eksenli yatay iki silindirin oluturduu halka
aralklardaki bir akmda i silindir yzeyindeki zorlanm tanmla s geii deneysel
olarak incelenmilerdir. Sv kristal yntemi kullanlarak yerel ve ortalama s tanm
katsaylar elde etmi ve deneyleri, 0,05, 0,667 ve 0,778 olmak zere farkl ap
orannda ve 700035000 Re says aralnda gerekletirmilerdir. Elde edilen veriler
literatr deerleriyle karlatrlm ve ortalama Nu says iin ap oranna ve Re
saysna bal olarak bir bant gelitirmilerdir.
Labbe vd. [7] taban yzeyine kare kesitli engellerin yerletirildii dikdrtgen kesitli bir
kanal ierisindeki ak ve s geiini saysal olarak incelemilerdir. Engeller, kanal
giriinden, engel yksekliinin dokuz kat aralklarla yerletirilmi olup, boyutlu
zmler gerekletirilmitir. almada, engeller nedeniyle oluan ve akm ynnde
byyerek ilerleyen girdaplarn, yzeyden itibaren, akm ierisindeki hz ve scaklk
gradyanlar
n
art
rarak
s
geiini iyiletirdiini tespit etmilerdir.
Huq ve Aziz-ul Huq [8], i yzeyinde evresel olarak e dalml sekiz adet eksenel
kanatk bulunan trblansl bir boru akndaki s gei karakteristiklerini deneysel
olarak inceledikleri almalarnda, s gei katsaysnn kanatksz boru akna gre
%97112 orannda arttn belirlemilerdir.
Braga ve Saboya [9], i yzeyinde akm ynnde kesintisiz devam eden dikdrtgen
kesitli kanallar
n kullan
ld
konsantrik bir kanalda, trblansl
ak
durumundakiortalama s gei katsaylarn ve srtnme faktrlerini deneysel olarak belirlemilerdir.
Aratrmaclar ayrca, ayn geometrik ve akm artlar iin iki boyutlu s transferinin
saysal olarak analizini gerekletirerek kanatklarn etkinliini hesaplamlardr. Bu
almada kanatk kullanm nedeniyle s gei yzey alannn 6 kat artmasna karlk,
kanatklar nedeniyle akm ierisindeki trblans karmnn azalmasna bal olarak
Nu saylarnn azald tespit edilmitir.
zsunar vd. [10], yatay dikdrtgen kesitli en/ykseklik oran (EYO) 10 olan bir kanalda
laminer kark konveksiyon artlarnda s transferi ile hz ve scaklk dalmlarn
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
22/143
7
Saysal Akkanlar Dinamii (SAD) yntemi kullanlarak incelenmitir. Kanal alt
yzeyi niform s aksna maruz, yan yzeyler yaltml, kanal st yzeyi ise d
ortamdaki akkana maruz braklmtr. Problemi tanmlayan temel korunumdenklemleri saysal olarak zlm ve elde edilen sonular, daha nce yaplm
deneysel sonularla karlatrlmtr. SAD analizi ile elde edilen scaklklarn
kullanlmasyla, yerel Nu saylar hesaplanmtr. Yerel Nu says sonular, deneysel
lmlerle karlatrlm ve uyum iinde olduu bulunmutur. Kanal iindeki
aklarda kaldrma kuvveti etkili ikincil ak ve kararszln balangc ile ilgili sonular
ayrntl birekilde incelenmitir.
Dadekin ve ztop [11], i ie yerletirilmi borularda laminer ak ve s geiini
saysal olarak incelemilerdir. Yrttkleri bu almada, iki boyutlu Navier-Stokes,
sreklilik ve enerji denklemlerini, sonlu hacim yntemi ve literatrde yeni bir algoritma
olan SIMPLEM algoritmasn kullanarak zmlerdir. Re saysnn 100, 500 ve 1000,
Pr saysnn 0,1, 0,7, 7 ve 10 deerleri iin gerekletirilen hesaplamalarda hz dalm,
girdap, akm izgileri, basn dalm ve yerel Nu says deiimlerini elde etmilerdir.
Yap
c
vd. [12], al
malar
nda mhendislik uygulamalar
nda nemli yeri olan d
ar
danstlan boruda zorlanm konveksiyonla oluan s transferini incelemilerdir. Bu
almada, analizler iin gelimi laminer zorlanm konveksiyonla s transferinin,
niform ve niform olmayan duvars aksna sahip boruda, radyal ve eksenel ynde s
iletimi ve sl gerilimi incelemilerdir. Bu analiz, iki boyutlu zamana bal s iletimi
denklemi ve sonlu farklar yntemi kullanlarak akan sv iin laminer snr tabaka
denklemi zerine kuruludur. Sv olarak su kullanlmtr. Nmerik hesaplamalar
Fluent 4.5 ve Heating 7 bilgisayar program kullanlarak gerekletirilmitir. Uniform
ve uniform olmayan s aks uygulamasyla d yzeyden stlan, borunun i
duvarndaki scaklk ve gerilim oran dalm, iki farkl ana ak hzyla
gerekletirilmitir. Borunun iinde akan akkann scaklk dalm btn incelenen
durumlar iin gerekletirilmitir.
Christopher ve Guo [13], ortalama Nu saysn, hava ve nem karm ieren bir akta
Re says 20007000, scaklk 300den 700e ve nem oran 0,220,54 iin lmlerdir.
Sonular 3 tpn aka dik ynde yerletirilmesi ile ayn artlar iin sunulmutur.Konveksiyon katsaynda nem ve scakln etkisi, tp evresindeki s transferindeki Nu
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
23/143
8
says formln gelitirmek iin aratrlr. Sonular gstermitir ki nem oran arttka
Nu says artar. Nu says, byk scaklk ve nem orannn her ikisini de kapsayan ortak
amal varyasyonlara bal olarak, Pr says ve s iletim katsaysn ieren denklemlerleilintilidir.
2.2.Is Tanm Katsaysnn Belirlenmesi
Is gei hesaplarnda h, s tanm katsaysnn belirlenmesi en zor problemlerden
birisidir. Bu katsay 5 farkl yntemle belirlenebilir, bunlar; deneysel olarak, entalpi
yntemiyle, ince cidar yaklamyla, kondksiyon zm yntemlerinden biriyle ya da
son yllarda en ok tercih edilen sv kristal yntemiyle belirlenebilir [14].
2.2.1.Entalpi Yntemi
Bu ynteminde;
( )gp TTCmQ =.
