İçten Isıtmalı Yatak Projesi

T.C.
TRAKYA ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

İÇTEN ISITMALI YATAK PROJESİ

PROJE-2

1120201002 Selcen ÇALIŞKAN

DANIŞMAN: Yrd. Doç. Dr. Çiğdem SUSANTEZ

Ocak 2017
EDİRNE

ÖZET

Bu projede mahal ısıtılmasının mümkün olmadığı koşullarda kullanılmak üzere içten ısıtmalı bir yatak tasarımı COMSOL Multiphysics v4.3 programı ile gerçekleştirilmiştir.  Uygun parametreler bulunarak programa bu değerler girilirken aşama aşama programın nasıl kullanılacağı ve programın kolaylıkları açıklanmıştır. Isıtma işlemi yatağın içerisine yerleştirilen borulardan belirli hızda geçirilen sıcak akışkan vasıtasıyla sağlanmaktadır. Sisteme gönderilen akışkanın sıcaklığı değiştirilerek analiz sonuçları incelenmiş ve uygun şartlar belirlenmiştir.

ABSTRACT

In this project, internally heated bed design was implemented by using the COMSOL Multiphysics v4.3 program for use in conditions where room heating is not possible. By finding the appropriate parameters and entering them into the program, how the program was used step by step and the program’s facilities were explained. The heating process is achieved by means of the hot fluid passing through the pipelines placed in the bed at a certain speed. By changing the temperature of the fluid sent to the system, the results of analysis were examined and appropriate conditions were determined.

ÖNSÖZ VE TEŞEKKÜR

Bu çalışmada ısı transfer mekanizmaları tanıtılmış ve örnekler verilmiştir. İçten ısıtmalı yatak tasarım aşamalarında yapılan hesaplamalar üzerinde durulmuş ve bu aşamada COMSOL’un sağladığı kolaylıklardan bahsedilmiştir.

Tasarım aşaması tamamlandıktan sonra program 3 farklı giriş sıcaklığında çalıştırılarak sonuçlar alınmıştır.

Bu projeyi yapmamda büyük emeği geçen ve her aşamada bana yardımcı olan Yrd. Doç. Dr. Çiğdem SUSANTEZ hocama teşekkürü bir borç bilirim.

