T.C.

DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ

MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ

MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

ISI DEĞİŞTİRİCİ TASARIM PARAMETRELERİNİN

KAPASİTEYE VE BASINÇ DÜŞÜMÜNE OLAN

ETKİLERİ

BİTİRME PROJESİ

GİZEM DURU

GÜRKAN ÇALIŞKAN

Projeyi Yöneten

Doç. Dr. Dilek KUMLUTAŞ

Mayıs, 2012

İZMİR

TEZ SINAV SONUÇ FORMU

Bu çalışma ... / ... / .... günü toplanan jürimiz tarafından BİTİRME PROJESİ olarak kabul

edilmiştir.

Yarıyıl içi başarı notu 100 (yüz) tam not üzerinden ……… ( …………….…. ) dir.

Başkan Üye Üye

Makine Mühendisliği Bölüm Başkanlığına,

………………….. numaralı ………………… ve ………………….. numaralı …………………

jürimiz tarafından … / … / …. günü saat ………. da yapılan sınavda 100 (yüz) tam not üzerinden

……. almıştır.

Başkan Üye Üye

ONAY

TEŞEKKÜR

Klimalarda kullanılan kanatlı boruları bir ısı değiştirici tasarım parametrelerinin kapasiteye ve

basınç düşümüne olan etkilerinin analizi konusunda hazırlamış olduğumuz bu bitirme tezinde bize

rehberlik eden ve her türlü desteği veren Doç. Dr. Dilek KUMLUTAŞ’a teşekkür ederiz.

Ayrıca ANSYS Workbench, ANSYS CFX programlarının kullanılması konusunda yardımlarını

esirgemeyen Doktora öğrencisi Özgün ÖZER’e teşekkürü bir borç biliriz.

Gizem DURU

Gürkan ÇALIŞKAN

ÖZET

Bu çalışmada iklimlendirme amacıyla kullanılan kanatlı borulu ısı değiştiricileri, dış kısımlarına

kanatların yerleştirildiği bir dizi borudan oluşmaktadır. Boru tarafında bulunan sıvı haldeki akışkan ile

kanat tarafında bulunan gaz halindeki akışkan arasında ısı alışverişi sağlanmaktadır.

Bilgisayar ortamında gerçekleştirilen bu çalışmayı deneysel olarak yapmak, yüksek maliyetli

uygulamalar ve zaman kaybı gibi dezavantajlara sahiptir. Bilgisayar ortamı, bizi bu zahmetlerden

kurtarmakta, aynı zamanda hassasiyeti iyi sonuçlar elde edebilmemizi sağlamaktadır.

Bu çalışmada, kanatlı borulu ısı değiştirgeçlerinin indirgenebileceği en küçük simetrik parçanın,

çeşitli parametrelerinin değişiminin basınç düşümüne ve kapasiteye etkisi incelenmiştir.

İÇİNDEKİLER

Sayfa

İçindekiler…………………………………………………………………………………………….V

Tablo Listesi……………………………………………………………………………………...…..VIII

Şekil Listesi………………………………………………………………………………………...….IX

Bölüm Bir

1.1 Giriş....................................................................................................................................................1

1.2 Isı Değiştiricilerinin Sınıflandırılması................................................................................................1

1.3 Konstrüksiyon Geometrisi..................................................................................................................1

1.3.1 Borulu Isı Değiştiricileri.....................................................................................................2

1.3.1.1 Çift Borulu Isı Değiştiricileri..............................................................................2

1.3.1.2 Gövde Boru Tipi Isı Değiştiricileri.....................................................................2

1.3.1.3 Spiral Borulu Isı Değiştiricileri...........................................................................2

1.3.2 Plakalı Isı Değiştiricileri.....................................................................................................3

1.3.2.1 Contalı - Plakalı Isı Değiştiricileri......................................................................3

1.3.2.2 Spiral Plakalı Isı Değiştiricileri...........................................................................4

1.3.2.3 Lamelli Plakalı Isı Değiştiricileri.......................................................................5

1.3.3 Kompakt Isı Değiştiricileri.................................................................................................6

1.3.3.1 Kanatlı - Plakalı Isı Değiştiricileri......................................................................8

1.3.3.2 Kanatlı Borulu Isı Değiştiricileri.........................................................................8

V

1.4 Isı Transferi Mekanizmaları................................................................................................................9

1.5 Akış Düzenlemeleri............................................................................................................................9

1.6 Isı Transferi İşlemleri........................................................................................................................10

Bölüm İki

2.1 Toplam Isı Geçiş Katsayısı...............................................................................................................11

2.2 Isı Değiştiricisi Çözümlemesi: Ortalama Logaritmik Sıcaklık Farkının Kullanılması.....................12

2.2.1 Paralel Akışlı Isı Değiştiricisi...........................................................................................13

2.2.2 Ters Akışlı Isı Değiştiricisi...............................................................................................15

2.3 Isı Değiştiricisi Çözümlemesi: Etkenlik - NTU Yöntemi.................................................................15

2.3.1 Etkenlik - NTU Bağıntıları................................................................................................16

Bölüm Üç

3.1 Modelin Oluşturulması.....................................................................................................................19

3.2 Modelin Sonlu Hacimlere Ayrılması................................................................................................22

3.3 Sınır Şartlarının Verilmesi................................................................................................................22

VI

Bölüm Dört

4 Sonuçların Değerlendirilmesi..............................................................................................................23

4.1 Tasarım Parametrelerinin Oluşturulması.............................................................................26

4.1.1 Tasarım Parametresi Olarak Boru Çapının Etkisi................................................26

4.1.2 Tasarım Parametresi Olarak Debini Etkisi...........................................................28

4.1.3 Tasarım Parametresi Olarak Kanat Genişliğini Etkisi.........................................29

4.1.4 Tasarım Parametresi Olarak Kanat Uzunluğunun Etkisi.....................................31

VII

TABLO LİSTESİ

Sayfa

Tablo 2.1 Isı Değiştiricilerinde Etkenlik Bağıntıları..............................................................................17

Tablo 2.2 Isı Değiştiricilerinde NTU Bağıntıları....................................................................................18

Tablo 3.1 Modele Ait Ölçüler.................................................................................................................20

Tablo 4.1 Kanat Uzunluğuna Ait Parametrik Sonuçlar..........................................................................32

