T1 T2 q” T1 > T2

ONDOKUZ MAYIS ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
KİMYA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
KMB 405 KİMYA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI - 3
DENEY 5: KABUK – TÜP ISI DEĞİŞTİRİCİ DENEYİ
(SHALL AND TUBE HEAT EXCHANGER)
TEORİ
ISI TRANSFERİ
Isı, sıcaklık farkından dolayı hareket halinde olan enerjidir. Sıcaklık farkı olan her ortamda veya
ortamlar arasında ısı transferi gerçekleşir.
Isı transferi prosesleri üç değişik tipte olur: Kondüksiyon, Konveksiyon , Radyasyon
Hareketsiz bir ortamda sıcaklık gradyeni mevcutsa ısı transferi prosesi için iletim (kondüksiyon)
terimi kullanılır. Ortam akışkan veya katı olabilir.
T1
T2
T1 > T2
q”
Farklı sıcaklıklarda olan bir yüzey ve hareketli bir akışkan arasında olan ısı transferi prosesi taşınım
(konveksiyon) terimi ile tanımlanır.
Hareketli akışkan
T
q”
TS
Ts > T
Sonlu sıcaklığa sahip tüm yüzeyler elektromagnetik dalgalar halinde enerji yayarlar. Farklı
sıcaklıklardaki iki yüzey arasında net ısı transferi, yüzeyler arasında engelleyici bir ortam olmadığında
gerçekleşir. Bu ısı transferi prosesi ışınım (radyasyon) olarak tanımlanır.
T1
q1 ”
q2 ”
T2
Isı Transferi – İletim (Kondüksiyon)
Isının iletildiği ortam içinde atom veya molekül gibi mikroskopik parçacıkların etkileşimi yoluyla
yapılan ısı transferidir. Zamana bağlı eşitliklerle ısı transfer proseslerini miktar olarak ifade etmek
mümkündür. Böylece, birim zamanda transfer edilen enerji miktarı hesaplanabilir.
İletim için zamana bağlı eşitlik Fourier Kanunu olarak bilinir.
T(x) fonksiyonu ile gösterilen bir sıcaklık dağılımı olan bir duvardan bir boyutlu ısı transferi için:
qx  k
dT
dx
yazılır.
T
T1
T(x)
T2
qx”
L
x
Isı akış veya iletim miktarı, q”x (W/m2) transfer yönüne dik birim alan için x doğrultusundaki ısı
transferidir. Bu miktar, bu doğrultudaki sıcaklık gradyeni dT/dx ile orantılıdır. Orantı katsayısı, k
(W/mK) ısıl iletkenlik katsayısı olarak bilinir. Negatif işaret ısının azalan sıcaklık yönünde transfer
edileceği gerçeğinin bir sonucudur.
Zamanla değişmeyen sıcaklık dağılımı lineer olduğunda sıcaklık gradyeni:
dT T2  T1

dx
L
ve ısı akış miktarı:
qx  k
T2  T1
L
veya qx  k
T1  T2
T
şeklinde ifade edilir.
k
L
L
Birim zamanda iletilen ısı miktarı için ısı akış miktarı transferin gerçekleştiği alan ile çarpılmalıdır:
qx  qx A [W]
Isı Transferi – Taşınım (Konveksiyon)
Taşınımla ısı transferinde iki makenizma etkilidir. Rastgele moleküler hareketten dolayı olan enerji
transferiyle birlikte akışkanın makroskopik hareketinden dolayı enerji transferi gerçekleşir. Akış, bir
fan, pompa veya rüzgar gibi araçlarla sağlandığı zaman Cebri Konveksiyondan, yoğunluk farkları
nedeniyle sephiye kuvvetleri tarafından sağlandığı zaman Doğal Konveksiyondan bahsedilir.
Taşınım ile ısı transferi Newton Soğuma Kanunu ile formüle edilir.
q  hTS  T ; TS  T
Burada, q” (W/m2) taşınım ısı akış miktarı, TS : yüzey sıcaklığı, T : serbest akışkan sıcaklığı, h
(W/m2K) taşınım ısı transfer katsayısıdır. h, ısı transfer katsayısı akışkan özelliklerine ve akışkan
hızına bağlıdır.
akış yönü
y
U
y
hız dağılımı
q”
T
sıcaklık
dağılımı
Ts
ısıtılmış yüzey
U(y)
T(y)
Taşınım (konveksiyon) – Boru içi akış
h ısı transfer katsayısı akış koşullarının laminar veya türbülanslı olmasına göre farklılık gösterir. Boru
içindeki akış koşullarını tanımlamak üzere aşağıdaki boyutsuz sayılar tanımlanır:
Reynolds Sayısı
Re D 
um D