Selcen ÇALIŞKAN

İÇİNDEKİLER

ÖZET…………………………………………………………………………………………………………………ii

ABSTRACT………………………………………………………………………………………………………iii

ÖNSÖZ VE TEŞEKKÜR…………………………………………………………………………………….iv

1. GİRİŞ……………………………………………………………………………………………………………..1

2. COMSOL………………………………………………………………………………………………………..2

3. ISI TRANSFER MEKANİZMALARI………………………………………………..3

4. ISI DEĞİŞTİRİCİ……………………………………………………………………..7

4.1. AKIŞKANLARIN TEMAS ŞEKLİNE GÖRE SINIFLANDIRMA…………………7

4.1.1. DOĞRUDAN TEMASLI ISI DEĞİŞTİRİCİLER…………………………………7

4.1.2. DOĞRUDAN TEMAS OLMAYAN ISI DEĞİŞTİRİCİLER……………………..7

4.2. AKIŞ ŞEKİLLERİNE GÖRE SINIFLANDIRMA…………………………………..8

4.2.1. PARALEL AKIMLI ISI DEĞİŞTİRİCİLER………………………………………8

4.2.2. TERS AKIMLI ISI DEĞİŞTİRİCİLER…………………………………………..8

4.2.3. ÇAPRAZ AKIMLI ISI DEĞİŞTİRİCİLER……………………………………….9

4.3. KONSTRÜKSİYON GEOMETRİSİNE GÖRE SINIFLANDIRMA………………9

4.3.1. BORULU ISI DEĞİŞTİRİCİLER (EŞANJÖRLER)……………………………..9

4.3.1.1. GÖVDE BORULU ISI DEĞİŞTİRİCİLER…………………………………….10

4.3.1.2. DÜZ (ÇİFT) BORULU ISI DEĞİŞTİRİCİLER……………………………….12

4.3.1.3. SPİRAL BORULU ISI DEĞİŞTİRİCİLER………………………………..…..13

5. COMSOL TASARIM AŞAMALARI………………………………………………..14

6. ANALİZ  SONUÇLARI.…….………………………………………………………25

7.KAYNAKLAR………………………………………………………………………31

ŞEKİLLER DİZİNİ

Şekil 3.1. Düzlem Duvarlarda Sürekli Isı İletimi

Şekil 3.2. Taşınım Isıl Direnci

Şekil 4.1. Isı Değişim Şekline Göre Sınıflandırma

Şekil 4.2. Akış Şekillerine Göre Sınıflandırma

Şekil 4.3. Basit Bir Eşanjör Tipi

Şekil 4.4. Gövde Borulu Isı Değiştirici

Şekil 4.5 Gövde Boru Tip Isı Değiştirici

Şekil 4.6. Düz Borulu Eşanjör ve Kısımları

Şekil 5.1. Model Wizard

Şekil 5.2. Block-1 Ölçülendirme

Şekil 5.3. Block-2 Ölçülendirme

Şekil 5.4. Block-3 Ölçülendirme

Şekil 5.5 Cylinder Ölçülendirme

Şekil 5.6. Ölçülendirme Sonunda Yatağın Görüntüsü

Şekil 5.7. Parametreler

Şekil 5.8. Variables Sütunu Ve Yatağın Ölçülendirilmiş Hali

Şekil 5.9. Akışkan Yüzeylerin Tanımlanması

Şekil 5.10. Akışkan İçin Kullanılan Denklemler

Şekil 5.11. Heat Transfer In Solid Sütunu

Şekil 5.12. Convective Cooling Sütunu

Şekil 5.13. Inlet Programa Tanıtılması

Şekil 5.14. İlk Bulunan “h” Değerleri İçin Surface Average

Şekil 5.15. Son Bulunan (gerçek) “h” Değerleri İçin Surface Average

Şekil 6.1. 50 ^oC Giriş Sıcaklığı İçin Yüzey Sıcaklık Dağılımı

Şekil 6.2. 50 ^oC Giriş Sıcaklığı İçin xy Kesitlerdeki Sıcaklık Dağılımı

Şekil 6.3. 50 ^oC Giriş Sıcaklığı İçin xy Kesitlerdeki Hız Dağılımı

Şekil 6.4. 55 ^oC Giriş Sıcaklığı İçin Yüzey Sıcaklık Dağılımı

Şekil 6.5. 55 ^oC Giriş Sıcaklığı İçin xy Kesitlerdeki Sıcaklık Dağılımı

Şekil 6.6. 55 ^oC Giriş Sıcaklığı İçin xy Kesitlerdeki Hız Dağılımı

Şekil 6.7. 60 ^oC Giriş Sıcaklığı İçin Yüzey Sıcaklık Dağılımı

Şekil 6.8. 60 ^oC Giriş Sıcaklığı İçin xy Kesitlerdeki Sıcaklık Dağılımı

Şekil 6.9. 60 ^oC Giriş Sıcaklığı İçin xy Kesitlerdeki Hız Dağılımı

TABLOLAR DİZİN

Tablo 5.1. Su, Pamuk Ve Yay İçin k, c, ρ Değerleri

Tablo 5.2. Yayın Tel Çapı, Yay Çapı Ve Tur Sayısı Değerleri

Tablo 6.1. 50 ^oC, 55 ^oC ve 60 ^oC Giriş Sıcaklıklarında Surface Average

1. GİRİŞ

Bu çalışmada, ısıl konfor şartlarının sağlanamadığı ortamlar için bir yatak tasarımı gerçekleştirilmiştir. Tasarım ve analiz aşamaları COMSOL Multiphysics v4.3 programı ile yapılmıştır.
Yatağın ısıtılmasında, içerisinden sıcak su geçen eş aralıklarla konumlandırılmış 5 adet 0,05 m çapında borular kullanılmıştır. Yatağın uzunluğu 2 metre, genişliği 1 m ve yüksekliği 0,2 metre oluşturulmuş daha sonra yatağın dik kenarlarına içerisinden akışkanın geçeceği 0,1 metrelik yalıtılmış yüzeyler eklenmiştir. Yatak için değerler bulunurken, yatak içerisinde yay ve pamuk bulunan kompozit bir malzeme olarak düşünülmüş ve k_eff, (ρCp)_eff değerleri bulunurken kompozit malzemelere deuyarlanabilen nanoakışkanlar için oluşturulan formül kullanılmıştır.
İlk olarak ısı transferi mekanizmaları hakkında bilgi verilmiş, ısı değiştiricilerinin sınıflandırılması yapılmış ve özellikle boru tipi ısı değiştiriciler üzerinde durulmuştur. Comsol programı kısaca tanıtıldıktan sonra programda yapılanlar adım adım ekran görüntüleri ile anlatılarak analiz sonuçları verilmiştir.