VIII

ŞEKİL LİSTESİ

Sayfa

Şekil 1.1 Contalı - Plakalı Isı Değiştiricisi...............................................................................................4

Şekil 1.2 Spiral Plakalı Isı Değiştiricisi....................................................................................................5

Şekil 1.3 Lamelli Plakalı Isı Değiştiricisi.................................................................................................6

Şekil 1.4 Gazdan Sıvıya Kompakt Isı Değiştiricisi..................................................................................7

Şekil 2.1 Paralel Akışlı Bir Isı Değiştiricisinde Sıcaklık Dağılımları....................................................13

Şekil 2.2 Ters Akışlı Bir Isı Değiştiricisinde Sıcaklık Dağılımları........................................................15

Şekil 3.1 İklimlendirme Amaçlı Isı Değiştiricisi....................................................................................19

Şekil 3.2 Isı Değiştiricinin Yandan Görünüşü........................................................................................19

Şekil 3.3 Kanat ve Boru Oturma Yüzeylerinin Taslağı..........................................................................20

Şekil 3.4 Katı Model...............................................................................................................................21

Şekil 3.5 Modelin Son Hali.....................................................................................................................21

Şekil 3.6 Kanadın Mesh Görüntüsü........................................................................................................22

Şekil 3.7 Sınır Şartları Verildikten Sonraki Modelin Görüntüsü............................................................22

Şekil 4.1 Momentum ve Kütle Yakınsama Eğrileri................................................................................23

Şekil 4.2 Enerji Değerleri.......................................................................................................................24

Şekil 4.3 Enerji Yakınsama Eğrileri.......................................................................................................24

Şekil 4.4 Akım Çizgileri.........................................................................................................................25

Şekil 4.5 Sıcaklık Dağılımı.....................................................................................................................25

Şekil 4.6 Boru Çapına Ait Parametrik Sonuçlar.....................................................................................26

Şekil 4.7 Boru Çapı Değişiminin Kapasiteye Etkisi...............................................................................27

Şekil 4.8 Boru Çapı Değişiminin Basınç Düşümüne Etkisi...................................................................27

Şekil 4.9 Debiye Ait Parametrik Sonuçlar..............................................................................................28

Şekil 4.10 Debi Değişiminin Kapasiteye Etkisi......................................................................................28

IX

Şekil 4.11 Debi Değişiminin Basınç Düşümüne Etkisi..........................................................................29

Şekil 4.12 Kanat Genişliğine Ait Parametrik Sonuçlar..........................................................................29

Şekil 4.13 Kanat Genişliğindeki Değişimin Kapasiteye Etkisi..............................................................30

Şekil 4.14 Kanat Genişliğindeki Değişimin Basınç Düşümüne Etkisi...................................................30

Şekil 4.15 Kanat Uzunluğuna Ait Parametrik Sonuçlar.........................................................................31

Şekil 4.16 Kanat Uzunluğuna Ait Parametreler......................................................................................31

Şekil 4.17 Kanat Uzunluğundaki Değişimin Kapasiteye Etkisi.............................................................32

Şekil 4.18 Kanat Uzunluğundaki Değişimin Basınç Düşümüne Etkisi..................................................33

X

BÖLÜM BİR

1.1 Giriş

Farklı sıcaklıklardaki iki ya da daha fazla akışkan arasında ısı transferini sağlayan cihaza ısı

değiştirici denir. Genellikle katı bir cidarla birbirlerinden ayrılırlar ve karışmazlar, ancak bir sıvı yüzey

üzerine gaz fazında akış uygulanarak gerçekleştirilen uygulamalarda bulunmaktadır. Kullanım alanları

çok geniş olmakla beraber, hacim ısıtmasında, iklimlendirme sistemlerinde, termik santrallerde, atık

ısı geri kazanımında, kimi kimyasal işlemlerde çeşitli kullanım alanları mevcuttur. [2]

1.2 Isı Değiştiricilerinin Sınıflandırılması

Isı değiştirgeçleri genel olarak; konstrüksiyon geometrilerine, ısı transferi mekanizmasına, akış

düzenlemelerine, ısı transferi işlemine göre sınıflandırılır. [2]

1.3 Konstrüksiyon Geometrisi

Konstrüksiyon geometrisine göre ısı değiştiricileri; borulu, plakalı ve kompakt olmak üzere genel

olarak üç alt başlık altında sınıflandırılabilir.

Borulu ısı değiştiricileri; çift borulu, gövde boru tipi, spiral borulu olarak, plakalı ısı değiştirgeçleri;

contalı - plakalı, spiral plakalı ve lamelli olarak, kompakt ısı değiştirgeçleri de; plakalı - kanatlı,

kanatlı - borulu olarak çeşitlendirilir. Daha büyük konstrüksiyon tipleri; tüplü, düzlemli ve uzatılmış

yüzeyli ısı değiştirgeçleridir. [2]

1

1.3.1 Borulu Isı Değiştiricileri

Dairesel kesitli tüplerden yapılan bu eşanjörlerde, akışkanlardan biri içteki tüpten, diğeri dıştaki

tüpten akar. Tüplerin çapının, uzunluğunun ve sayısının değiştirilebilir olması, modelin tasarımı

sırasında esneklik sağlamaktadır. [2]

1.3.1.1 Çift Borulu Isı Değiştiricileri

Sistem genellikle birinin çapı diğerinden daha büyük, aynı eksenli, iç içe geçmiş iki borudan

yapılır. Ancak pratikte çift borunun yanı sıra boru demeti şeklinde olan çeşitlerine de rastlanır.

Akışkanlardan biri içteki, diğeri dıştaki borudan akar ve bu akışlar birbirlerine paralel olabileceği gibi

ters de olabilir. [2]

1.3.1.2 Gövde Boru Tipi Isı Değiştiricileri

Taşıdıkları ısıl yüke, üretim tekniklerine ve maliyetlerine, kirlenme faktörüne, basınç düşümüne ve

basınç miktarına karşı çeşitli gövde boru tipi ısı değiştirici uygulamaları vardır. Bu tür ısı

değiştiricilerinde, ısı transferi katsayısını artırmak ve tüpleri desteklemek için saptırıcılar

kullanılmaktadır.