(2-1)
Bants akkana gelen toplam s hesaplanmaktadr. Bu bantda, Tg akkan giri
scakln, T akkan k scakln, m akkann ktlesel debisini, Cp akkann sabit
basntaki zgl ssdr. Ortalama h s tanm katsays aadaki formlle hesaplanr;
mTF
Qh
=
(2-2)
Bu formldeki Tm cidarla akkan arasndaki logaritmik scaklk farkn, F yzey
alann ifade etmektedir. Logaritmik scaklk fark da aadaki bantyla
hesaplanmaktadr.
ac
agcg
agcgm
TT
TT
TTT
=
ln
)((2-3)
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
24/143
9
2.2.2.nce Cidar Yaklam
Is tanm katsaylarnn hesabnda kullanlan yntemlerinden biri olan ince cidar
yaklamnda cidar kalnlnn sl direnci ihmal edilmekte, sisteme verilen toplam s
QT, elektriksel olarak llmekte, kalibrasyonla sistemden evreye olan s kayb
belirlenmektedir. Sisteme verilen s ile kalibrasyonla belirlenen kayp s arasndaki
fark akkana geen sdr ve aadaki gibi hesaplanmaktadr.
...KQTQAQ = (2-4)
Bu s miktar ayn zamanda Newtonun souma kanunu kullanlarak;
)( aorcoA TTFhQ = (2-5)
eklinde belirlenmekte, (2.4) ve (2.5) bantlarnn eitliinden ortalama s tanm
katsays tespit edilmektedir. Burada, Tco cidar scaklklarnn ortalamasn, Taor
akkann ortalama scakln gstermektedir. Bu yntemde, yerel s tanm katsaylar
belirlenmek istendiinde birim yzeyden geen s (QA/F) sabit kabul edilmektedir.
2.2.3.Kondksiyon zm Yntemi
Bu yntemde deneysel olarak tespit edilen snr artlar kullanlarak scaklk alan
saysal olarak bulunur. Daha sonra bulunan scaklk alanndan yararlanarak saysal trev
alma yntemiyle yerel s aklar hesaplanr. Girite llen akkan scakl yerel s
tanm katsaylarnn hesabna olanak salarken, kta llen akkan scakl
yaplan hatalar hakknda yaklak bir fikir verir [15].
2.2.4.Sv Kristal Yntemi
Is tanm katsaylarnn hesaplanmasnda son yllarda zellikleAvrupa ve Amerikada
s transferi almalarnda kullanlmak zere scaklk lmleri iin sv kristal teknii
gelitirilmitir. Sv kristal maddesi kimyasal bir karmdr ve incelenecek yzeye ince
bir film eklinde pskrtlr. Yzeyde kuruduktan sonra akm ynnde scaklk
lmlerine olanak salar. Sv kristal, yzeyin scaklna gre renk deitirmektedir,
bylece elde edilen renklere gre yerel scaklklar llebilir. Scaklk-renk tepkimesi
bir kamera ya da fotoraf makinesiyle grsel olarak kayt altna alnabilir.
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
25/143
10
Sv kristal kullanlaraks tanm katsaysnn belirlenme prosedrne bal olarak sv
kristal yntemi stc kaplama yntemi, niform kaplama yntemi ve zaman baml
farkl yntem olarakstlm cidar scaklnn zamanla deiimi, kanal ekleme tekniive rterek stma yntemi be farkl ekilde uygulanmas sz konusudur. Sv kristal
kullanlaraks gei karakteristiklerinin incelendii bu almada kanal ekleme teknii
kullanlm olup, yntemin s tanm katsays hesap prosedr Blm 3.2de
verilmitir.
Birok aratrmac; scaklk grntlemede sv kristal tekniinin uygulann, sv
kristal malzemenin yapsn, zelliklerini, gruplandrlmasn, kalibrasyonunu, nitel ve
nicel lm sonularn, eitlerini, kullanmnn avantajlarn ve kullanm snrlarn
anlatan raporlar hazrlamlardr [16, 17]. Sv kristal scaklk tespitinde ve akn
grntlenmesinde kullanlmtr. Baz almalarda sv kristalin zellikle elektrik
alannda kullanlmas incelenmitir. rnein; baz mikro devrelerde, oklu tabaka devre
kartlarnda, yar iletken cihazlarda ve dier elektronik bileenlerde zellikle souma
karakteristiklerinin tespitinde bir scaklk lme teknii olarak likit kristal bileenlerinin
kullanl aratrlmtr. [18, 19].
Yine baka bir almada, yzeyden s akn kontrol etmenin bir yolu olarak da likit
kristal yntemi kullanlmtr [20]. Bu almada elektriksel alandan dolay konvektif
hareket olumas durumunda ortaya kan fiziksel olay ele alnm ve incelenmitir. Bir
baka almada ise [21]; tanmla s transferine sv kristal tekniinin uygulanmas ve
etkisini incelenmitir. Sz konusu almada sv kristal kullanlarak, zorlanm
tanml bir ortama yerletirilmi olan stlm nesnelerden elde edilen s transferinin
ve akkan aknn nitel ve nicel grnt tespitleri yaplmtr.
Sv kristalin dier bir geni kullanm alan ise yzeye arpan jetler olmutur. Richards
& Richards [22], buharlamakta olan su damlacklarnn kuru hava jetine maruz kalmas
srasndaki anlk soumay inceledikleri almalarnda sv kristali kullanmlardr.
Goldstein ve Timmers, [23] tarafndan yaplan deneysel almada tek veya ok sral
jetlerin dz bir levha zerine normal ynde arpmas halinde yerel s transfer
katsaylarn bulmak iin yine aynekilde sv kristalle grnt teknii kullanlmtr.
Bilen ve arkadalar [24], yaptklar deneylerinde uzun bir borudan kan trblansl
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
26/143
11
dnel hava jetinde; sv kristalden faydalanarak yerel scaklklar eitli jet as ve Re
deerlerinde lmlerdir.
2.3.Sv Kristalin Yaps
Doada baz organik maddeler, kat, sv ve gaz faznn dnda drdnc bir faz zellii
gsterirler. Bu faz durumunda; bu tip maddeler kat ve sv zelliklerinin bir karmna
sahiptir. 1988 ylnda ilk olarak Avusturyal Botanist F.R. Reinitzer, cholesteryl
benzoate adl organik maddenin, atmosferik basnta ve 145C scaklkta aniden kat
fazdan bulank bir svya dntn ve scakln artmas ile bu bulank svnn 178C
scaklkta aniden berrak bir svya dntn gzlemlemitir. 1990da Gatterman p-
azoxyanisole ve p-azoxyphenetole adl maddelerin de ayn davran gsterdiini
aklamtr. Bir sre sonra Alman fiziki O. Lehmann, bulank grnml ara fazn,
cholestryl benzoate kristale benzer moleklsel yapya sahip alanlar ierdiini
gstermitir. Bu bulank svlarda dikkati eken baz zellikler vardr. Bunlar dier
svlar gibi akc olup bulunduklar kabn eklini almalarna karlk, kat kristaller gibi
polarize kta ift krlma zelliine sahiptir ve giriim renkleri verebilmektedir. Hem
kat hem de sv zellikleri ayn anda tadklarndan bunlara termokromik sv (likit)kristal ad verilmitir (Bundan sonra termokromik likit kristal yerine TLC ksaltmas yer
alacaktr).