2. COMSOL

COMSOL Multiphysics®, fizik temelli problemleri modellemek ve simule etmek için geliştirilmiş sayısal yöntemlere dayanan, genel amaçlı bir yazılım platformudur. COMSOL Multiphysics ile, birleştirilmiş veya çoklu fizik olaylarını hesaplayabileceksiniz. Seçilebilecek 30’dan fazla eklenti ürünü ile simülasyon platformunu, elektrik, mekanik, akışkan akış ve kimyasal uygulamalar için özel fizik arayüzleri ve araçları ile daha da genişletebilirsiniz. Ek arabirim ürünleri, COMSOL Multifizik simülasyonlarınızı teknik hesaplama, CAD ve ECAD yazılımlarına bağlar. [10]

COMSOL Desktop®, uygulama alanından bağımsız olarak, birleştirilmiş bir iş akışı ile disiplinler arası ürün geliştirme için tasarlanmış güçlü bir entegre ortamdır. Eklenti modülleri COMSOL Multiphysics ile kesintisiz bir şekilde kaynaşmakta ve hangi eklenti ürünlerin kullanıldığına bakılmaksızın yazılımı çalıştırma şekliniz değişmeden kalmaktadır. Model Oluşturucu’daki model ağacı, modelin ve geometrisi, kafes, fizik ayarları, sınır koşulları, çalışmalar, çözenler, postprocessing ve görselleştirme işlevlerinin tümüne genel bir bakış sunar. COMSOL Multiphysics ile klasik fizik modellerini, eşzamanlı fizik fenomenlerini çözen çoklu fizik modellerine kolayca genişletebilirsiniz. Dahası, bu güce erişmek, matematik veya sayısal analiz konusunda derinlemesine bilgi gerektirmez. [10]

Sonlu elemanlar analizi, sonlu hacim yöntemi, sınır elemanı yöntemi ve parçacık izleme yöntemleri gibi eklenti modüllerinde birçok farklı yöntem kullanılır, ancak COMSOL Multiphysics’in önemi sonlu elemanlar yöntemi üzerindedir. Birçok sonlu elemanlar mevcuttur ve çözülme aşamasında yazılım tarafından tamamen birleşmiş elemanlar otomatik olarak üretilir. Sonlu elemanlar “on-the-fly” üreten bu patentli yöntem (COMSOL Multiphysics’e özgü) tam olarak sınırsız çoklu fizik kombinasyonlarına izin verir. [10] COMSOL Multifizik, matematiksel ifadeler için dahili bir tercüman ile birlikte gelir. İfadeler daha sonra malzeme özellikleri, sınır koşulları veya kaynaklarda kullanılmak üzere değişkenlere atanabilir. Bu, çoğu zaman, özel ifadeye ihtiyaç duyulduğunda yazılımı uyarlamak için kod yazmanıza gerek kalmadığı anlamına gelir. [10]