Sadece bir ayna gerekli olduğundan U borular en ucuz konstrüksiyonlardır. U dönüşünün

keskinliğinden dolayı boru tarafı mekanik olarak temizlenemez. Bu tür konstrüksiyonlarda termal

genleşme sınırlandırılamaz ancak boru geçiş sayısı farklı olabilir. [2]

1.3.1.3 Spiral Borulu Isı Değiştiricileri

Bu tür ısı değiştiricileri, soğutma sistemlerinde kullanılan kondenser ve evaporatörler için

tasarlanırlar. Spiral borulu ısı değiştiricileri, bir gövde içerisine yerleşmiş spiral bir şekilde kıvrıla

kıvrıla devam eden serpantinlerden oluşur. Spiral borudaki ısı transferi katsayısı, düz boruya göre daha

2

büyüktür. Bu eşanjörler temiz akışkanlara ve termal genleşmeye daha uygundur çünkü bunların

temizlenmesi neredeyse imkansızdır. [2]

1.3.2 Plakalı Isı Değiştiricileri

Bu tip ısı eşanjörleri akış kanalarını oluşturan ince plakalardan oluşmaktadır ve akışkan akımları

düz plakalarla ayrılmıştır. [2]

Plakalı ısı eşanjörleri, herhangi bir gaz,sıvı ve iki fazlı akışlar için ısının transfer edilmesinde

kullanılır. Bu eşanjörler aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir:

1. Contalı - plakalı

2. Spiral - plakalı

3. Lamelli

1.3.2.1 Contalı - Plakalı Isı Değiştiricileri

Contalı - plakalı ısı değiştiricileri, akışkanları ayıran bir dizi dalgalı veya oluklu ince plakalardan

oluşmaktadır. Contaların işlevi plakalar içinde akışkanları istenen şekilde yönlendirmek ve dışarıya

sızıntı olmasını engellemektir.Akış düzeni genellikle akışkanlar birbirine karşılıklı akacak şekilde

düzenlenir.

3

Bu tip ısı değiştiricileri genellikle 250 °C sıcaklık ve 25 bar basınç altında çalışabilmektedirler.

Bunlar contalama ve konstrüksiyon detayları nedeniyle çalışma basıncı ve sıcaklığı yönünden

sınırlandırılabilirler. Bu ısı değiştiricileri rahatlıkla temizlenebilir çünkü parçaları tamamen

sökülebilir. Bu özellikleri nedeniyle bu tip eşanjörler gıda endüstrisinde yaygın bir şekilde

kullanılmaktadır.

Contalı - plakalı ısı değiştiricilerinin çalışma sıcaklığı ve basıncı, gövde boru tipi ısı eşanjörlerine

göre daha düşüktür. [2]

1.3.2.2 Spiral Plakalı Isı Değiştiricileri

Bu tip ısı değiştiricileri iki uzun, paralel plakanın spiral şeklinde yuvarlatılıp akış kanallarını

oluşturmak için kenarlarından diğer plakalara kaynaklanmasından meydana gelmiştir. Her iki spiral

kanal içindeki metal yüzeyler arasındaki mesafe, metal yüzeylere kaynaklanan uzaklık pimleri ile

muhafaza edilmiştir. Bu uzaklık pimlerinin uzunluğu 5 ile 20 mm arasında değişir. Bu nedenle akış

debisine bağlı olarak farklı kanal boşlukları seçmek mümkündür.

Spiral plakalı ısı değiştiricilerinin kirlenme eğilimi düşüktür ve bakımı kolay yapılır. Rahatlıkla

temizlenebilirler ve kimyasal temizleme etkin bir şekilde yapılabilir. Isıl verimleri yüksektir. Montaj

Şekil 1.1 Contalı - Plakalı Isı Değiştiricisi

4

maliyeti düşük olup orta ve yüksek dereceli akışkanlar için çok verimlidir. İstendiği takdirde plakalar

üzerinde oluklar oluşturularak ısı transferi arttırılabilir. Yüksek hızlar kullanılabildiğinden ve akış

dağılımı iyi olduğundan sıcaklığa duyarlı akışkanlar için son derece uygundur. [2]

1.3.2.3 Lamelli Plakalı Isı Değiştiricileri

Ramen tip olarak da bilinen lamelli ısı eşanjörleri, bir gövde içerisine boylu boyunca yerleştirilmiş

bir takım paralel, kaynaklı, ince plaka kanalları veya lamellerden oluşur. Bu lameller dikdörtgen veya

düzleştirilmiş borular şeklinde olabilir. Bu ısı değiştirici türleri yüzen başlıklı bir gövde-boru tipi ısı

eşanjörünün bir modifikasyonudur. Lamel olarak adlandırılan düzleştirilmiş borular iki plakanın dikiş

kaynağı veya nokta kaynağı ile birleştirilmesinden meydana gelir. Lameller her iki ucundan çelik

çubuklarla kaynak edilirler. Lamel demetinin her iki ucu, dıştaki uçları giriş ve çıkış lülelerine

(nozzles) kaynaklı olan lamel kaplamasına çevresel olarak kaynaklanırlar. Böylece lamel kısmı

tamamen kaynaklanmış olur.. Kana kaplaması gövde flanşına civata ile bağlanan bir flanş halkasına

sahiptir.

Şekil 1.2 Spiral Plakalı Isı Değiştiricisi

5

Lamelli ısı değiştiricileri doğru bir karşıt akış için düzenlenebilir çünkü gövde tarafında hiç

saptırıcı yoktur. Düzgün yüzeyler, yüksek türbülans ve düzgün dağılımlı bir akış nedeniyle lameller

kolaylıkla kirlenmezler. Plaka demeti temizlik ve bakım için kolaylıkla çıkarılabilir. Bu tasarım 35 bar

çalışma basıncı altında, asbest contalarla 500 0C ve teflon contalarla 200

0C çalışma sıcaklığında

kullanılabilirler. Bu tip ısı değiştiricilerinin ısıl verimleri yüksektir çünkü tam karşıt akış elde

edilebilmektedir. Hidrolik çap küçük olduğu için büyük ısı taşınım katsayıları elde edilebilir.