TLC in ara fazna mezomorphic faz veya sadece mezophaze denir. Bu ara faz belli
organik bileikler iin karakterize edilir. Bu ara fazda molekller dizili olmalarna
ramen hareketlidir. Ara fazn farkl eidi vardr. Bunlar: scmectic, nematic ve
cholesteric. TLC, zerine gelen a karlk spektrumdaki renkleri srayla gsterir.
ou karmlar, scaklk artt zaman renksizlikten, krmz renge dnr ve yksek
bir scaklkta tekrar renksizlie dnmeden evvel spektrumundaki renkleri pe pee
gsterir. Renk deiiklii tersinirdir, yani souma srasnda stmada olduu gibi TLC
renklerini bu sefer de tersten balayarak gsterebilir. Scakla gre sadece tek bir renk
gsteren karmlar da yaplabilir. TLC in -30C ile 100C arasndaki scaklk araln
kapsad belirtilmitir [25].
Netice olarak TLC; saf kat ve saf sv fazlar arasndaki bir maddenin termodinamikfazdr ve belirli artlar altnda baz organik bileenlerden ortaya kar. TLC in grnr
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
27/143
12
yanstmaya balad scaklk (ksaca olay scakl denilebilir) altndaki tm
scaklklarda TLC kat halde olacaktr ve saydam olarak grnecektir. TLC olay
scaklnda iken beyaz kla aydnlanan ve sabit optik artlar altnda grntlenenTLC malzemesi grlebilir n (yani rengin) edeer olmayan dalga boylarn
yanstacaktr. TLC in erit genilii boyunca scaklk artt zaman TLC in yansyan
rengi de deiecektir. Son olarak, scaklk TLCin netlik-noktas scakln (TLCnin
grnr yanstmay durdurduu noktadaki scaklk) aarsa, malzeme saf sv haline
geer ve tekrar saydam hale geri dner. Bu zellik seici yansma zelliidir (TLC
scaklnn bir fonksiyonu olarak n zel bir dalga boyunun krlmas) ve ou
TLClerde hem
s
tmada hem de soutmada ok az hatayla ortaya
kar.
2.3.1.Sv Kristal Kullanlarak Yaplan Baz almalar
Sv kristaller, sv ve kat kristal molekl yaplarnn her ikisine de sahip zel organik
maddelerdir. Bu maddenin mhendislik alanndaki uygulamalar 1964 ylndan beri
yaplmaktadr [26].
Baughn ve Shimizu [27], niform s akmna sahip bir yzey ile arpan bir jet
arasndaki s gei karakteristikleri belirlemek iin bir alma yapmlardr. Bu
almada yzeydeki edeer scaklk dalmlarn ve buna bal olarak edeer s
tanm katsaylarn belirlemek iin sv kristal tekniini kullanmlardr. Deneysel
almada, test yzeyi vakum ortamnda ok ince elektrik yaltm ve altn tabakas ile
kaplanm ve elektrikle stlan bu altn kaplamann en st yzeyine de sv kristal
srlmtr. Yzeyin D apnda, Z mesafesinde ve 90 konumunda ki evre scaklnda
gnderilen hava jeti ile soutulmasnn ardndan, yzeyde oluan sv kristal renk
oluumlarn kullanarak Re = 23750 deeri iin farkl huzme mesafelerindeki radyal
yndeki Nu says deiimlerini belirlemilerdir.
Akino vd. [28], sv kristal uygulamalarnda insann renk alglama hissini devre d
brakmak ve buna bal hatalar gidermek iin renk oluumlarn kaydetmede kullanlan
kameraya optik bir filtre eklemilerdir. Siyah beyaz bir kamera ile balantl olan optik
filtre, lmde kullanlan rengi geirecekekilde ayarlanmam ve bylece s geiinin
incelendii yzeyde edeer scaklk dalmlar ok daha salkl bir ekilde elde
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
28/143
13
edilebilmitir. Filtre kullanmnn etkisinin incelendii almada, stlm bir yzeye
bitiik bir silidir etrafndaki s gei karakteristikleri belirlenmitir.
Baughn ve Saniei [29], dikdrtgen bir kanal ierisine akma apraz olarak yerletirilen
silindirik bir eleman yzeyindeki s gei karakteristiklerini belirlemek istedikleri
almalarnda, s gei karakteristiklerine niform s akmn ve scaklk artndaki
deerleri belirlerken sv kristal maddesini kullanmlardr.
Baughn ve Yan [30], apraz kare borulardaki yerel s transfer lmleri iin bir alma
yapmlardr. lmler, likit kristal ve geici metot kullanlarak ekleme tekniiyle
yaplmtr. Bu teknik kanaln nceden stlm blmnden sonuna kadar yerlemiakn evrelenmi scaklyla ana bir ekleme ierir. Eklenmi blmn yzeyindeki
geici scaklk, termografik likit kristal ve resimlerle video ile kaydedilerek llmtr.
Re says kare kanaln apna bal olarak 15.00018.000 aras deimitir. Kanal
boy/ap=0,0625 ve sklk/boy=10 olan kare paralar ihtiva eder. Kare paralar da dahil
olmak zere detayl s transfer dalm d hat ve 3 boyutlu olarak gsterilmesi elde
edilir. Nu says kare parann en stnde ykseks transferi olduunu ve kare parann
aa
ak
m
n
n yakla
k 4 kare paran
n yksekliindeki bir blgede olduunu gsterir.Kare paralar iin ortalama Nu says alan hzl termal gsteren pozisyonlarndan
bamsz olduu bulunmutur (x/d=2,5dan byk).
Przsz bir kanalla karlatrlnca, s transfer artnn kare para tarafnda yaklak
2,0 ve przsz tarafta ise yaklak 1,5 olduu ortadadr. Bu almann sonucunda iki
kart duvarda kare parack aralklar p/e=10(sklk/boy) olan parackl kare kanalda,
Nu says dalmnn parann en stnde daha yksek s transferi olduunu gsterir.
Is transferinin przsz borudan, kare parack tarafndan 1,892,06 kez yksek olduu
ve przsz tarafndan da 1,531,57 kez yksek olduu bulunmutur.
Baughn, Yan ve Roby[31], borularda gl s transfer lmleri iin likit kristalle
geici metot kullanarak ekleme tekniinden faydalanmlardr. Yaplan bu alma
teknik olarak borunun ateleme ve son ksmndaki ani gei noktalarna eklenen ve
evresel s dolamndan kurulu bir dzenekten oluur. Eklenen blmn d ssnn
llmesinde kullanlan termografik likit kristallerin renk deiiklikleri bir video kayt
sistemiyle kaydedilir. Bu teknik borunun akntya kar termal snr durumunun ve
hidrodinamiinin kontroln salayan geici deiim metodu olarak tanmlanabilir.