3. ISI TRANSFER MEKANİZMALARI

Isı aktarımı, sıcaklıkları farklı iki veya daha fazla nesne arasında iletim, taşınım ya da ışınım yoluyla (veya bu yolların birbiri ile olan birleşimleri yoluyla) gerçekleşen enerji aktarımının incelenmesidir. Isı transferi bilimi; ısı transferi hızıyla ilgilenir. Isı transferi hızı, ısı transferi donanımlarının tasarımı ve değerlendirilmesindeki en temel niceliktir. Bir sistemdeki bütün enerji biçimlerinin toplamı, sistemdeki toplam enerjiyi verir ve iç, kinetik ve potansiyel enerjileri içerir. İç enerji bir sistemdeki moleküler enerjiyi temsil eder ve duyulur, gizli, kimyasal ve nükleer enerji biçimlerinden oluşur. İç enerjinin duyulur ve gizli enerji biçimleri, sıcaklık farkı sonucunda bir ortamdan diğerine aktarılabilir. Bu enerji biçimleri ısı veya ısıl enerji olarak bilinir. Yani, ısı transferi iki ortam arasındaki sıcaklık farkından dolayı transferi gerçekleşen duyulur ve gizli enerji biçimleridir. Birim zamanda gerçekleşen ısı transferi miktarı, ısı transfer hızı “ ” olarak adlandırılır. Birim alandan olan ısı transferi hızı ise, ısı akısı “  (W/m²)” olarak adlandırılır. [2]

Sabit bir kütleden oluşan bir sistem kapalı sistem olarak adlandırılır. Sınırlarından kütle geçişi olan bir sistem ise açık sistem veya kontrol hacmi olarak adlandırılır. Bir işleme tabi olan herhangi bir sistem için “Termodinamiğin Birinci Yasası” veya enerji dengesi aşağıda verildiği gibi ifade edilebilir [2]:

∆E_sistem = E_giren−E_çıkan  ( J )

Eğer hareketsiz, kapalı bir sistem yalnızca ısı transferi içeriyorsa ve sınırlarından bir iş transferi yoksa enerji dengesi sadeleşerek aşağıda verilen duruma gelir [2]:

Q = m C ∆T [J =  kg × J / (kg ^oC) × ^oC]

Burada Q sisteme doğru gerçekleşen veya sistemden gelen toplam (net) ısı transferidir. Eğer ısı transferi sabit bir Q’ hızıyla gerçekleşiyorsa, ∆t zaman aralığında gerçekleşen ısı transferi miktarı Q = Q’ ∆t ile bulunabilir. [2]

Bir giriş ve çıkışa sahip ve bu giriş ve çıkışı arasında ihmal edilebilir kinetik ve potansiyel enerji değişimi olan bir kontrol hacmi için sürekli rejimde ve iş etkileşiminin olmadığı koşullarda enerjinin korunumu bağıntısı aşağıda verildiği gibi ifade edilebilir [2]:

Q’ = m’ C_p ∆T  [W = (kg/s) × J / (kg ^oC) × ^oC]

Isı, üç farklı şekilde transfer edilebilir: İletim, taşınım ve ışınım. İletimle ısı aktarımı  durgun bir ortamda gerçekleşir. Birbirleriyle temas halindeki moleküllerin kafes yapısındaki titreşimler sayesinde ısı bir sonraki moleküle taşınır (daha enerjetik olanlardan az olanlara doğru). Bu transfer şekli “Fourier Isı İletim Yasası” ile aşağıda verildiği gibi ifade edilir [2]:

Q’_iletim= -kA dT/dx  (W)  –> Q’_iletim = -kA dT/L

Burada ∆T tabakanın iki yüzeyi arasındaki sıcaklık farkıdır.

Isıl iletim direnci ise şu şekilde hesaplanır:

R_duvar = L/kA (^oC/W)

Taşınım, katı bir yüzey ve ona komşu olan hareket halindeki sıvı veya gaz (akışkan) arasında gerçekleşen ısı transferi şeklidir. Taşınım, içinde hem iletimden hem de akışkan hareketinden gelen bileşik etkileri içerir. Taşınımla ısı transferi hızı “Newton Soğuma Yasası” ile aşağıda verildiği gibi ifade edilir:

Q’= hA(T_s – T_∞)

Taşınım ısıl direnci şu şekilde hesaplanır:

R_taşınım = 1/hAs   (^oC/W)

Burada h, ısı taşınım katsayısıdır ve birimi [W/(m²°C)] ile verilir.. As ise, taşınımın gerçekleştiği yüzeyin alanıdır (m²). Ts yüzey sıcaklığı (°C), T∞ ise yüzeyden yeteri kadar uzakta akışkanın sıcaklığıdır (°C). [2]

Taşınım ve iletim ile ısı transferinin yanı sıra bir de ışınımla ısı transferi gerçekleşir. Işınım, atom ve moleküllerin elektronik düzenlerindeki değişmelerin sonucunda maddeden elektromanyetik dalgalar (veya fotonlar) şeklinde yayılan enerjidir. İletim ve taşınımdan farklı olarak ışınımla ısı transferi bir aracı ortam gerektirmez. Gerçekte, ışınımla ısı transferi en hızlı (ışık hızında) olanıdır ve boşlukta yavaşlamaz.

