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

q”

T1 > T2

Farklı sıcaklıklarda olan bir yüzey ve hareketli bir akışkan arasında olan ısı transferi prosesi taşınım

(konveksiyon) terimi ile tanımlanır.

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.

TS

q”

Hareketli akışkan

T

Ts > T

T2

T1

q1”

q2”

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:

dx

dTkqx yazılır.

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:

L

TT

dx

dT 12

ve ısı akış miktarı:

T2

T1 T(x)

L

qx”

T

x

L

TTkqx

12 veya L

Tk

L

TTkqx

21 şeklinde ifade edilir.

Birim zamanda iletilen ısı miktarı için ısı akış miktarı transferin gerçekleştiği alan ile çarpılmalıdır:

Aqq xx [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.

TTTThq SS ;

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.

U(y) T(y)

y y T U

q”

sıcaklık

dağılımı

hız dağılımı

ısıtılmış yüzey

akış yönü

Ts

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

DumD Re

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

k

cpPr

Burada cp sabit basınçta özgül ısı ve k ısı iletim katsayısıdır. Prandtl sayısı momentum ve ısıl

dağılımların oranı olarak tanımlanır.

Nusselt Sayısı

k

hDD Nu

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

66.3Nu D

36.4Nu D

n

DD PrRe023.0Nu 5/4

Laminar, sabit q”, Pr>0.6

Laminar, sabit yüzey sıcaklığı, Pr>0.6

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:

P

Ac4Dh

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.

mosoomisii TThqTThq ,, ,

Karşılık gelen Nu sayıları: k

Dh

k

Dh hohi oi Nu ,Nu

Hidrolik çap değeri:

io

io

ioh DD

DD

DDD

224/4

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

0.05

0.10

-

17.46

11.56

3.66

4.06

4.11

0.25

0.50

1.00

7.37

5.74

4.86

4.23

4.43

4.86

Di

Do

q”i q”o Ts,i

Ts,o Tm

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.

A akışkanından duvara yapılan ısı transfer akışı duvardan iletilen ve duvardan B akışkanına yapılan ısı

transferi akışına eşittir. Böylece:

BBAA TThTTx

kTThq

2211

yazılabilir. Bu denklemler sıcaklıklar cinsinden yazılıp yeniden düzenlendiğinde:

BA

BAhk

x

hqTT

11

Tüm ısı transfer katsayısı, U tarif edilerek:

BA

BA

TTUqhk

x

hU

;

111

T1

T2

q”

TA

TB

k

Dx

A akışkanı B akışkanı

DENEY DÜZENEĞİ:

ISI DEĞİŞTİRİCİ

ANA ÜNİTE

Isı Değiştirici Ünitesinde Bulunan Elemanların Kodları Ve Tanımları

KODLAR TANIMLAR

ST - 16 Su Tankı Sıcaklık Sensörü

ST - 1 Isı Değiştirici İçindeki Sıcak Su Sıcaklık Sensörü

ST - 2 Isı Değiştirici Dışındaki Sıcak Su Sıcaklık Sensörü

ST - 3 Isı Değiştirici İçindeki/Dışındaki Soğuk Su Sıcaklık Sensörü

ST - 4 Isı Değiştiricide 1. Bölümdeki Soğuk Su Sıcaklık Sensörü

ST - 5 Isı Değiştiricide 2. Bölümdeki Soğuk Su Sıcaklık Sensörü

ST - 6 Isı Değiştiricide 3. Bölümdeki Soğuk Su Sıcaklık Sensörü

ST - 7 Isı Değiştirici İçindeki/Dışındaki Soğuk Su Sıcaklık Sensörü

SC - 1 Sıcak Su Akış Sensörü

SC - 2 Soğuk Su Akış Sensörü

AVR - 1 Sıcak Su Akışı Düzenleme Vanası

AVR - 2 Soğuk Su Akışını Düzenleme Vanası

AN - 1 Su Tankı Seviyesi Göstergesi

AR - 1 Elektrik Rezistansı

AB - 1 Sıcak Su Akış Pompası

AP - 1 Soğuk Su Boşaltma Vanası

AP - 2 Sıcak Su Boşaltma Vanası

AV - 2/ AV - 3/AV - 4/AV - 5 Paralel Ve Ters Akış İçin Soğuk Su Vanaları

AV - 4/AV - 5/AV - 1/AV - 6/AV - 7/AV - 8 Drenaj Vanaları

AVS - 1 Güvenlik Vanası

AVS - 2 Güvenlik Vanası

DİKKAT !

1- Isıtıcı tankla temastan sakınınız çünkü sıcaklık 70 ˚C’nin üstüne çıkmış olabilir.

2- Tank doluyken boşaltma vanasını açmayınız

3- Uygulama devam ederken dış tüpün üstünde bulunan drenaj vanalarını açmayınız.

4- Su tankını seviye çizgisinin altına kadar doldurunuz.

5- Uygulama yaparken tanın üstünü açmayınız.

6- Uygulamaya başlamadan önce vanaların doğru konumda olup olmadıklarını kontrol

ediniz.

7- Tüm sensörlerin arayüze (bilgisayara) bağlı olup olmadığını kontrol ediniz.

8- SCADA programını başlatınız.

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

Sıcaklık Test 1 Test 2 Test 3 Test 4

ST16 45 50 55 60

ST1

ST2

ST3

ST4

ST5

ST6

ST7

SC-1 (L/min) 3 3 3 3

SC-2 ( L/min)

Yukarıdaki verileri kullanarak aşağıda verilen termodinamik değerleri hesaplayınız.

1- Sıcak su tarafından transfer edilen ısı miktarı (qh)

2- Soğuk su tarafından absorplanan ısı miktarı (qC)

3- Isı kayıpları (q1 )

4- Logaritmik sıcaklık (ΔTlm)

5- Tüm ısı transfer katsayısı (U)

6- Akışkanın ısı değiştiricideki hızı (µh, µc)

7- Sıcak ve soğuk su için Reynold Sayısı (Reh , ReC)

SORULAR:

1- Isı Transfer metodları kaça ayrılır? Nelerdir?

2- Kondüksiyon nedir? Fourier Kanunu neyi açıklar?

3- Konveksiyon nedir?

4- Radyasyon ile ısı transferinin oluşabilmesi için gerekli ortam sıcaklığı kaç oC’dir?

5- Endüstride kullanılan ısı değiştirici çeşitleri nelerdir?

6- Paralel ve Ters Akımlı ısı Değiştiricilerini karşılaştırınız.

7- Kabuk – Tüp Isı Değiştiricide görülen ısı transfer metodlarını yazınız.

Not: Teoride föye bağlı kalmayınız.

Araş. Gör. Gediz UĞUZ

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