Bakımları kolaydır ve minimum kirlenme eğilimine sahiptirler. Gövde borulu ısı değiştiricilerine göre

daha kompakttırlar. Düzgün akış yollarına sahiptir. Kimyasal temizleme etkin bir şekilde yapılabilir.

[2]

1.3.3 Kompakt Isı Değiştiricileri

Kompakt veya diğer adıyla genişletilmiş yüzeyli bir ısı eşanjöründe ısı transferi miktarını arttırmak

amacıyla birincil ısı transfer yüzeyi (borular veya plakalar) üzerine kanatlar ve eklentileri olan

cihazlardır. Gaz tarafındaki ısı transferi katsayısı sıvı tarafındaki ısı transferi katsayısından olduğundan

gaz tarafındaki ısı transferi miktarını arttırmak için gaz tarafında kanatlı ısı transferi yüzeyleri

kullanılır. Kanatlar genellikle sıvı ile gaz veya gaz ile gaz akışkanların olduğu ısı eşanjörlerinde

kullanılır.[2]

Şekil 1.3 Lamelli Plakalı Isı Değiştiricisi

6

Isı transferi yüzey alanının ısı transferinin hacmine oranı alan yoğunluğu olarak adlandırılmaktadır

ve β ile gösterilir.

훽 = ü ğ ş

, 훽 ∶ 푚 푚

Bir ısı değiştiricisi için 훽 > 700푚 푚⁄ ise kompakt ısı değiştiricisi olarak sınıflandırılır.

Kompakt ısı değiştiricileri küçük bir hacimde bulunan iki akışkan arasında yüksek ölçüde ısı

transferinin gerçekleşmesine imkan sağlarlar ve ısı değiştiricilerin ağırlık ve hacminde katı

sınırlamaları olan uygulamalarda yaygın bir şekilde kullanılırlar. [3]

En yaygın iki kompakt ısı eşanjörü tipi, kanatlı – plakalı ve kanatlı – borulu ısı eşanjörüdür. [2]

Şekil 1.4 Gazdan Sıvıya Kompakt Isı Değiştiricisi

7

1.3.3.1 Kanatlı – Plakalı Isı Değiştiricileri

Plakalı-kanatlı ısı eşanjörleri öncelikli olarak her iki akışkanın da gaz olduğu uygulamalarda

kullanılır. Birçok uygulamada (kamyonlarda, arabalarda ve uçaklarda) hacim azalması önemlidir.

Plakalı-kanatlı ısı eşanjörlerinin kullanım alanları, gaz ve buhar türbinleri, otomobil, kamyon, uçak

motorları soğutma sistemleri, ısı pompaları, soğutma ve iklimlendirme tesisleri, elektronik devrelerin

soğutma devreleri ile enerji geri kazanım sistemleridir.

Çapraz-akışlı veya karşıt-akışlı akış uygulamalarına sahip olabilir. Düşük ağırlığa sahiptir.

Kullanılan kanatlar ısı değiştirgecinin rijitliğini artırır ve yüksek basınçlarda çalışmasını sağlar.

Plakalı-kanatlı ısı eşanjörleri küçüktürler ve bu nedenle aşırı basınç düşümlerinden kaçınmak için

küçük kütlesel debilerin (10 ile 300 kg/m2s) olması gerekir. Küçük kütlesel debilerin olması kanalların

kirlenmeye eğilimli olabileceği gerçeğini de beraberinde getirir. Mekanik olarak temizlenmesi zor olan

bu eşanjörler için temiz akışkanların kullanılmasını zorunlu hale getirir. [2]

1.3.3.2 Kanatlı Borulu Isı Değiştiricileri

Bu ısı değiştiricileri, gazadan sıvıya ısı değiştiricileri olarak kullanılırlar. Gaz tarafındaki ısı

transferi katsayısı genellikle sıvı tarafındakine göre çok daha düşüktür ve kanatlar gaz tarafı için

gereklidir. Kanatlı borulu bir ısı eşanjörü, dışında sabit kanatlar bulunan bir dizi borudan oluşur.

Pratikte dairesel veya oval kesitli boru dışındaki kanatlı yüzeyler ile daha çok karşılaşılır. Kanatlar

boru ile birlikte imal edilebildiği gibi, sonradan boru üzerine döküm, kaynak, lehim veya sıkı geçme

tekniği ile tespit edilebilir. Kullanım alanları, güç santralleri, pervaneli soğutma grupları, taşıt araçları,

iklimlendirme ve soğutma tesisatlarıdır. [2]

8

1.4 Isı Transferi Mekanizmaları

Isı eşanjörleri aynı zamanda ısı transferi mekanizmalarına göre de sınıflandırılırlar:

1. Her iki tarafta da tek fazlı taşınım

2. Bir tarafta tek fazlı diğer tarafta iki fazlı taşınım

3. Her iki tarafta da iki fazlı taşınım

Kazanlardaki hava ısıtıcıları, ekonomizerler, kompresör ara soğutucuları, otomobil radyatörleri,

rejeneratörler, yağ soğutucuları gibi ısı eşanjörlerinde her iki tarafta da tek fazlı taşınım gerçekleşir.

Kondenserler, kazanlar, buhar jeneratörleri, evaporatörler ve iklimlendirmede kullanılan radyatörler

yoğunlaşma, kaynama ve radyasyon mekanizmalarına sahiptirler. İki fazlı ısı transferi eşanjörün iki

yüzeyinde de gerçekleşir. Örneğin; kondenserlerde eşanjörün bir yüzeyinde yoğunlaşma olurken diğer

yüzünde kaynama olur. [2]

1.5 Akış Düzenlemeleri

Isı eşanjörleri, eşanjör boyunca olan akış yörüngelerine göre de sınıflandırılabilir. Üç temel

konfigürasyon tipi vardır:

1. Paralel Akış

2. Karşıt Akış

3. Çapraz Akış

Paralel akışlı ısı eşanjörlerinde iki akışkan bir uçtan aynı anda girerler ve diğer uçtan ayrılırlar.