T_s termodinamik sıcaklığına sahip bir yüzeyden yayılabilecek maksimum ışınım hızı Stefan-Boltzmann kanunu ile;

Q’_{yayılan,maks} = σA_sT_s⁴  (W)

olarak verilmiştir. Burada σ = 5.670 × 10^-8  W/m².K⁴  değeri Stefan-Boltzman sabitidir. Bu maksimum hızla ışınım yayan ideal yüzeye, karacisim denir ve karacismin yaydığı ışınım karacisim ışınımı olarak adlandırılır. Bütün gerçek yüzeylerden yayılan ışınım, aynı sıcaklıktaki karacisim tarafından yayılan ışınımdan azdır ve

Q’_yayılan = εσA_sT_s⁴  (W)

olarak yazılır. Burada ε yüzeyin yayıcılığıdır. Değeri 0 ve 1 arasında değişen yayıcılık özelliği, bir yüzeyin yayıcılığı ε =1 olan karacisme ne kadar yakın olduğunun bir ölçüsüdür.

Yayıcılığı ε, yüzey alanı A_s ve termodinamik sıcaklığı T_s olan bir yüzey, T_çevre termodinamik sıcaklığında çok geniş (veya kara ) bir yüzeyle tamamen çevrelenmiş ve aralarında ışınımla etkileşmeyen hava gibi bir gaz olduğu zaman, bu iki yüzey arasında net ışınım ısı transfer hızı,

Q’_ışınım = εσA_s  (T⁴_s– T⁴_çevre )  (W)

ile verilmektedir. Bu özel durumda, çevredeki yüzeyin yayıcılığının ve yüzey alanının, net ışınım ısı transferi üzerinde herhangi bir etkisi yoktur.

Hava gibi bir gazla çevrili yüzeye (veya yüzeyden) ışınım ısı transferi, yüzeyle gaz arasındaki iletime-veya yığın hareket varsa taşınıma- paralel olarak gerçekleşir. Böylelikle toplam ısı transferi, iki ısı transfer mekanizmasının katkısı toplanarak belirleneir. Basitleştirme ve kolaylık için bu, çoğunlukla taşınım ve ışınımın ikisinin de etkilerini kapsayacak şekilde bir birleşik ısı transfer katsayısı h_birleşik tanımlanarak yapılır. O zaman bir yüzeyden veya yüzeye, taşınım ve ışınımla toplam ısı transfer hızı

Q’_toplam = h_birleşik A_s (T_s – T_∞)  (W)

olarak yazılır.

Fark edilebileceği gibi toplam ısı transfer katsayısı, aslında ışınım etkilerini de kapsayan bir taşınım ısı transfer katsayısıdır.

Işınım genellikle iletim veya doğal taşınımın yanında önemlidir; fakat zorlanmış taşınımın yanında ihmal edilebilir. Böylelikle zorlanmış taşınım uygulamalarında ışınım, özellikle söz konusu yüzeylerin yayıcılıkları düşük ve orta sıcaklıklarda iseler genellikle dikkate alınmaz. [5]

4. ISI DEĞİŞTİRİCİ

Sıcaklık farkları olan ve temas halinde bulunan iki veya daha fazla akışkan ya da bir katı ve bir akışkan ya da katı parçacıklar ile akışkan arasında termal enerji (entalpi) geçişini sağlayan cihazlara ısı değiştiriciler denir. Isı değiştirici sistemlerde çoğunlukla sistem dışından ısı veya iş alışverişi gerçekleşmez. Bu tip cihazlar hem günlük hayatımızda hem de termik santrallerin buhar jeneratörleri, kimya endüstrisinde damıtıcılar, ısıtma, havalandırma, iklimlendirme ve soğutma uygulamalarında buharlaştırıcı ve yoğuşturucular, elektronik cihazlarda soğutucular, otomobil radyatörleri, gaz türbin motorlardaki rejeneratörler gibi endüstriyel uygulamalarda yaygın kullanıma sahiptir. [6]