Burada r akışkanın yoğunluğu, um boru kesit alanında ortalama akışkan hızı,D boru çapı ve m
akışkanın viskozitesidir. Reynolds sayısı atalet ve viskoz kuvvetlerin oranı olarak tanımlanır. Re <
2300 laminar akış ve Re > 10000 türbülanslı akış için gösterge kabul edilir. Bu limitler arasında geçiş
bölgesi tanımlanmıştır.
Prandtl Sayısı
Pr 
cp
k
Burada cp sabit basınçta özgül ısı ve k ısı iletim katsayısıdır. Prandtl sayısı momentum ve ısıl
dağılımların oranı olarak tanımlanır.
Nusselt Sayısı
Nu D 
hD
k
Burada h ısı transfer katsayısıdır. Nusselt sayısı yüzeydeki boyutsuz sıcaklık gradyenini gösterir.
Laminar akışta Nu sayısı sabittir, ancak türbülanslı akışta Reynolds sayısı ve Prandtl sayısının bir
foksiyonu şeklinde ifade edilir.
Bağıntı
Koşullar
Nu D  3.66
Laminar, sabit q”, Pr>0.6
Nu D  4.36
Laminar, sabit yüzey sıcaklığı, Pr>0.6
Nu D  0.023 Re4D/ 5 Pr n
Türbülanslı, 0.6<Pr<160, ReD>10000, L/D>10,
ısıtma için n=0.4, soğutma için n=0.3
Dairesel olmayan borulardaki akış probleminde karakteristik uzunluk olarak efektif çap
tanımlanmalıdır. Hidrolik çap değeri:
Dh 
4 Ac
P
olarak tarif edilir. Burada, Ac akış kesit alanı ve P ıslak çevre uzunluğudur. Türbülanslı akış için
dairesel kesitli borulara ait bağıntı kullanılabilir. Laminar akış için NuD değerleri tablo halinde verilir.
Eşmerkezli borulara ısı transfer uygulamalarında çok rastlanılır. Borunun iç ve dış yüzeylerine ait Nu
sayıları tanımlanır.
q”i
q”o
Ts,o
Ts,i
Tm
Di
Do
qi  hi Ts,i  Tm , qo  ho Ts,o  Tm 
Karşılık gelen Nu sayıları: Nu i 
Hidrolik çap değeri: Dh 
hi Dh
hD
, Nu o  o h
k
k


4 / 4 Do2  Di2
 Do  Di
Do  Di
Türbülanslı akış için Nu sayısı, hidrolik çap kullanılarak dairesel kesitli boru için bağıntılardan tesbit
edilebilir. Laminar akış için tablo değerleri okunur.
Di/Do
Nui
Nuo
Di/Do
Nui
Nuo
0
-
3.66
0.25
7.37
4.23
0.05
17.46
4.06
0.50
5.74
4.43
0.10
11.56
4.11
1.00
4.86
4.86
Tüm ısı transferi , U – (İletim + Taşınım)
Pratikte iletim ve taşınım vasıtasıyla ısı transferi birçok halde birlikte olur. İki farklı sıcaklıktaki
akışkanı ayıran bir duvar halini düşünelim.
TA
T1
T2
TB
q”
k
A akışkanı
B akışkanı
Dx
A akışkanından duvara yapılan ısı transfer akışı duvardan iletilen ve duvardan B akışkanına yapılan ısı
transferi akışına eşittir. Böylece:
q  hA TA  T1  
k
T1  T2   hB T2  TB 
x
yazılabilir. Bu denklemler sıcaklıklar cinsinden yazılıp yeniden düzenlendiğinde:
TA  TB   q 1
 hA