Karşıt akışlı eşanjörlerde iki akışkan zıt yönde akar. Çapraz akışlı ısı eşanjörlerinde bir akışkan diğer

akışkanın aktığı düzlemden farklı bir düzlemde çıkar. Çapraz akışlı düzenlemede akış, karışmış veya

karışmamış olarak adlandırılır. Eğer düzenlemede boru içindeki akışkan dik yönde hareket

serbestliğine sahip değil, boruların dışında akan akışkan da dik yönde hareket serbestliğine (kendi

kendine karışabilme) sahipse bu eşanjör karışmamış-karışmış çapraz akış (unmixed-mixed cross flow)

ısı eşanjörü adını alır. [2]

9

1.6 Isı Transferi İşlemleri

Isı değiştiricileri transfer işlemlerine göre doğrudan temaslı ve dolaylı temaslı olarak

sınıflandırılırlar.

Doğrudan temaslı ısı değiştirgeçlerinde ısı, iki akışkan arasındaki direkt temastan dolayı, soğuk ve

sıcak akışkan arasında iletilir. Sıcak ve soğuk akımlar arasında duvar yoktur. Isı transferi iki akım

arasındaki yüzey boyunca meydana gelir. Doğrudan temaslı ısı değiştirgeçlerinde akışkanlar, iki tane

karışmayan sıvı, gaz-sıvı çifti ya da katı parçacık-sıvı kombinasyonudur. Püskürtmeli, tray

yoğuşturucular ve soğutma kuleleri bu tür ısı değiştirgeçlerine örnektir. Bu tür ısı değiştirgeçlerinde

oldukça sık ısı ve kütle transferi, eş zamanlı olarak meydana gelir. Soğutma kulelerinde suyun kulenin

tepesinden püskürtülmesi doğrudan temaslıdır ve yukarı doğru akan havanın buharı tarafından

soğutulur.

Dolaylı temaslı ısı değiştiricilerinde, ısı enerjisi bir transfer yüzeyi boyunca akan sıcak ve soğuk

akışkanlar arasında değiştirilir. Isı enerjisi ayırma duvarları boyunca transfer edilirken, soğuk ve sıcak

akışkan eş zamanlı olarak akar. Akışkanlar karışmazlar.

Doğrudan temaslı ve dolaylı temaslı tip eşanjörler recuperatörler olarak da bilinirler. Borulu (çift

borulu, gövde boru tipi), düzlem tipi ısı değiştirgeçleri, soğutma kuleleri, tabla yoğuşturucular bu tip

ısı değiştirgeçlerine örnektir. [1]

10

BÖLÜM İKİ

2.1 Toplam Isı Geçiş Katsayısı

Herhangi bir ısı değiştiricisi çözümlemesinin en temel ve çoğunlukla en belirsiz bölümü, toplam ısı

geçiş katsayısının bulunmasıdır.

Normal çalışma sırasında, akışkan içindeki yabancı maddeler, paslanmalar veya akışkan ile cidar

arasındaki diğer başka reaksiyonlar nedeniyle, yüzeylerde çoğunlukla bir kirlenme olur. Yüzey

üzerinde biriken bu film veya tabaka, akışkanlar arasındaki ısı geçişi direncini çok arttırır. Bu etki, 푅

kirlilik faktörü olarak adlandırılan ek bir ısıl direnç tanımı ile göz önüne alınabilir. Bu faktörün değeri,

çalışma sıcaklığına, akışkan hızına ve ısı değiştiricisinin işletmede kaldığı süreye bağlıdır.

Diğer taraftan, çoğu zaman bir akışkana veya her iki akışkana ait yüzeylere eklenen kanatların,

yüzey alanını arttırdıkları için ısı taşınımında ısıl direnci azalttıkları bilinmektedir. Bu nedenle, kanat

ve yüzey kirliliği etkileri göz önüne alındığında, toplam ısı geçiş katsayısı,

= =

= ( ) +,

( ) +푅 + ,( ) + ( ) (2.1)

biçiminde yazılabilir.

휂 değeri, kanatlı yüzeylerin toplam yüzey etkenliği olarak adlandırılır. Kanatsız borulu ısı

değiştiricileri için denklem 2.1

= =

= ( ) + ,( ) + 푅 + ,

( ) + ( ) (2.2)

biçiminde basitleştirilebilir. Burada, i ve o indisleri, sıcak veya soğuk akışkanın temas edebileceği iç

ve dış boru yüzeylerini göstermektedir.

11

2.2 Isı Değiştiricisi Çözümlemesi: Ortalama Logaritmik Sıcaklık Farkının Kullanılması

Bir ısı değiştiricisinin tasarımı veya performansının belirlenebilmesi için, ısı değiştiricisindeki

toplam ısı geçişi ile akışkan giriş ve çıkış sıcaklıkları, toplam ısı geçiş katsayısı ve ısı geçişi toplam

yüzey alanı arasında bir bağıntı bulmak gereklidir.

푞 = 푚̇ 푐 , (푇 , − 푇 , ) (2.3)

ve

푞 = 푚̇ 푐 , (푇 , − 푇 , ) (2.4)

yazılabilir. Buradaki sıcaklıklar, belirli konumlardaki ortalama akışkan sıcaklıklarını

göstermektedirler.

Sıcak ve soğuk akışkanlar arasındaki

훥푇 ≡ 푇 − 푇 (2.5)

sıcaklık farkı ile toplam ısı geçişi q arasında bir ilişki kurularak elde edilebilir. böyle bir bağıntı

Newton’un soğuma yasasında, ısı taşınım katsayısı h yerine toplam ısı geçiş katsayısı U’yu yazarak

bulunabilir. Bu durumda, ΔT ısı değiştiricisi içinde değiştiğinden, bu bağıntıyı

푞 = 푈퐴훥푇 (2.6)

biçiminde yazmak gerekir. Burada 훥푇 uygun bir ortalama sıcaklık farkı anlamındadır ve akışkan

sıcaklıkları cinsinden ifade edilmelidir. İlk olarak paralel akışlı bir ısı değiştiricisi göz önüne alınsın.

[1]

12

2.2.1 Paralel Akışlı Isı Değiştiricisi

Paralel akışlı bir ısı değiştiricisi içindeki sıcak ve soğuk akışkanların sıcaklık dağılımları, Şekil

2.1’de gösterildiği gibidir. ΔT sıcaklık farkı başlangıçta büyüktür, fakat x arttıkça hızla azalır ve

asimptotik olarak sıfıra ulaşır. Böyle bir ısı değiştiricisinde, soğuk akışkanın çıkış sıcaklığının hiçbir

zaman sıcak akışkan sıcaklığından fazla olamaz.