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
29/143
14
Borularn i ksmlarnda yerel s transfer katsaylarnn lm ile elde edilen veriler
s transferinin artrlmasnda nemli lde fayda salamaktadr. nk bu ilemlerin
yaplmasyla s transferini arttrmak ok daha mmkndr. Bu veriler akkanhareketinin daha iyi salanmas iin nemlidir, rnein (ayrma, birleme, balanma ve
dolam alanlar gibi konularda ) bir bakma akkan gzlemeyi salamaktadr. Scak
noktalarn ve termal stresin tanmlanmasna da yardmc olmaktadr. Scak noktalar ve
kirlenme, akkann seyrini etkiler ve borularda s transferinin nemli lde
azalmasna yol aar.
ayet deiik geometrilerdeki borularn geometrilerine gre etkileri, lokal s transfer
verileri ve datm verileri bilinirse, dk basn ve kirlenme karakteristiklerinin ters
etkisi olmadan s transferini salayan geometrik yaplarn tasarlanmas mmkn olur.
Lokal s transfer katsaylarnn lm ayn zamanda yksek s transferini artrmada
tahminlerin doru datalarla hesaplanmasn salar.
Yeterince zor olan lokal deerlerin lmleri ounlukla borularda ortalama s transfer
katsaylarnn birden ok deneyin yaplmasyla elde edilmektedir. Bulunan bu deerler
bu deer
s
transfer katsay
s
n
n ortalamas
n
n elde edilmesini salar ve ayr
ca
s
duvarnda enerji dengesinin salanmasnda kullanlr.
Likit kristalin geici olarak kullanld bu teknikle s transferi datm haritalarnn
karlmasnda mitleri glendiren bir yntemdir. Bu teknikte s transferinde borularn
i duvarlarnn termal snr ve akkana kar hidrodinamiinin kontrol edilmesi zordur.
Bu ise lokal s transfer katsaysnn s transferi ve akntya kar hidrodinamie bal
olmasndan dolay problem tekil eder. Duvars dalmlarnn deiim basamaklarnda
akkana kar hidrodinamik durumunun bu teknikle beraber belgelenmesiyle
mkemmel bir kontrol salanm olmaktadr. Lokal s transfer katsaylar termal giri
alan ve ssal yaylm alanlarnda llebilmektedir. Kare ve dairesel borular ile yivli ve
dz borulardaki s transfer katsaylarnn llmesi tekniinin kullanlmas almalar
rneklerle sunulmutur. Dz ve dairesel borular iin Nu katsays bantlarda nemli
bir bilgidir. Bu katsay lmlerin doruluunu kontrol etmede kullanlr. Zira dz ve
dairesel borularda lokal s transfer datm ile ilgili ok az bilgi bulunmaktadr.
Yaplan bu almada sonu olarak termal snr durumu ve akkana kar
hidrodinamiin kontrolnn mkemmel bir ekilde salanmasnda borularn i
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
30/143
15
yzeylerindeki lokal s datm katsaysnn haritasnn elde edilmesi gl bir teknik
olarak kantlanmtr. Pleksiglass duvar maddesi kullanlarak eitleri imal
edilebilmektedir. Bunlar deiik taban dzenekleri, yivli ekilde, spiral flt tp vedairesel borularn imalatnda da kullanlmaktadr. Farklekillerle gl ve iyi borularn
tasarm mmkndr. Geometrilerdeki deiimin etkisi s transferinde kirlilikteki art
ve dk basn ile tanmlanmaktadr. Bu metotla elde edilen sonular, dz borulardaki
s transferleri bants ile silindir dz borular ve dz kare borular iin elde edilen
lmlerle karlatrldnda tamamen uyumlu olduu grlmektedir.
Yivli borular iin elde edilen sonular yksek s transfer alanlar ve akkann
anlalmasna yardm eder. Bunlar yivli borulardaki termal geliimin dz
borulardakinden daha ksa mesafede elde edilmesine olanak salar.
Baughn [32], sv kristal kullanlarak s geiiyle ilgili yaplan almalar dikkate
alarak, s tanm katsaysnn belirlenme prosedrne gre bir snflandrma yapmtr.
Istc kaplama yntemi, zamana bal farkl yntem olarak stlm cidar
scaklnn zamanla deiimi, kanal ekleme teknii, rterek stma yntemi ve son
olarakta niform kaplama yntemidir. Bu al
mada, yntemlerin her biri ayr
ayr
ksaca tantlarak yntemin kullanld almalardan rnekler verilmi, yntemlerin
kyaslamas yaplarak birbirlerine gre avantajlar ve dezavantajlar sunulmutur.
Campbell ve Molezzi [33], trbin soutma blmnde ki s transfer lmlerinde sv
kristal termografisi kullanarak bir alma yapmlardr. Geen birka yl, TLC
termografisinin, nicel scaklk lm teknikleri kadar yaral olarak ilerlediini gsterir.
Birok slah literatrde tartlmtr fakat birka gaz trbini s transfer probleminde
dorudan uygulanmaktadr. Bu almann amac ise kolay kullanml, dk maliyetli
gelimi tekniklerin en iyisini ilerlemiini birletirerek ilerleyen gaz trbin geliimleri
iin hzl ve tam s transfer katsaylarn doru olarak salamaktr.
Lee vd. [34], erisel bir yzeye tam gelimi silindirik kesitli jet ak arpmas
durumundaki trblansl ak ve s geii lmlerini gerekletirdikleri almada,
akkan ile yzey arasndaki yerel s tanm katsaylarn sv kristal kullanlarak, stc
kaplama yntemi ile belirlemilerdir.
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
31/143
16
Hacker ve Eaton [35], farkl snr koullarnda bir engel arkasnda, akn yzeyden
ayrlmas ve tekrar yzeyle birleimi srecindeki s gei karakteristiklerini
belirledikleri almada yzey scaklnn deiimini belirlerken sv kristal maddekullanmlardr.
Ireland vd. [36], sv kristal kullanmndaki gelimeleri irdemek zere trblansl s
geii ile ilgili lmler yapmtr. A formunda stc kullanlarak yaplan
almalardan rnekler sunularak bu tip stc kullanlmasnn lmlere katksn ve
video kamera ile kaydedilen grntlerin bir sonlu elemanlar programyla saysal
verilere dntrlerek hesaplamalardaki hata oranna katksn belirlemilerdir.
Song vd. [37], eik bir yzeyle arpan jet arasndaki trblansl ak ve s geii
karakteristiklerini incelemilerdir. almada sv kristal yntemini yerel Nu saylarn
belirlemek iin kullanmlardr.
Yan ve Owen [38], sv kristalle geici s transfer lmlerindeki belirsizlikler zerine
bir alma yapmlardr. Termografik likit kristal (TLC)in zellii, belirlenmi bir alan
zerinde renginin deimesidir. Ksa band TLCde deiim scaklk alan 1C civarnda
ve bu scakl lmede tipik belirsizlik yaklak 0,1Cdir. Geni band TLCde alan
10C ve st ve belirsizlik dar alanla kyaslandnda daha byktr.