4.1. AKIŞKANLARIN TEMAS ŞEKLİNE GÖRE SINIFLANDIRMA

4.1.1. DOĞRUDAN TEMASLI ISI DEĞİŞTİRİCİLER

Doğrudan temaslı ısı değiştiricilerde; iki ayrı akışkan direk temasta bulunur, ısı transferi gerçekleşir ve tekrar ayrılırlar. Genellikle bu tip ısı değişiminde, ısı transferi yanı sıra kütle transferi de gerçekleşir. Doğrudan temas olmayan tipe göre; daha yüksek ısı transfer oranları yakalanır, ısı değiştirici imalatı ucuzdur ve ara yüzey olmadığı için tıkanma problemi de gerçekleşmez. Karışmayan akışkanlarla ısı değiştirici, gaz-sıvı ısı değiştirici ve sıvı-buhar ısı değiştiriciler olarak üçe ayrılabilirler. Karışmayan akışkanlarla ısı değiştiricilerde, iki akışkan birbiriyle temas eder. Akışkanlar tek veya iki faz da olabilir, örnek olarak su-yağ arası ısı değişimi verilebilir. Gaz-sıvı ısı değiştiricilerde; bir akışkan gaz (genellikle hava) iken diğer akışkan sıvıdır (genellikle su) ve enerji transferinden sonra ayrılmaya hazırdırlar. Bu ısı değiştiricilerde enerji transferinin % 90’ı kütle transferi yolu ile gerçekleşir. Örnek olarak; ıslak soğutma kulesi iklimlendirme sprey haznesi sayılabilir. [6]

4.1.2. DOĞRUDAN TEMAS OLMAYAN ISI DEĞİŞTİRİCİLER

Doğrudan temas olmayan ısı değiştiricilerde; akışkan akışları ayrıdır ve geçirimsiz (sızdırmaz) ayırıcı duvar sayesinde sıcak akışkandan soğuk akışkana sürekli ısı transferi gerçekleşir. Akışkanlar arasında temas yoktur, bu tip ısı değiştiricilere yüzey ısı değiştiricileri de denilir ve doğrudan transfer tipi, depolama tipi, akışkan yatak olarak üçe ayrılır. Depolama tipi ısı değiştiricilerde; iki akışkan sırayla aynı akış alanından geçer, bu sebeple ısı transferi aralıklıdır. Önce sıcak madde ara yüzden geçer ve ara yüzü ısıtır, daha sonra aynı bölgeden soğuk malzeme geçer ve sıcak ara yüzden ısı transfer eder. Isı transfer yüzeyi ya da akış alanı genellikle matris denilen hücresel yapıdadır veya delikli, geçirgen katı malzemedendir. Bu tip ısı değiştiricilere rejeneratör de denilir. Akışkan yataklı ısı değiştiricilerde ise; iki akışkandan bir tanesi kendi akış alanından geçerken, diğeri sıcak katı partiküllerin arasından geçmektedir. İkinci akışkan yeterince hızlandığında katı partiküller akışkan partiküllerine yapışarak diğer maddenin akış alanı etrafında homojen olarak dağılmaya başlarlar, bundan dolayı sıcak katı madde ile soğuk madde arasında daha iyi ısı transferi gerçekleşir. [6]

4.2. AKIŞ ŞEKİLLERİNE GÖRE SINIFLANDIRMA

Akış şekline göre sınıflandırma tek geçişli ve çok geçişli olarak iki ana grupta toplanabilir.

