1.personel.klu.edu.tr/dosyalar/kullanicilar/pasa.yaman/...Yunus Çengel Isı Transferi kitabının tablolarından “tablo A-9 doymuş suyun özellikleri” Suyun 35°C’deki termofiziksel

KIRKLARELİ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ

MAK16401 LABORATUVAR-I Hazırlayan: Arş.Gör. Paşa YAMAN Hazırlama Tarihi: 17.09.2019

1

GÖVDE-BORULU ISI DEĞİŞTİRİCİ DENEYİ LABORATUVAR FÖYÜ

LAB REPORT OF SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER EXPERIMENT

1. Isı Değiştiriciler

Isı değiştiriciler, birbirine karışmaları engellenen sıcaklıkları farklı iki akışkan arasında ısı

değişimini sağlayan aygıtlardır. Isı değiştiriciler, evlerdeki ısıtma ve havalandırma

sistemlerinden büyük fabrikalardaki kimyasal işlem ve güç üretimine kadar çok çeşitli

uygulama alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Isı değiştiricilerin karışma odalarından

farkı, iki akışkanın karışmasına izin vermemeleridir.

Bir ısı değiştiricide ısı transferi genellikle, her bir akışkanın tarafında taşınım ve iki akışkanı

ayıran duvarda iletim içerir. Bir ısı değiştirici çözümlenirken, ısı transferi üzerinde bütün bu

etkilerin katkısını hesaba katan toplam ısı transfer katsayısı U ile çalışılması uygundur. Bir ısı

değiştiricinin bir konumunda iki akışkan arasındaki ısı transfer hızı, o yerdeki sıcaklık farkının

büyüklüğüne bağlıdır. Isı değiştiriciler çok çeşitli tiplerde üretilmektedir; dolayısıyla ısı

değiştiricilerin sınıflandırılması ile başlanmalıdır. Daha sonra ısı değiştiricilerde toplam ısı

transfer katsayısının bulunması ve bazı düzenlemeler için “logaritmik ortalama sıcaklık farkı

(LOSF/LMTD)” tartışılmaktadır. Daha sonra karmaşık ısı değiştirici düzenlerinde ortalama

sıcaklık farkının LOSF’e göre sapmasını hesaba katmak üzere F düzeltme faktörü

tanıtılmaktadır. Sonra, akışkanların çıkış sıcaklıkları bilinmediği zaman ısı değiştirici

çözümlemesini sağlayan etkinlik-NTU yöntemi tartışılmaktadır.

Isı değiştiriciler kompakt olup olmadıklarına göre sınıflandırılırlar. Kompakt ısı değiştiriciler,

birim hacim başına yüksek bir ısı transfer yüzey alanı elde etmek için özel olarak tasarlanan bir

ısı değiştirici tipidir. Bir ısı değiştiricinin ısı transfer yüzey alanının hacmine oranına “alan

yoğunluğu (β)” denir. Alan yoğunluğu β>700 m2/m3 olan bir ısı değiştirici kompakt

sınıfındadır.

1.1. Gövde-Borulu Isı Değiştiriciler

Endüstriyel uygulamalarda belki de en sık rastlanan ısı değiştici tipi, Şekil-1’de görülen gövde-

borulu ısı değiştiricidir. Gövde-borulu ısı değiştiriciler, gövde eksenine paralel olarak

yerleştrilmiş çok sayıda (bazen yüzlerce) boru içerirler. Bir akışkan boruların içinden, diğeri

boruların dışında gövde boyunca akarken ısı transferi meydana gelir. Isı transferini iyileştirmek

ve borular arasında üniform aralığı korumak amacıyla, çoğunlukla “göve tarafındaki akışkanı

gövdeye çapraz akmaya zorlayacak şekilde” gövde içine ara perdeler yerleştirilir. Geniş

kullanımlarına rağmen, büyük boyutlu ve ağırlı olmaları sebebiyle gövde-borulu ısı

değiştiriciler, otomotiv ve uzay araçları için uygun değildir. Görülebileceği gibi boru

tarafındaki akışkan, borulara girmeden önce ve boruları terkettikten sonra, gövdenin her iki



2

tarafında, gövde-borulu ısı değiştiricide boruların açıldığı kapak denilen biraz geniş akış

alanlarında toplanır.