Is transfer h, aadaki formlle hesaplanr;
aww
w
TT
qh
=
(2-6)
Burada qw yzeyden ak
kana
s
transferi, Tw duvar ya da yzey s
cakl
Taw iseadyabatik duvar scakldr. Baz durumlar iin Taw bilinir ya da varsaylr. Mesela dz
yzeyde ak iin Taw, doal akmn toplam scaklna eit saylr. Taw bilinmedii
zaman deneysel olarak bulunur.
TLC kullanlan s transfer deneyleri sabit ya da deiken durumda kullanlr. Burada
deiken durum kullanlmtr. Mesela, ksa band TLC ile kaplanm, zayf termal
iletken madde olan akrilik plastikten yaplm olan bir test paras, scakla kar
ayarlanmtr. Rzgr tnelinde tipik bir deneyde, test paras hava scaklnn basamak
deiimine yerletirilmitir. TLC deiken scakla ular ulamaz, renk deitirecektir.
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
32/143
17
Geie ne kadar ksa srede ularsa o kadar yksek s transfer katsays oluur.
Yzeyin video kayd, deien scakla bal olarak d hatlarda renklenme gsterir,
hn ykseinden alana doru hareket eder. Balang scakln bilerek, deienscaklk ve zaman geie ulamay gerektirir.
Bu almann sonucu olarak yan balangl yzeyler iin Fourier denkleminin
basamak deiimi sonularnn kullanm, Ph, hdaki belirsizlikler ve Taw ve llen
scaklklardaki rasgele belirsizlikler iin analitik deyimler retilir. Bu deyimler Monte
Carlo metodu kullanlarak elde edilen deerlerle hesaplanarak iyi bir ortak yol bulunur.
2.3.2.Sv Kristallerin Snflandrlmas
TLCler ticari olarak piyasada iki eitte bulunmaktadr. Birincisi; kendinden
yapkanl, saysal gstergeli eritler, ikincisi ise zel kaplarda saklanan sv kristal
malzemedir. zellikle erit eklindeki bir TLCnin renk-scaklk tepkimesi TLC retimi
esnasnda retici tarafndan verilen TLC formlasyonu ile kullanan erkes tarafndan
kolayca anlalacak ekilde aklanabilir. Bir rnek verilecek olursa ; R30C5W sk
kullanlan bir TLC formlasyonudur. R30C nin anlam krmz renk (R=red) olay
scaklnda yani 30Cde balyor demektir. 5W mavinin balama scaklnn,
krmzdan 5C yukarda olduunu gsterir bu da kullancya erit araln formllerden
kolayca belirlemeyi salar. Dar-eritli TLC formlleri 1 ya da 2Cnin altnda erit
geniliine sahip iken, geni-erit formlleri 5C ile 25C arasnda erit geniliine
sahiptir [16].
TLC den yararlanlrken iyi sonu alabilmek iin dikkat edilmesi gereken 2 nemli
konu vardr; birincisi; eer TLC, evre havas etkisinden korunmam ise kirlenmesisonucunda yaps deiebilir. kincisi TLC ara fazda, yani mezophazede ise sv
haldedir ve sv olan bu maddeye toz zerrecikleri kolayca yapabilir, bu da TLCin baz
zelliklerini etkileyebilir. Bu iki nedenle TLCin her iki etkiye kar ok iyi korunmas
gerekir. Bu etkilerle mcadele etmek iin ise iki retim teknii gelitirilmitir. Bunlar
mikro kapsller ve polimer dalmdr.
Mikrokapsller (ME): 1970li yllarn balarnda National Cash Register irketi
aratrmaclar mikro kapsll TLC tekniinin gelimesine nclk etmilerdir. Mikro
kapsl, ham TLC malzemesini 510 mikron aplarnda kapsller ierisinde sararak
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
33/143
18
koruma yntemi olup su esasl tutkal malzemenin iinde asl duran mikro kapsll
TLC formulasyonlar neredeyse tm uygulamalarda kullanlabilir. Mikro kapsl
yntemi kimyasal kirlenmeye karlk olduka iyi bir diren salar. Bununla birlikte iyibir radyasyondan korunma yntemidir. TLC den gelen yansyan n ar inceltilmesi
ve tutkal ile mikro kapsllerin birbirinden ayrlmas gibi problemler oluabilecei iin
ME-TLCleri hazrlarken ve uygularken dikkatli davranmak gerekmektedir.
Polimer Dalm (PD): Bu retim ekli TLC malzemesinin srekli dkm veya
tabakalama retimini kolaylatrmak iin aratrmaclarn gelitirdikleri bir yntemdir.
Yntem; kimyasal olarak saf manomer esasl TLC malzemesini kat polimer esasl
matrikse datr. Bu yntemin bir dier faydas da TLC den yansyan n gerekte
effaf olan polimer malzemesinden dolay daha az incelmesidir. Ancak PD-TLClerin
kullanm 2 nedenden dolay snrldr:
Pskrtmeli ortamlarda kullanl uygun deildir, yalnzca dzlem yzeylerde
kullanlabilirler. mal edilen levhann kesilmi bir ksm kullanld zaman kimyasal
kirlenme PD-TLC yzeyini bozacandan dolay oluan ke etkileri PD-TLClerin
kullan
m alan
n
s
n
rlar.
2.3.3.Scaklk Grntleme Teknikleri
TLC ler ile scaklk llmesi iin iki yntem vardr. lk yntemde; TLC cisim zerine
srlr ve cisim zerindeki scaklk dalm grnr hale gelir. D etkilerden
etkilenmemesi iin srlen TLCin zeri polivinil alkol ile kaplanr. Bu ynteme dayal
ve firmalar tarafndan gelitirilmi kendinden yapkanl saysal gstergeli TLC eritler
deiik yerlerde kolayca kullanlabilirler.
TLCli ikinci yntemde; cisimlerden yaylan kzl tesi nlar, TLC ile temasta olan ve
kzl tesi nlar absorbe eden bir levha zerine drlr. TLC ksmnn gzlenmesi
ile cismin scaklk profili rahata izlenebilir. Scaklk kontroll bir hacmin iki
tarafndaki pencereden biri kzl tesi nlar geirebilen malzemeden yaplmtr. Dier
pencere ise grnen aralkta k dalga boylarn geiren bir camdan yaplmtr. Bu iki
pencere arasna ve bunlara paralel olarak TLCli eleman yerletirilmitir. Bu eleman,
5 mm kalnlkta polyester bir levhadr. Bu levhann nm den tarafna kzl tesi n
yutan 1 ila 3mm kalnlkta altn veya nikel malzeme, dier tarafna ise 10 mm
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
34/143
19
kalnlnda TLC malzeme kaplanmtr. Altn veya nikel kaplama ok ince olduundan
arkasndan bakldnda saydam olarak grlebilmektedir. Cisimden gelen kzl tesi
nlar, bu yutucu yzey zerine dtnde oluan scaklk farklar gzlemci tarafndanTLCden izlenebilir [39].