Şekil 2.1’deki her bir diferansiyel eleman için enerji dengesi ayrı ayrı yazılırsa,

푑푞 = −푚̇ 푐 , 푑푇 ≡ −퐶 푑푇 (2.7)

ve

푑푞 = −푚̇ 푐 , 푑푇 ≡ −퐶 푑푇 (2.8)

(INCROPERA, F.P., DeWITT, D.P., syf 712)

퐶

퐶

Şekil 2.1 Paralel akışlı bir ısı değiştiricisinde sıcaklık dağılımları

13

eşitlikleri elde edilebilir. Bu eşitliklerde 퐶 ve 퐶 , sırasıyla sıcak ve soğuk akışkanların ısıl kapasite

debilerini göstermektedir. dA yüzey alanından geçen ısı,

푑푞 = 푈훥푇푑퐴 (2.9)

olarak da yazılabilir. Burada 훥푇 = 푇 − 푇 , sıcak ve soğuk akışkan arasındaki yerel sıcaklık farkıdır.

O halde,

푑(훥푇) = 푑푇 − 푑푇 (2.10)

ve

푑(훥푇) = −푑푞( + ) (2.11)

yazılabilir. dA yüzey alanından geçen ısı akısı miktarı, elde edilen bu son eşitliğe taşınıp, ısı

değiştiricisi boyunca integrali alınırsa,

∫ ( ) = −푈( + )∫ 푑퐴 (2.12)

veya

ln = −푈퐴( + ) (2.13)

elde edilir. Buradan,

ln = −푈퐴 , , + , , (2.14)

Paralel akışlı ısı değiştiricisi için 훥푇 = (푇 , − 푇 , ) ve 훥푇 = (푇 , − 푇 , ) tanımları kullanılırsa,

푞 = 푈퐴( / )

(2.15)

sonucuna ulaşılır. Bu durumda,

훥푇 =( / )

=( / )

(2.16)

biçiminde tanımlanır. [1]

14

2.2.2 Ters Akışlı Isı Değiştiricisi

Ters akışlı bir ısı değiştiricisi içindeki sıcak ve soğuk akışkanların sıcaklık dağılımları ,

Şekil 2.1'de gösterildiği gibidir. Paralel akışlı ısı değiştiricisinin aksine, bu düzenlemede, ısı

değiştiricisi boyunca sıcaklık farkı ve buna bağlı olarak ısı geçişi yaklaşık eşittir. Bu nedenle x

değişimine göre verilen ∆푇 = 푇 − 푇 sıcaklık farkı, ters akımlı düzenlemede hiçbir yerde

paralel akımlı ısı değiştiricinin giriş bölümündeki kadar büyük değildir. Dikkat edilirse bu

düzenlemede soğuk akışkanın çıkış sıcaklığı, sıcak akışkanın çıkış sıcaklığından daha fazla

olabilir. [1]

2.3 Isı Değiştiricisi Çözümlemesi: Etkenlik - NTU Yöntemi

Bir ısı değiştiricisinde akışkanların sadece giriş sıcaklıkları belli ise LMTD yöntemini kullanmak

için deneme - yanılma yoluna gitmek gerekir. Bu gibi durumlarda, etkenlik - NTU yöntemi adı verilen

farklı bir yöntemin kullanılması daha uygundur.

(INCROPERA, F.P., DeWITT, D.P., syf 714)

Şekil 2.2 Ters akışlı bir ısı değiştiricisinde sıcaklık dağılımları

퐶

퐶

15

푞 = 퐶 (푇 , − 푇 , ) (2.17)

Burada, 퐶 ısıl kapasite debisi, 퐶 veya 퐶 değerlerinden hangisi küçükse o değere eşit olarak

alınır. ԑ etkenlik tanımını da, bir ısı değiştiricisinde gerçek ısı geçişinin, olabilecek en yüksek ısı

geçişine oranı olarak yapılabilir.

ԑ = ( , , )( , , )

(2.18)

olarak yazılır. Etkenlik boyutsuz bir büyüklük olup, 0 ≤ ԑ ≤ 1 arasında değişmek zorundadır. O halde

gerçek ısı geçişi aşağıdaki bağıntıdan bulunabilir.

푞 = ԑ퐶 (푇 , − 푇 , ) (2.19)

Herhangi bir ısı değiştiricisi için

ԑ = 푓(푁푇푈, ) (2.20)

bağıntısı yazılabilir. NTU (Number of Transfer Unit) ile gösterilen geçiş birimi sayısı, ısı

değiştiricilerinin çözümlemesinde yaygın olarak kullanılmakta olup,

푁푇푈 ≡ (2.21)

biçiminde tanımlanan boyutsuz bir parametredir. [1]

2.3.1 Etkenlik - NTU Bağıntıları

Değişik ısı değiştiricisi türleri için bağıntılar aşağıdaki tabloda sırasıyla verilmektedir.

퐶 ≡ 퐶 /퐶 ısıl kapasite debilerinin oranıdır.

16

Tablo 2.1 Isı Değiştiricilerinde Etkenlik Bağıntıları

Akış Düzenlemesi Bağıntı

Eş eksenli iç içe iki boru

Paralel Akış ԑ = [ ( )]

Ters Akış ԑ = [ ( )][ ( )]

(퐶 < 1)

ԑ = (퐶 = 1)

Gövde - borulu

Bir gövde geçiş (2, 4, ... boru geçiş) ԑ = 2 1 + 퐶 + (1 + 퐶 )

n gövde geçiş (2n, 4n, ... boru geçiş) ԑ = ԑԑ

− 1 ԑԑ

− 퐶

Çapraz Akış (tek geçiş)

İki akışkan da karışmıyor ԑ = 1 − 푒푥푝 (푁푇푈) . {푒푥푝[−퐶 (푁푇푈) , ] − 1}

퐶 karışıyor 퐶 karışmıyor ԑ = (1 − 푒푥푝{−퐶 [1 − 푒푥푝(−푁푇푈)]})

퐶 karışıyor 퐶 karışmıyor ԑ = 1− 푒푥푝(−퐶 {1− 푒푥푝[−퐶 (푁푇푈)]})

Tüm Isı Değiştiricileri 푪풓 = ퟎ ԑ = 1 − exp(−푁푇푈)

Isı değiştiricilerinin tasarım tasarım hesaplarında, ԑ − 푁푇푈 bağntısını

푁푇푈 = 푓(ԑ, ) (2.22)

şeklinde yazmak daha kullanışlıdır. Çeşitli ısı değiştiricilerin NTU bağıntıları Tablo 2.2'de verilmiştir.