Gövde-borulu ısı değiştiriciler ayrıca gövde sayısı ve içiçnden geçen boru çeşidine göre de

sınıflandırılırlar. Mesela içlerinde bütün boruların U-dönüşü yaptığı ısı değiştiriciler, bir gövde

ve iki boru ggeçişli ısı değiştiriciler olarak adlandırılır. Benzer şekilde gövdede iki, borularda

ise dört geçiş içeren bir ısı değiştirici, iki gövde ve dört boru geçişli ısı deiştirici olarak

adlandırılır.

Şekil 1. Gövde borulu ısı değiştirici şematik gösterimi (bir gövde geçişli ve bir boru geçişli).

Şekil 2. Sanayi tipi gövde-borulu ısı değiştiricisi.

2.1.Deneyin Amacı

Bu deneysel çalışmada, akışkanlar mekaniği, termodinamik ve ısı transferi derslerinde edinilen

temel bilgiler kullanılarak, bir ısı değiştiricisinin ısı transferi analizi yapılacaktır. Isı

değiştiricisinde sıcak ve soğuk akışkanların kütlesel debileri ile akışkanlar arası

Boru

Çıkışı Gövde

Girişi Ara

Perdeler

Boru

Girişi

Gövde

Çıkışı

Borular Gövde



3

aktarılan/çekilen ısı transfer miktarları deneysel olarak belirlenecek ve sistem için logaritmik

sıcaklık farkı ve toplam ısı transferi katsayısı hesaplanacaktır.

2.2.Deney Düzeneğinin Tanıtımı

TICT model gövde borulu ısı değiştiricisi 21 adet paslanmaz çelik iç borudan oluşup, içinden

sıcak su akmaktadır. Soğuk su ise iç boruların dışında gövde içinde akmaktadır. İç borunun

çapları ve uzunluğu Dtüp, iç = 0.008 m, Dtüp, dış = 0.01 m, Ltüp=0.566 m’dir. Gövdenin çapları ise

Dgövde, iç = 0.148 m, Dgövde, dış = 0.16 m’dir. İçteki tüplerin birbiri arasındaki mesafe (Ctüp) 0.015

m, ara perdeler arasındaki mesafe (Baraperde) 0.1 m’dir.

Akış yönleri 4 adet küresel vanayla düzenlenerek, paralel veya karşıt akış olarak

ayarlanabilmektedir. Isı değiştiricisinin girişinde, çıkışında ve arada kalan bölgede sıcaklıkları

ölçmek için 7 adet J tipi ısılçift (thermocouple) bulunmaktadır. Sistemde sıcak suyun ve soğuk

suyun aktığı hattın debisi ayarlanabilmektedir. Sistemin çalışması için 220 V ve 50 Hz’lik güç

kaynağı gerekmektedir. Çalışma akışkanı olarak çeşme suyu kullanılacaktır.

Şekil 3. TICT model gövde borulu ısı değiştiricisi deney düzeneği.

2.2.1. Su Dolaşım Hattı

11: Isı değiştiricisi sıcak su giriş valfi.

12: Isı değiştiricisi sıcak su çıkış valfi.

13: Paralel akışta ısı değiştiricisi soğuk su giriş valfi, karşıt akışta ısı değiştiricisi soğuk su

çıkış valfi.



4

14: Karşıt akışta ısı değiştiricisi soğuk su giriş valfi, paralel akışta ısı değiştiricisi soğuk su

çıkış valfi.

15: Sıcak su hattında bulunan 2 adet hava alma valfi (pürjör).