2.3.4.Sv Kristalin Kalibrasyonu ve Renk-Scaklklikisi
Uygulamada; TLCin pskrtlecei yzeye iyice yapmas iin, ierisine retimi
srasnda uygun reine veya yaptrc katlm ise, kalibrasyon ilemi daha da basite
yaplabilir. TLC, iindeki yapkan dolaysyla suda znmeye kar dayankldr. En
azndan kalibrasyon ilemi boyunca suda znme olmaz. Yerel s transfer katsaylarn
hesaplayabilmek iin nce TLCin kalibre edilmesi gerekir. Kalibrasyon ilemi scak su
banyosunda yaplmaktadr. Test rnei iin su banyosuna girecek boyutlarda bir plaka
seilir. Ksa srede kararl konuma geilmesi istenilirse, s iletkenlii iyi olan bakr
plaka seilmesi uygun olacaktr. Kalibrasyon ileminde, TLC in renklerinin iyi
izlenebilmesi iin bakr test rnei zeri siyah mrekkep ile kaplanmtr. Siyah zemin
zerine TLC pskrtlm, numune kuruduktan sonra kalibrasyon ilemine geilmitir.
Scak su banyosuna daldrlan test numunesi, suyun snmasna gre kendi renklerinisrayla gstermeye balam ve su scakl, banyonun ve kalibrasyon cihaznn dijital
gstergesinden tespit edilmitir. Renkler bitince TLC zeminin rengi siyah gsterir.
Daha sonra bu ilem scaklk banyosu, soutma ilemine tabi tutularak tekrar yaplr.
Sv kristal ile scaklk lmenin eitli avantajlar ve dezavantajlar vardr. Bunlar
yle sralamak mmkn olabilir:
yi bir hassasiyet,
Hzl lme zaman (0,2 saniyeden daha iyi),
yi tekrarlanabilme,
Tersinir renk gsterebilme,
Kullanmda geni scaklk aral,
Deiebilir renk gsterimi,
Uygulamas kolay,
Esnek ve dzensiz sathlar iin ok iyi uygulanabilir,
Nispeten ucuz,
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
35/143
20
Renk gsterimi grsel olarak kayt edilebilir,
Saklama mr snrl,
Doruluu (hassasl) kullanan kiiye bamldr.
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
36/143
3.BLM
DENEYSEL VE SAYISAL ALIMA
3.1.Giri
Bir kanal boyunca kuru ve nemli havada s gei karakteristiklerinin ve nemin s
transferine etkilerinin incelendii bu alma iki aamada gerekletirilmitir.
lk aamada, hazrlanan deney dzeneinde farkl hz, kuru termometre scakl ve nem
oranlarnda ak alannda sv kristal yntemle s transfer katsaylar belirlenmitir.
kinci aamada ise CFD(saysal akkanlar dinamii paket program) kullanlarak ayn
parametrelerde alma saysal olarak yaplmtr.
3.2.Deneysel almalar
Deneysel almalar Erciyes niversitesi Makine Mhendislii Blm Termodinamik
laboratuarnda kurulan deney dzeneinde gerekletirilmitir. Bu almada P.A.
Hilton Ltd. marka deney cihaz kullanlmtr. ekil 3.1de A574 numaral deney
cihaznn fotoraf ve ekil 3.2de ematik resmi verilmitir.
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
37/143
22
ekil 3.1. klimlendirme Cihaz
TermometreKuru Ya
TermometreKuru Ya
TermometreKuru Ya
TermometreKuru Ya
500 W
500 W
Hava Istc
1 kW
1 kW
Hava Istc
2kW 2kW 1kW
Kurutma
Az
Eik manometre
Termometre
TermometreTermometre
Termostatik
genleme vanas
Buhar
balants
Hz
kontrol
Suborusu
Hava akm
Buharlatrc
Basn lei
Younlama lm Debi lei
Basn lei
Kompresr
kondenseri nitesi
ekil 3.2. klimlendirme Cihazematikekli
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
38/143
23
3.2.1.klimlendirme Cihaz
3.2.1.1.Cihaz Kullanmnn Amac
klimlendirme cihaz ile atmosfer basncndaki sistemdeki havaya buhar temin edilerek
karmn kzdrc, soutucu ve normal ortamlardan geirilmesi salanabilmeli, kuru ve
ya termometre scaklklarnn llmesi yaplabilmeli ve bunlara bal fiziksel deerler
hesaplanabilmektedir.
3.2.1.2.Tesisat;
ekil 3.2de grld gibi Hilton havalandrma nitesi( filtre ve havalandrma haznesi
hari) bir havalandrma tesisatnda gerekli olan prosesler iinde oluan enerji
transferinin gsterilmesi ve deerlendirilmesi iin dizayn edilmitir.
nite, ierisinde soutma nitesi ve buhar jeneratr de olan tekerlekli bir muhafaza
iine oturtulmutur. Kanal ierisine giren ilenmemi hava srasyla u aadaki
srelerden geer;
Hz kontroll santrifj fan
Vantilatr rotorunda buhar ilave edilebilir.
n stc.
Youan suyun ( tortulu su ) k olan soutucu/kurutucu
Istc
Havann lld kanal az
ve sonuta aadaki bilgiler elde edilir.
eitli proseslerden nce ve sonra havann durumu (ya ve kuru
termometre scaklklarnn llmesi yoluyla )
Her iki stcda, buhar kazannda, vantilatrde ve soutma nitesindeki
enerji dengeleri
Havann ktlesel debisi
Soutucu akkann basn ve scakl
Soutucu akkann ktlesel debisi
Soutucu nitesinde nemin youma (tortulama) hz
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
39/143
24
Bu bilgiler, hava ve soutucu akkan tabla ve izimleri ile birletirilerek, bir operatrn
havalandrma tesisatnda meydana gelebilecek olaylar tatbik etmesine ve
deerlendirmesine yardmc olacaktr. Bu nite ayrca, sabit akm proseslerindeki enerjitransferlerinin tatbikat ile gsterilmesini amalamaktadr.
3.2.1.3.nitenin zellikleri;
Hava hz : 0.13 m3/sn
n stc : Geniletilmi kanatl elektrik stc 2x1.0 kW (nominal) 220
Vda.
Soutucu : Dorudan genileme, geniletilmi kanatl helezon. Soutma
hz yaklak 2.0 kW
Son stc : Geniletilmi yzeyli elektrikli stc 220 Vta 2x0.5 kW.
Fan : Deiken hzl santrifj 220 V 50 Hzde, 120 w. Fan g girii
normal iletme artlarnda yaklak 72 Wtr.
Buhar kazan (Boyler): Atmosferik basnta alan elektrikli stcl (1x1,0 kW ve
2x2,0 kW). Su seviye kontrol amandral su miktar mw=0.54
kgdr.Soutucu : Hava soutan konderseli hermetik nitedir. Soutucu akkan
R1342 kompresr hz:220 V, 50 Hz de 2700/ 3000 devir/dakya
kadar . Silindir hacmi 25.95 cm3/devir.