17

Tablo 2.2 Isı Değiştiricilerinde NTU Bağıntıları

Akış Düzenlemesi Bağıntı

Eş eksenli iç içe iki boru

Paralel Akış 푁푇푈 = [ ԑ( )]

Ters Akış 푁푇푈 = ln( ԑԑ

)(퐶 < 1)

푁푇푈 = ԑԑ (퐶 = 1)

Gövde - borulu

Bir gövde geçiş (2, 4, ... boru geçiş) 푁푇푈 = −(1 + 퐶 ) / ln( )

n gövde geçiş (2n, 4n, ... boru geçiş) ԑ = , 퐹 = (ԑԑ

) /

Çapraz Akış (tek geçiş)

퐶 karışıyor 퐶 karışmıyor 푁푇푈 = −푙푛 1 + ln(1 − ԑ퐶 )

퐶 karışıyor 퐶 karışmıyor 푁푇푈 = −( )ln[퐶 ln(1 − ԑ) + 1]

Tüm Isı Değiştiricileri 푪풓 = ퟎ 푁푇푈 = −ln(1 − ԑ)

18

BÖLÜM ÜÇ

3.1 Modelin Oluşturulması

Kanatlı borulu bir ısı değiştiricisinde tasarım parametrelerinin kapasiteye ve basınç düşümüne olan

etkilerinin, sayısal analizde incelenebilmesi için ilk aşama modelin oluşturulmasıdır. Model

oluşturulurken ısı değiştiricisinin tamamının modellenmesi hem zahmetli, hem de analiz aşamasında

hayli zaman alan bir işlemdir. Bu sebeple eşanjörün tüm özelliklerini taşıyan, indirgenebilecek en

küçük simetrik parça seçilip model oluşturulmuştur.

Şekil 3.1 İklimlendirme amaçlı ısı değiştiricisi

Şekil 3.2 Isı değiştiricinin yandan görünüşü

19

Modelleme işlemi ANSYS Workbench yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir.

Tablo 3.1 Modele Ait Ölçüler

Geometri Boyutları Ölçüleri [mm]

Kanat Uzunluğu; H1 25,4

Kanat Genişliği; V1 10,5

Boru Çapı, D3; D4 7,3

Boru Mesafesi; L5, L6 7

Şekil 3.3’de görülen taslak oluşturulduktan sonra 0,1 mm kalınlığında katı hacim Şekil 3.4’de

görüldüğü gibi elde edilmiştir.

Şekil 3.3 Kanat ve boru oturma yüzeylerinin taslağı

20

Katı model oluşturulduktan sonra 1,4 mm kalınlığına sahip, iki kanat arasındaki hava hacmi Şekil

3.5’teki gibi oluşturulmuştur.

Şekil 3.4 Katı model

Şekil 3.5 Modelin son hali

21

3.2 Modelin Sonlu Hacimlere Ayrılması

Uygulanan mesh’in kalitesi medium seçilmiş, bunun sonucunda da 11448 sonlu hacim ve 3791

düğüm noktası elde edilmiştir.

3.3 Sınır Şartlarının Verilmesi

Modele ait mesh yapısı oluşturulduktan sonra, ANSYS CFX yazılımında analiz için gerekli sınır

şartları girilmiştir.

Şekil 3.6 Kanadın mesh görüntüsü

Şekil 3.7 Sınır şartları verildikten sonraki modelin görüntüsü

22

BÖLÜM DÖRT

4. Sonuçların Değerlendirilmesi

Analiz işlemleri sonucunda oluşan yakınsama eğrilerine bakılırsa, elde edilen eğriler yakınsama

hedefi olan 10-8 değerine ulaşmış veya bu değerin daha da altına inmişlerdir. Şekil 4.1’de kanadın

momentum ve kütle için yakınsama eğrileri verilmiştir.

Şekil 4.1 Momentum ve kütle yakınsama eğrileri

23

Aşağıda analiz sonucu elde akım çizgileri ve sıcaklık dağılımı görülmektedir.

Şekil 4.2 Enerji değerleri

Şekil 4.3 Enerji yakınsama eğrileri

24

Şekil 4.4 Akım çizgileri

Şekil 4.5 Sıcaklık dağılımı

25

4.1 Tasarım Parametrelerinin Oluşturulması

Yapılan analizden sonra, boru çapı, borular arası mesafe, kanat uzunluğu, kanat genişliği ve giriş

debi değeri parametre olarak tanımlanmış ve bu parametrelerin basınç düşümü ve ısı transferi

üzerindeki etkisi incelenmiştir.

4.1.1 Tasarım Parametresi Olarak Boru Çapının Etkisi

Başlangıçta modelin boru çapları 7,3 mm alınarak analiz yapılmıştı. Daha sonra boru çapının

sonuçlara etkisini inceleyebilmek için 6 – 9 mm değer aralığı ile elde edilen sonuçlar aşağıdaki gibidir.

Şekil 4.6’deki veriler kullanılarak aşağıdaki grafikler elde edilmiştir.

Şekil 4.6 Boru çapına ait parametrik sonuçlar

26

Isıl kapasiteyi artıran en önemli unsurlardan biri ısı transferinin gerçekleştiği yüzey alanının

artmasıdır. Boru çapının artması da bu alanı arttırdığından ısı transferi miktarı Şekil 4.7’deki grafikte

görüldüğü gibi artmaktadır.