16: Soğuk su hattında bulunan 4 adet hava alma valfi (pürjör).

2.2.2. Isılçiftler

ST-1: Isı değiştirici sıcak su giriş sıcaklığını ölçen ısılçift.

ST-2: Isı değiştirici sıcak su çıkış sıcaklığını ölçen ısılçift.

ST-3: Paralel akışta soğuk su giriş sıcaklığını ölçen ısılçift, karşıt akışta soğuk su çıkış

sıcaklığını ölçen ısılçift.

ST-4, 5, 6: Soğuk su hattında ara sıcaklıkları ölçen ısılçiftler.

ST-7: Karşıt akışta soğuk su giriş sıcaklığını ölçen ısılçift, paralel akışta soğuk su çıkış

sıcaklığını ölçen ısılçift.

2.2.3. Gövde Borulu Isı Değiştiricisinde Akış Devre Şemaları

Şekil 4. Karşıt akışta gövde borulu ısı değiştiricisi çalışma düzeni.



5

Şekil 5. Paralel akışta gövde borulu ısı değiştiricisi çalışma düzeni.

2.3.Paralel ve Karşıt Akışlı Isı Değiştiricilerinin Genel Sıcaklık Dağılım Grafikleri

Tsıcak,giriş= Sıcak su giriş sıcaklığı (°C)

Tsıcak,çıkış= Sıcak su çıkış sıcaklığı (°C)

Tsoğuk,giriş= Soğuk su giriş sıcaklığı (°C)

Tsoğuk,çıkış= Soğuk su çıkış sıcaklığı (°C)

Tsıcak, giriş

Tsıcak, çıkış

Tsoğuk, çıkış

Tsoğuk, giriş

Tsoğuk, çıkış

Tsoğuk, giriş

Tsıcak, giriş

Tsıcak, çıkış ΔT1 ΔT2

ΔT2

ΔT1



6

2.3.1. Logaritmik Ortalama Sıcaklık Farkı (LMTD Yöntemi)

∆𝑇𝑙𝑚 =∆𝑇1 − ∆𝑇2

𝑙𝑛(∆𝑇1 ∆𝑇2⁄ )

ΔT1: Tsıcak,giriş - Tsoğuk,giriş ΔT1: Tsıcak,giriş - Tsoğuk,çıkış

ΔT2: Tsıcak,çıkış - Tsoğuk,çıkış ΔT2: Tsıcak,çıkış - Tsoğuk,giriş

�̇� = 𝑈 ∙ 𝐴𝑠 ∙ ∆𝑇𝑙𝑚

U: toplam ısı transfer katsayısı, (W/m2K)

As: ısı transfer yüzey alanı, (m2)

ΔTlm: ortalama logaritmik sıcaklık farkı, (°C)

Q’: ısı transfer hızı, (W)

2.3.2. Isı Transfer Hızını Kullanarak Toplam Isı Transfer Katsayısının

Bulunması

İki akışkan arasındaki ısı transfer hızı:

Isı değiştiricilerin çözümlenmesinde, sıcak akışkandan soğuk akışkana olan ısı akışı

yönünde bütün ısıl dirençleri tek R direncinde toplamak ve iki akışkan arasındaki ısı

transfer hızını,

𝑄 =∆𝑇

𝑅= 𝑈 ∙ 𝐴𝑠 ∙ ∆𝑇 = 𝑈𝑖ç ∙ 𝐴𝑖ç ∙ ∆𝑇 = 𝑈𝑑𝚤ş ∙ 𝐴𝑑𝚤ş ∙ ∆𝑇

1

𝑈 ∙ 𝐴𝑠=

1

𝑈𝑖ç ∙ 𝐴𝑖ç=

1

𝑈𝑑𝚤ş ∙ 𝐴𝑑𝚤ş= 𝑅

1

𝑈≈

1

ℎ𝑖ç+

1

ℎ𝑑𝚤ş

Sıcak akışkanın ısı transfer hızı:

𝑞𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛 = �̇�𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛 ∙ 𝑐𝑝𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛∙ (𝑇𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘,𝑔𝑖𝑟𝑖ş − 𝑇𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘,ç𝚤𝑘𝚤ş)

msıcak akışkan: sıcak akışkanın kütlesel debisi, (g/s)

Paralel Akış Karşıt Akış

(6)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)



7

cp,sıcak akışkan: sıcak akışkanın özgül ısısı, (J/g.K)

qsıcak akışkan: sıcak akışkanın ısı transfer hızı (W veya J/s)

Soğuk akışkanın ısı transfer hızı:

𝑞𝑠𝑜ğ𝑢𝑘 𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛 = �̇�𝑠𝑜ğ𝑢𝑘 𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛 ∙ 𝑐𝑝𝑠𝑜ğ𝑢𝑘 𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛∙ (𝑇𝑠𝑜ğ𝑢𝑘,ç𝚤𝑘𝚤ş − 𝑇𝑠𝑜ğ𝑢𝑘,𝑔𝑖𝑟𝑖ş)

msoğuk akışkan: soğuk akışkanın kütlesel debisi, (g/s)

cp,soğuk akışkan : soğuk akışkanın özgül ısısı, (J/g.K)

qsoğuk akışkan: soğuk akışkanın ısı transfer hızı (W veya J/s)

Teorik olarak qsıcak akışkan ile qsoğuk akışkan aynı olması gerektiğinden ve ısı transferi sıcaktan

soğuğa doğru gerçekleştiğinden dolayı toplam ısı transfer katsayısını bulmak için qsıcak akışkan

kullanılacaktır.

𝑞𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 𝑎𝑘𝚤ş𝑘𝑎𝑛 = 𝑈 ∙ 𝐴𝑠 ∙ ∆𝑇𝑙𝑚

3. Deneyden İstenenler

a) Deney düzeneğini şematik olarak çiziniz ve akışın türünü belirtiniz.

b) Sıcak ve soğuk akışkan için ısı miktarlarını hesaplayınız.

c) Hesaplanan iki değer arasında fark varsa, farkın nedenini yorumlayınız. Farkın

oluşmaması için alınabilecek önlemleri belirtiniz.

d) İki akış arasındaki logaritmik sıcaklık farkını hesaplayınız ve deneysel toplam ısı geçiş

katsayısını hesaplayınız.

(7)

(8)



8

ÖRNEK UYGULAMA:

Deneyde ölçülen değerler: (Paralel akış)

𝑇𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘,𝑔𝑖𝑟𝑖ş = 39.94°𝐶 𝑇𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘,ç𝚤𝑘𝚤ş = 30.09°𝐶

𝑇𝑠𝑜ğ𝑢𝑘,𝑔𝑖𝑟𝑖ş = 23.34°𝐶 𝑇𝑠𝑜ğ𝑢𝑘,ç𝚤𝑘𝚤ş = 29.21°𝐶

�̇�𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 = 1.97𝐿

𝑑𝑘 �̇�𝑠𝑜ğ𝑢𝑘 = 1.57

𝐿

𝑑𝑘

Yunus Çengel Isı Transferi kitabının tablolarından “tablo A-9 doymuş suyun özellikleri”

Suyun 35°C’deki termofiziksel özellikleri ~35°C = (39.94+23.34)/2’den

ρ = 994 kg/m3

k = 0.623 W/m.K

cp = 4178 J/kg.K

Suyun 25°C’deki termofiziksel özellikleri ~25°C = (23.34+29.24)/2’den

ρ = 997 kg/m3

k = 0.607 W/m.K

cp = 4180 J/kg.K

�̇�𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 = �̇�𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 ∙ 𝑐𝑝 @35°𝐶 ∙ (𝑇𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘,𝑔𝑖𝑟𝑖ş − 𝑇𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘,ç𝚤𝑘𝚤ş)