x 1 
 
k hB 
Tüm ısı transfer katsayısı, U tarif edilerek:
1  1 x 1 
    ; q  U TA  TB 
U  hA k hB 
DENEY DÜZENEĞİ:
ANA ÜNİTE
ISI DEĞİŞTİRİCİ
Isı Değiştirici Ünitesinde Bulunan Elemanların Kodları Ve Tanımları
KODLAR
ST - 16
ST - 1
ST - 2
ST - 3
ST - 4
ST - 5
ST - 6
ST - 7
SC - 1
SC - 2
AVR - 1
AVR - 2
AN - 1
AR - 1
AB - 1
AP - 1
AP - 2
AV - 2/ AV - 3/AV - 4/AV - 5
AV - 4/AV - 5/AV - 1/AV - 6/AV - 7/AV - 8
AVS - 1
AVS - 2
TANIMLAR
Su Tankı Sıcaklık Sensörü
Isı Değiştirici İçindeki Sıcak Su Sıcaklık Sensörü
Isı Değiştirici Dışındaki Sıcak Su Sıcaklık Sensörü
Isı Değiştirici İçindeki/Dışındaki Soğuk Su Sıcaklık Sensörü
Isı Değiştiricide 1. Bölümdeki Soğuk Su Sıcaklık Sensörü
Isı Değiştiricide 2. Bölümdeki Soğuk Su Sıcaklık Sensörü
Isı Değiştiricide 3. Bölümdeki Soğuk Su Sıcaklık Sensörü
Isı Değiştirici İçindeki/Dışındaki Soğuk Su Sıcaklık Sensörü
Sıcak Su Akış Sensörü
Soğuk Su Akış Sensörü
Sıcak Su Akışı Düzenleme Vanası
Soğuk Su Akışını Düzenleme Vanası
Su Tankı Seviyesi Göstergesi
Elektrik Rezistansı
Sıcak Su Akış Pompası
Soğuk Su Boşaltma Vanası
Sıcak Su Boşaltma Vanası
Paralel Ve Ters Akış İçin Soğuk Su Vanaları
Drenaj Vanaları
Güvenlik Vanası
Güvenlik Vanası
DİKKAT !
Isıtıcı tankla temastan sakınınız çünkü sıcaklık 70 ˚C’nin üstüne çıkmış olabilir.
Tank doluyken boşaltma vanasını açmayınız
Uygulama devam ederken dış tüpün üstünde bulunan drenaj vanalarını açmayınız.
Su tankını seviye çizgisinin altına kadar doldurunuz.
Uygulama yaparken tanın üstünü açmayınız.
Uygulamaya başlamadan önce vanaların doğru konumda olup olmadıklarını kontrol
ediniz.
7- Tüm sensörlerin arayüze (bilgisayara) bağlı olup olmadığını kontrol ediniz.
8- SCADA programını başlatınız.
123456-
DENEYİN AMACI:
Isı değiştiricide sıcak suyun akışının ısı transferine etkisini incelemek ve Reynold
sayısını hesaplamak ve bu yolla hızı belirlemek
GEREKLİ MALZEMELER:
-
Kabuk Tüp Isı Değiştirici
DENEYİN YAPILIŞI:
1- Vanaların ters akım düzenine göre açıldığını kontrol ediniz.
2- Isıtıcı tankın gösterge seviyesine kadar suyla tamamen doldurulduğunu kontrol
ediniz.
3- Pompayı ve rezistörü (ısıtıcıyı) açınız.
4- Tank sıcaklığını 60˚ C’ye ayarlayınız (ST16)
5- Sıcak su akışını yaklaşk olarak 3 L/dk olarak ayarlayınız.
6- Elde edilen akış ve sıcaklık verilerini tabloya kaydediniz.
7- Sıcak suyun akışını yaklaşık 2.5 L/dk’ya azaltınız soğuk suyun akışını sabit
tutunuz.
8- Sistem stabil olduktan sonra elde edilen sıcaklık ve akış ölçüm değerlerini tabloya
kaydediniz.
9- 7. ve 8. Adımları sıcak su akışını 2 L/dk ve 1.5 L/dk olarak tekrarlayınız.
10- Sıcak akışkan tarafından transfer edilen ısı miktarını , soğuk akışkan tarafından
kazanılan ısı miktarını, kaybedilen ısı miktarını hesaplayınız. Ayrıca logaritmik
sıcaklığı , tüm ısı transfer katsayısını ve Reynold sayısını hesaplayınız.
DENEYSEL VERİLER VE HESAPLAMALAR
SU TANKININ SICAKLIĞI
Test 1
Test 2
45
50
Sıcaklık
ST16
ST1
ST2
ST3
ST4
ST5
ST6
ST7
SC-1 (L/min)
SC-2 ( L/min)
3
3
Test 3
55
Test 4
60
3
3
Yukarıdaki verileri kullanarak aşağıda verilen termodinamik değerleri hesaplayınız.
1234567-
Sıcak su tarafından transfer edilen ısı miktarı (qh)
Soğuk su tarafından absorplanan ısı miktarı (qC)
Isı kayıpları (q1 )
Logaritmik sıcaklık (ΔTlm)
Tüm ısı transfer katsayısı (U)
Akışkanın ısı değiştiricideki hızı (µh, µc)
Sıcak ve soğuk su için Reynold Sayısı (Re h , ReC)
SU TANKININ SICAKLIĞI
Test 1
Test 2
Test 3
Test 4
qh (W)
(qC) (W)
(q1 ) (W)
ΔTlm (k)
U (W/m2* ˚K)
µh (m/s)
µc (m/s)
Reh
Rec
SORULAR:
1234567-
Isı Transfer metodları kaça ayrılır? Nelerdir?
Kondüksiyon nedir? Fourier Kanunu neyi açıklar?
Konveksiyon nedir?
Radyasyon ile ısı transferinin oluşabilmesi için gerekli ortam sıcaklığı kaç oC’dir?
Endüstride kullanılan ısı değiştirici çeşitleri nelerdir?
Paralel ve Ters Akımlı ısı Değiştiricilerini karşılaştırınız.
Kabuk – Tüp Isı Değiştiricide görülen ısı transfer metodlarını yazınız.
Not: Teoride föye bağlı kalmayınız.
Araş. Gör. Gediz UĞUZ