Tek Geçişli Isı Değiştiricileri: İki akışkanın ısı değiştirici içinde birbirine göre sadece bir kere karşılaştığı tiplerdir. Paralel, ters ve çapraz akımlı olmak üzere üç grupta incelenebilir:

4.2.1. PARALEL AKIMLI ISI DEĞİŞTİRİCİLER

Bu düzenlemede ısı değiştirici içindeki ısıtıcı akışkan ile ısıtılacak akışkan, değiştiricinin aynı ucundan girip birbirlerine paralel olarak akar ve değiştiricinin diğer ucundan çıkar. Bu tür ısı değiştiricilerde küçük çaplı bir boru ile bunun dışında aynı eksenli ikinci bir boru vardır. Birinci akışkan içteki boru içinden akarken ikinci akışkan iki boru arasındaki dairesel halkadan akar. Pratikte içte küçük çaplı çok sayıda boru, dışta ise bu boruları içine alabilecek gövde adı verilen büyük çaplı bir silindirden oluşur. Bu tip ısı değiştiricilerde, ısı değiştirici boyunca akışkan sıcaklığının değişimi tek boyutludur. Isı değiştiricinin ısı geçişi olan cidar sıcaklığı fazla değişmediğinden ısıl gerilmelerinin istenmediği yerlerde tercih edilir. [7]

4.2.2. TERS AKIMLI ISI DEĞİŞTİRİCİLER

Bu tipte akışkanlar ısı değiştirici içinde birbirine göre eksenel olarak paralel fakat ters yönde akar. Ters akımlı ısı değiştiricilerinde, değiştiricideki ortalama sıcaklık farkı ve etkenlik diğer bütün akış düzenlemelerine göre daha büyüktür. Bu üstünlüğünden dolayı bu tip ısı değiştiricileri pratikte tercih edilir. Isı geçişi olan malzeme sıcaklığının ısı değiştirici boyunca fazla değişmesi, bunun sonucu ısıl gerilmelerin artması ve imalattaki konstrüksiyon güçlükleri sebebiyle bu düzenleme bazen tercih edilmeyebilir. [7]

4.2.3. ÇAPRAZ AKIMLI ISI DEĞİŞTİRİCİLER

Bu düzenlemede ısı değiştirici içindeki akışkanlar birbirlerine dik olarak akar. Yapılan konstrüksiyona göre kanatlar veya şaşırtma levhaları yardımıyla akışkanlar değiştirici içinde ilerlerken kendi kendileri karşılaşabilir veya karşılaşmayabilir. Akışkan değiştirici içinde,  borular içinde akıyorsa ve bitişik kanal içindeki akışkan ile karışmıyorsa bu akışkana karışmayan adı verilir. Tersi durumda ise karışan akışkan adı verilir. Bu ısı değiştiricilerin ısı etkenliği; paralel akımlılardan daha iyi, ters akımlılardan kötüdür. İmalat kolaylığı bakımından kompakt ısı değiştiricilerin büyük çoğunluğu çapraz akımlı olarak üretilir. [7]

4.3. KONSTRÜKSİYON GEOMETRİSİNE GÖRE SINIFLANDIRMA

Konstrüksiyon (tasarım) geometrisine göre ısı değiştiricileri; borulu, plakalı, kompakt olmak üzere genel olarak üç alt başlık altında sınıflandırılabilir. Borulu ısı değiştiricileri; çift borulu, gövde boru tipi, spiral borulu olarak, plakalı ısı değiştiricileri; contalı-plakalı, spiral plakalı ve lamelli olarak, kompakt ısı değiştiricileri de plakalı-kanatlı, kanatlı-borulu olarak çeşitlendirilir. Daha büyük konstrüksiyon tipleri; tüplü, düzlemli ve uzatılmış yüzeyli ısı değiştiricileridir. [7]

4.3.1. BORULU ISI DEĞİŞTİRİCİLER (EŞANJÖRLER)

Bu tip ısı değiştiricilerinde genelde dairesel kesitli borular kullanılır. Dairesel kesitli borular diğer geometrik şekilli olanlara nazaran yüksek basınçlara dayanıklı olduklarından bu tip ısı değiştiriciler yüksek basınçlarda kullanılır. Borulu ısı değiştiricileri esas olarak borulardan yapılır. Boru demetleri bakır veya çelik borulardan oluşur. Bir akışkan borunun içerisinden akarken diğer akışkan borunun dışından akar. Boru çapı, boru sayısı, boru uzunluğu, boru adımı ve boru düzenlemesi değiştirilebilir. Bu nedenle borulu ısı değiştiricilerin dizaynlarında oldukça esneklik vardır. [7]