Hava akm lm : Eik tp manometreli orifis plakas
Scaklk lm : 300 mm uzunluunda ya ve kuru cam termometreler.
Aa
daki gzlemler ve numune hesaplamalardan da anla
laca
, havaland
rmalaboratuar nitesi, pratik bir havalandrma tesisatnda bulunabilecek hemen hemen
btn proseslerdeki ktle dengelerinin ve enerjilerinin deerlendirilmesi ve slah
tatbikatlarnn yaplmas iin kullanlabilir (yani stma, soutma, nemlendirme ve
kurutma).
3.2.1.4.Teori:
Tanmlama ve terimler;
Kuru termometre scakl(Td): Adi termometrenin gsterdii scaklktr.
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
40/143
25
Ya termometre scakl (Tw): Adi termometre haznesinin herhangi bir ekilde slak
tutup zerinden 5-10 m/sn lik hava alanna maruz brakldnda llen scaklktr.
Doyma snr veya doymu hava: Havaya muayyen bir maksimum deeri amamak
artyla nem verilebilir. Bu maksimum deere doyma snrdenir. Doyma snrndaki
havaya da doymu hava denir. Bu durumda, Td=Tw olur.
Youma (i ) noktas scakl (T): Ayn barometrik artlar altnda ayn miktar su
buhar ihtiva eden doymu havann scakldr. Bu durumda, Td=Tw=T ve x=sabit olur.
Buhar basnc(Pb): Su buharnn rutubetli hava ierisindeki ksmi basncdr.
Doymu havadaki su buhar basnc (Px): Sabit scaklktaki su buharnn doymuhavadaki ksmi basncdr. Bu basn ayn zamanda o scaklktaki suyun buharlama
basncdr. Bu durumda, T = Ts olup, Ts scaklna tekabl eden su buharnn ksmi
basnc Ps olur.
zgl nem,(x): Birim arlndaki kuru hava iindeki su buhar arldr. Yani
x=Gb/Gh dir.
Mutlak nem: Havann birim hacim ierisindeki su buhar arldr. Pratikte
kullanlmamaktadr. Yani mutlak nem=Gb/V dir.
zafi(bal) nem(): Havadaki su buharnn ksmi basncnn ayn scaklktaki doymu
havadaki su buharnn ksmi basncna orandr. Yani, =Pb/Ps dir.
Nemli havann entalpisi(h): Birim arlktaki kuru havann nemli olarak ihtiva ettii s
miktardr.
Younluk():Nemli havann birim hacminin arldr. Yani =G/V dir.
zgl hacim(): Nemli havann birim arlnn hacmidir. Yani, =V/G dir.
3.2.2.Test Blgesi
ekil 3.3de grld gibi kanal boyunca kuru ve nemli hava akmnn modelinin
oluturulduu test blgesi, d=150 mm ve malzemenin et kalnl 3 mm olan effaf
pleksiglass bir borudan olumaktadr. Hzn niform olmas iin iklimlendirme cihaznn
ucuna 3 kademeli difzr konulmu kademeler arasna hz dzenleyici elekler
yerletirilmitir.
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
41/143
26
ekil 3.3. Test Blgesi
Test blgesinde sv kristal srl yzey boyunca boru d yzeyini kaplayacak yarm
ay eklinde yaltm malzemesi yerletirilmitir (yaltm malzemesi alnacak grnty
engellemeyecekekildedir.).
3.2.3.Hz ve Basn Bileenlerinin llmesi
Bu tez almasnda hz lm Schiltkneet firmasna ait 200 Pa aralnda alan
cihaz tarafndan yaplmtr.( Bu cihazn kalibrasyon uygunluu TSE ile grlerek
salanmtr.) Hz lm 20 m/snye kadar yaplabilmektedir.
3.2.4.Is Tanmnda Boyutsuz Saylar
Akkanlar mekaniinden bilinen Reynolds says Re, konveksiyonla s transferinde de
en nemli boyutsuz saylardan biridir. Bu say borularda aka dik yndeki uzunluk boru
ap d olduundan;
ud
=Re (3-1)
olarak tarif edilir. U borudaki ortalama hz gstermektedir.
Konveksiyonda kullanlan boyutsuz saylardan bir dieri olan Nu says borular iin;
k
hdNu =
(3-2)
eitliindeki gibi tan
mlan
r. Burada d boru ap
, kortam
n
s
iletim katsay
s
ve h da
s
tanm katsaylardr. Ortalama Nu says ise;
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
42/143
27
= dxNuLNu X.
1
(3-3)
Eitlii kullanlarak saysal integrasyon hesaplanr.
3.2.5.Srtnme Faktrnn Belirlenmesi
Is deitiricilerin s geiinin iyiletirilmesine ynelik yaplan almalarda, s geii
ile basn kayplar arasnda fiziksel ve ekonomik bir iliki sz konusudur. Bu sebeple,
dizayn edilen s deitiricisinde akm ve geometrik parametrelere bal olarak s
geiinin artrlmas durumunda basn kayplarnn etkileimlerinin de belirlenmesi
gerekmektedir. Basn kayplar srtnme faktr ile karakterize edilir.
D
Lu
Pfx
.2
1 2
=
(3-4)
Srtnme faktr (3-4) sayl eitlikteki gibi ifade edilir. Burada p=po-px test blgesi
k, U test blgesi giriindeki ortalama hz ve akkann younluudur.
Srtnme faktrnn belirlenmesinde kullanlan pnin ve test blgesinin debi ayarnda
I-II noktalar arasndaki statik basn farklarnn lmnde, Schiltkneet firmasna ait
200 Pa aralnda alan basnler kullanlmtr.
3.2.6.Belirsizlik Analizi
Deneysel alma olduka nemli olmakla beraber birok parametreden dolay hatalar
meydana gelmektedir. Bu hatalar, arat
rmac
taraf
ndan, deney setinden ve laralarndan kaynaklanabilir. Bu hatalarn belirlenmesi ve deneysel verilerin
kullanld hesaplamalara ne kadar etki ettiinin grlmesi, sonularn
deerlendirilmesi ve yaplan almann geerlilii asndan olduka nemlidir.
Deneysel almalarda ortaya kan hatalar, aratrmac tarafndan yaplan hatalarn yan
sra temel olarak 2 grupta deerlendirilir. Bu hatalarn birincisinde, rasgele oluan
dzensiz hatalardr ve her bir lm iin farkl deerlerde olmalar nedeniyle ortadan
kaldrlamazlar. kinci tip hata ise, tekrarlanan lmlerde ayn miktarda hataya sebep
olan hatalar, yani sabit ya da sistematik olarak adlandrlan hatalardr. Bunlar her
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
43/143
28
lmde ayndr ve uygun bir kalibrasyon veya dzeltme ilemi ile ortadan
kaldrlabilmektedir. Temel olan bu iki tip hatadan yola karak belirsizlik analizi
deneysel sonulardaki muhtemel rasgele hatalarn belirlenmesiyle yaplmaktadr.