�̇� = 𝜌@35°𝐶 . �̇�

�̇�𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 [𝑔

𝑠] = 994

𝑘𝑔

𝑚3∙ 1.97

𝐿

𝑑𝑘∙

1 𝑑𝑘

60 𝑠∙

1 𝑚3

1000 𝐿∙

1000 𝑔

1 𝑘𝑔

�̇�𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 = 32.63 [𝑔

𝑠] ∙ 4.178[

𝐽

𝑔. °𝐶] ∙ (39.94°𝐶 − 30.09°𝐶)

20°C

25°C

30°C

35°C

40°C

45°C

T(x

) °C

x (metre)

hot cold



9

�̇�𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 = 1342.83 [𝐽

𝑠] 𝑣𝑒𝑦𝑎 [𝑊]

�̇�𝑠𝑜ğ𝑢𝑘 = �̇�𝑠𝑜ğ𝑢𝑘 ∙ 𝑐𝑝 @25°𝐶 ∙ (𝑇𝑠𝑜ğ𝑢𝑘,ç𝚤𝑘𝚤ş − 𝑇𝑠𝑜ğ𝑢𝑘,𝑔𝑖𝑟𝑖ş)

�̇�𝑠𝑜ğ𝑢𝑘 = 26.08 [𝑔

𝑠] ∙ 4.180 [

𝐽

𝑔. °𝐶] ∙ (29.21°𝐶 − 23.34°𝐶)

�̇�𝑠𝑜ğ𝑢𝑘 = 640.11 [𝐽

𝑠] 𝑣𝑒𝑦𝑎 [𝑊]

�̇�𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 ≠ �̇�𝑠𝑜ğ𝑢𝑘

Açıklama: Enerjinin korunumu gereği, alınan ve verilen enerjilerin birbirine eşit olması

gerekmektedir. Ancak burada bu eşitlik söz konusu değildir. Bunun sebebi, kullanılan deney

düzeneğinde ısı yalıtımı bulunmamasıdır. Mükemmel yalıtım durumunda dahi enerjilerin eşit

olması mümkün olmayabilir. Bunun sebebi yalıtım kalınlığının optimum bir değere sahip

olmasıdır.

�̇�𝚤𝑠𝚤𝑙 𝑘𝑎𝑦𝚤𝑝 = �̇�𝑠𝚤𝑐𝑎𝑘 − �̇�𝑠𝑜ğ𝑢𝑘 = 702.72 𝑊

𝑞 = 𝑈𝑑𝑒𝑛𝑒𝑦𝑠𝑒𝑙 ∙ 𝐴 ∙ ∆𝑇𝑙𝑚

𝑈𝑑𝑒𝑛𝑒𝑦𝑠𝑒𝑙 =𝑞

𝑨 ∙ ∆𝑇𝑙𝑚

∆𝑇𝑙𝑚 =∆𝑇1 − ∆𝑇2

𝑙𝑛∆𝑇1

∆𝑇2

=16.6°𝐶 − 0.88°𝐶

𝑙𝑛16.6°𝐶0.88°𝐶

= 5.35°𝐶

𝑈𝑑𝑒𝑛𝑒𝑦𝑠𝑒𝑙 =𝑞

(𝝅 ∙ 𝑫𝒈ö𝒗𝒅𝒆,𝒅𝚤ş ∙ 𝑳𝒈ö𝒗𝒅𝒆) ∙ ∆𝑇𝑙𝑚

=1342.83 𝑊

(𝝅 ∙ 𝟎. 𝟏𝟔 𝒎 ∙ 𝟎. 𝟓𝟔𝟔 𝒎) ∙ 5.35°𝐶

= 882.23 𝑊

𝑚2 °𝐶

Documents

1.personel.klu.edu.tr/dosyalar/kullanicilar/pasa.yaman/...Yunus Çengel Isı Transferi kitabının tablolarından “tablo A-9 doymuş suyun özellikleri” Suyun 35°C’deki termofiziksel