0.07

0.075

0.08

0.085

0.09

0.095

0.1

5 6 7 8 9 10

Isı T

rans

feri

[W]

Boru Çapı [mm]

Isı Transferi Eğrisi

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

5 6 7 8 9 10

Bası

nç D

üşüm

ü [P

a]

Boru Çapı [mm]

Basınç Düşümü Eğrisi

Şekil 4.7 Boru çapı değişiminin kapasiteye etkisi

Şekil 4.8 Boru çapı değişiminin basınç düşümüne etkisi

27

0.020.040.060.08

0.10.120.14

5.00E-06 1.00E-05 1.50E-05 2.00E-05 2.50E-05 3.00E-05 3.50E-05

Isı T

rans

feri

[W]

Debi [kg/s]

Isı Transferi Eğrisi

Akışın gerçekleştiği kesitin daralması akış hızını arttırır. Akış hızı arttıkça da akışkanın çıkış

basıncı düşmektedir. Bu düşüş giriş ile çıkış arasındaki basınç farkını arttırmaktadır. (Şekil 4.8)

4.1.2 Tasarım Parametresi Olarak Debinin Etkisi

Başlangıçtaki model için debi değeri 1.916e-05 kg/s alınarak analiz yapılmıştı. Daha sonra debinin

sonuçlara etkisini inceleyebilmek için 1e-05 – 3e-05 kg/s değer aralığı ile elde edilen sonuçlar

aşağıdaki gibidir.

Şekil 4.9’daki veriler kullanılarak aşağıdaki grafikler elde edilmiştir.

Debinin artması ile şekil 4.10’da görüldüğü gibi ısı transferi artmaktadır.

Şekil 4.9 Debiye ait parametrik sonuçlar

Şekil 4.10 Debi değişiminin kapasiteye etkisi

28

Akışkan hızının artması, çıkış basıncını düşüreceğinden basınç düşümü artar.

4.1.3 Tasarım Parametresi Olarak Kanat Genişliğinin Etkisi

Başlangıçtaki model için kanat genişliği değeri 10.5 mm alınarak analiz yapılmıştı. Daha sonra

kanat genişliğinin sonuçlara etkisini inceleyebilmek için 9 – 11 mm değer aralığı ile elde edilen

sonuçlar aşağıdaki gibidir.

Şekil 4.12’deki veriler kullanılarak aşağıdaki grafikler elde edilmiştir.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

5.00E-06 1.00E-05 1.50E-05 2.00E-05 2.50E-05 3.00E-05 3.50E-05

Bası

nç D

üşüm

ü [P

a]

Debi [kg/s]

Basınç Düşümü Eğrisi

Şekil 4.11 Debi değişiminin basınç düşümüne etkisi

Şekil 4.12 Kanat genişliğine ait parametrik sonuçlar

29

Soğuk akışkanın aktığı borunun dış yüzeyine temas etmeden geçen sıcak akışkan miktarı

arttığından kapasite düşer.

Kesit alanı arttığından çıkış basıncı artar, basınç düşümü azalır.

0.082

0.0825

0.083

0.0835

0.084

0.0845

0.085

0.0855

9 9.5 10 10.5 11 11.5 12

Isı T

rans

feri

[W]

Kanat Genişliği [mm]

Isı Transferi Eğrisi

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

9 9.5 10 10.5 11 11.5 12

Bası

nç D

üşüm

ü [P

a]

Kanat Genişliği [mm]

Basınç Düşümü Eğrisi

Şekil 4.13 Kanat genişliğindeki değişimin kapasiteye etkisi

Şekil 4.14 Kanat genişliğindeki değişimin basınç düşümüne etkisi

30

4.1.4 Tasarım Parametresi Olarak Kanat Uzunluğunun Etkisi

Başlangıçtaki model için kanat uzunluğu değeri 25.4 mm alınarak analiz yapılmıştı. Daha sonra

kanat uzunluğunun sonuçlara etkisini inceleyebilmek için 22 – 27 mm değer aralığı ile elde edilen

sonuçlar aşağıdaki gibidir.

Şekil 4.15’de B sütunda yer alan değerler, şekil 4.16’da görülen H9 uzunluğuna aittir. (H9 =

H10) Kanat uzunluğuna ait parametrik çalışmanın daha sağlıklı yapılabilmesi için H9 ve H10 değerleri

parametre olarak tanımlanmıştır.

Şekil 4.15 Kanat uzunluğuna ait parametrik sonuçlar

Şekil 4.16 Kanat uzunluğuna ait parametreler

31

Tanımlanan parametre her değiştiğinde, kanat uzunluğunun analiz sonucundaki son değeri

şekil 4.16’da görülen H9, H10 ve H12 değerlerinin toplanmasıyla bulunmuş ve aşağıdaki gibi bir tablo

oluşturulmuştur.

Tablo 4.1 Kanat Uzunluğuna Ait Parametrik Sonuçlar

Kanat Uzunluğu [mm] Isı Transferi [W] Basınç Düşümü [Pa]

22,7 0,087101 1,7382

23,7 0,084737 1,6292

24,7 0,084132 1,5794

25,7 0,083378 1,5492

26,9 0,082231 1,5359

Tablo 4.1’de yer alan veriler kullanılarak aşağıdaki grafikler elde edilmiştir.

0.081

0.082

0.083

0.084

0.085

0.086

0.087

0.088

22 23 24 25 26 27

Isı T

rans

feri

[W]

Kanat Uzunluğu [mm]

Isı Transferi Eğrisi

Şekil 4.17 Kanat uzunluğundaki değişimin kapasiteye etkisi

32

Boru oturma yüzeyinde tanımlanan sıcaklık değeri, artan kanat uzunluğu sebebiyle daha geniş bir

yüzeye yayılarak kanada ait ortalama sıcaklık değerini arttırır. Sıcaklık farkı azaldığı için de ısı

transferi miktarı da düşer.

1.5

1.55

1.6

1.65

1.7

1.75

22 23 24 25 26 27

Bası

nç D

üşüm

ü [P

a]

Kanat Uzunluğu [mm]

Basınç Düşümü Eğrisi

Şekil 4.18 Kanat uzunluğundaki değişimin basınç düşümüne etkisi

33

KAYNAKLAR

[1] INCROPERA, F.P., DeWITT, D.P., Isı ve Kütle Geçişinin Temelleri, 4. Baskıdan Çeviri, Literatür Yayıncılık, İstanbul, TÜRKİYE, 2006

[2] KAKAÇ, S., LIU, H., Selection,Rating and Thermal Design of Heat Exchangers, CRC Press, Florida, ABD

[3] Y. A. Cengel, Heat Transfer: A Practical Approach, 2nd ed., McGraw-Hill, 2003