Bu almada, hem llen ve hem de hesaplanan parametrelere ait belirsizlik
deerlerini elde etmek iin Kline ve Mclinctock [40] tarafndan sunulan hesaplama
yntemi kullanlmtr. Bu ynteme gre, elde edilen ve R olarak tanmlanan herhangi
bir sonu deeri, kendisinin belirlenebilmesi iin gerekli her bir deikenin fonksiyonu
cinsinden,
R=R(x1, x2, x3,....... xn) (3-5)
olarak ifade edilmekte ve bu sonu deerine ait toplam belirsizlik,
21
2
n
2
3
3
2
2
2
2
1
1
Rx
R
x
R
x
R
x
R
++
+
+
= nwwwww
(3-6)
eklinde belirlenmektedir. Bu bantda yer alan wiler her bir bamsz deikene ait
belirsizlii ifade etmektedir. R sonucuna ait toplam belirsizlik wR/Reklinde yzdelikolarak ifade edilir. Bu durumda (3-2) eitlii,
21
22
3
3
2
2
2
2
1
1
1111
++
+
+
= n
n
R wx
R
Rw
x
R
Rw
x
R
Rw
x
R
RR
w
(3-7)
halini alr ve benzer bir ifade aadaki ekilde verilmitir.
2
1
2
n
n
n
n2
2
2
2
22
1
1
1
1
x
x
x
R
R
x
x
x
x
R
R
x
x
x
x
R
R
x
R
R
++
+
=
(3-8)
Buradaki her bir alt deikene ait belirsizliki
ii x
x=u olarak yazldnda, sonuca ait
toplam belirsizlik,
21
2
n
n
2
2
2
2
2
1
1
1R
x
R
R
x
x
R
R
x
x
R
R
x
++
+
= nuuuu
(3-9)
olarak elde edilmektedir.
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
44/143
29
Bu alma kapsamnda deneysel olarak hz ve basn lmleri gerekletirilmi olup,
bu lm deerleri kullanlarak hesaplanan Re says, Cp basn katsays ve Nusselt
says gibi eitli boyutsuz saylar ve bunlarn bal olduu bamsz deikenler iinbelirsizlik deerleri elde edilmitir.
3.2.6.1.Boyutsuz Saylarn Belirsizlik Deerleri
Nusselt ve Reynolds Saylar iin Belirsizlik
k
dhNu
=
(3-10)eitliinden, Nusselt says iin belirsizlik ifadesi;
2
1222
k
Nu
d
Nu
h
Nu
+
+
= kdhNu wwww
(3-11)
elde edilir. Toplan belirsizlii yzde cinsinden ifade etmek iin, belirsizlik ifadesi Nu
denklemine blnr ve
2
1
222
kdh
+
+
= kdhNu
www
Nu
w
(3-12)
ifadesi bulunur. Burada wh, wd ve wk Nusselt saysndaki bamsz deikenler olan h,
d,ve k deerinin belirsizliklerini ifade etmektedir. wNu deeri Nusselt says iin toplam
belirsizlii gstermektedir.
ud=Re eklinde tanmlanan Re says iin belirsizlik deeri, u, d ve bamsz
deikenler cinsinden belirsizlik ifadesi,
21
22
d
2
uRe
Re
d
Re
U
Re
+
+
=
wwww
(3-13)
belirlenmektedir. Yzde cinsinden,
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
45/143
30
21
22
d
2
uRe
dURe
+
+
=
wwww
(3-14)
olarak ifade edilir.
Nusselt ve Reynolds saylarndaki belirsizlikler deneysel ve saysal olarak
etkilenmektedirler. Bu hatalarn btnn incelemek gerekir.
3.2.6.2.Deneysel lmler ile Ortaya kan Belirsizlikler
S
cakl
k lmlerinde oluabilecek belirsizlikler; her bir s
cakl
ktaki belirsizlik, lmaletleri, kalibrasyon ilemi ve lm esnasndaki deneysel artlar hakkndaki detayl
bilgilere dayanmaktadr.
h1) Kanala giriteki termo elemanda llen scaklk referans scaklndan
kaynaklanan hata (1 C h1 % 1,6 ).
h2) Dijital multi metrede oluan hata (0,5C h2 % 0,8 ).
h3) Giri scaklnn llmesinde yaplan hata (0,5C h3 % 0,8 ).
h4) Deney esnasnda evre scaklndaki deiimin akkan scaklnda meydana
getirdii hata (0,4C h4 % 0,7 ).
h5) Test blgesinin klima cihaz nne yerletirildii andaki akkan debisindeki
deiimin scakla etkisinden kaynaklanan hata (0,5C h5 % 0,8 ).
h6) Sv kristal kalibrasyonundan kaynaklanan hata (0,5C h6 % 1,1 ).
h7) Renk bandnn konum-zaman deerlerinin llmesinden kaynaklanan hata
(0,5C h7 % 1,1 ).
h8) Ik kaynann yerletirildii adan oluabilecek belirsizlik (0,5C h8 % 1,1
h9) Akkan scaklndaki (%2,25) hata nedeni ile akkann sl iletkenliinde
meydana gelen belirsizlik (h9%0,3).
h10) Akkan scaklndaki (%2,25) hata nedeni ile akkann viskozitesinde oluan
belirsizlik (h10%0,3).
h11) Hzlarn llmesinde ve ortalama hz hesaplanmasndaki belirsizlikh10 %5,5.
-
8/3/2019 Dairesel Bir Kanalda Isi Transfer in In Deneysel Ve Sayisal Incelenmesi Experimental and Numerical Investigation of
46/143
31
h12) Deney esnasnda evre scaklndaki deiimin akkan scaklnda meydana
getirdii belirsizlik, (0,4C h4 % 0,7 ).
h13) Akkan scaklndaki (%2,25) hata nedeni ile hzda oluan belirsizlik (h13
%0,5).
h14) Akkan giri scaklnn llmesinde ortaya kabilecek toplam belirsizlik
( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ] 25.2%21
25
24
23
22
21 ++++= hhhhhwTg
h15) Yzey scaklnn llmesinde meydana gelebilecek toplam belirsizlik;
( ) ( ) ( )[ ] 91.1%21282726 ++= hhhwTy
h16) Akkan scaklndaki (%2,25) hata nedeni ile s tanm katsaysnda oluan
belirsizlik (h16%1,3).
h17) Yzey scaklnda oluan (%1,91) hatann s tanm katsaysna (h17
%1,2).
h18) Bir deneyin ardndan soutulan deney elemanlarnn ierisindeki scakln
(1C ) s tanm katsaysndaki belirsizlik (h18%2,1).
h19) Bilgisayar programndaki kullanlan a yapsnn s tanm katsaysndaki
belirsizlik (h19%3).
h20) D borunun iyi yaltlmamas sebebi ile meydana gelen belirsizlik (h20%2).
h21) Is tanm katsaysndaki topla