Kızgın sudan veya buhardan yararlanarak ısıtma için gerekli 90/70 ºC sıcaklıkta suyun elde edilmesinde genellikle borulu eşanjörler kullanılır. Borulu eşanjörler, gövde borulu,düz borulu ve spiral borulu olmak üzere üç sınıfta incelenebilir. [7]

4.3.1.1. GÖVDE BORULU ISI DEĞİŞTİRİCİLER

Proses endüstrisinde en yaygın olarak kullanılan ısı değiştirici tipidir. Kullanılan tüm ısı değiştiricilerinin % 60’ı gövde borulu ısı değiştiricidir. Gövde borulu ısı değiştirici, boru ekseni gövdenin eksenine paralel olacak şekilde büyük silindirik gövde içine yerleştirilen birbirine paralel yuvarlak borulardan yapılır.

Akışkanlardan birisi boruların içinden diğer akışkan ise gövde tarafında borulara paralel veya çapraz olarak akar. Temel elemanları; borular (veya boru demeti), gövde, iki baştaki kafalar, boruların tespit edildiği ön ve arka ayna ile gövde içindeki akışı yönlendiren ve borulara destek olabilen şaşırtma levhaları ve destek çubuklarıdır.

Isıl görev, basınç düşümü, basınç seviyesi, kirlenme, imalat yöntemi ve maliyeti, korozyon ve temizleme problemlerine bağlı olarak çeşitli gövde tarafı ve boru tarafı akış düzenlemeleri kullanılır. [7]

Avantajları

Hemen hemen tüm uygulamalar için kullanılabilir (örneğin petrol rafinerileri, termik santraller, kimya endüstrisi vs.)

Son derece esnek ve sağlam dizayna sahiptir.

Temizleme için demonte edilebilecek, sökülebilecek şekilde dizayn edilebilir.

Bakımı ve tamiri kolaydır.

Piyasadan çok kolay bir şekilde bulunabilir. Bu ısı değiştiricilerini sağlayan firma sayısı oldukça fazladır.

Çoklu üniteleri yapmak kolaydır.

Birçok metal ile imal edilebildiğinden akışkan sınırlaması çok azdır.

Dezavantajları

Yüksek plan alanı gerektirir. Bunun yanında demeti sökebilmek için ekstra alana gereksinim vardır.

16 bar basınç ve 200 ^OC sıcaklığın altındaki koşullarda plakalı ısı değiştiricileri daha ucuz olabilir. [7]

4.3.1.2. DÜZ (ÇİFT) BORULU ISI DEĞİŞTİRİCİLER

Düz (çift) borulu ısı değiştiricileri en basit ısı değiştirici tipidir. Bir borunun daha büyük çaplı bir boru içerisine eş merkezli olarak yerleştirilmesi ile elde edilir. Akışkanlardan biri içteki borudan akarken diğeri dışarıdaki borudan akar. Bu ısı değiştiriciler, istenen basınç düşümü ve sıcaklık farkı gereksinimlerini karşılamak için çeşitli seri ve paralel konfigürasyonlar şeklinde düzenlenebilir. İçteki boru tek veya çok borulu olabilir. Halkadaki ısı taşınım katsayısı düşükse eksenel kanatçıklara sahip iç boru (veya borular) kullanılabilir. [7]

Avantajları

Isıl kapasiteyi ve ısı geçiş yüzey alanını artırmak için seri hâlde montajları yapılabilir.

Karşıt akış elde etmek kolaydır.

Yüksek basınçlara dayanabilir.

Standart modüler konstrüksiyona sahiptir.

Bakımı ve tamiri kolaydır.

Temizlenmesi kolay olduğundan özellikle kirletici akışkanlar için uygundur.

Piyasada kolay şekilde bulunabilir.

Birçok metal ile imal edilebildiğinden akışkan sınırlaması çok azdır.

Dezavantajları

Yüksek ısıl kapasiteler (1 MW’den daha fazla) için pahalıdır. Özellikle küçük kapasiteler için uygundur. [7]

4.3.1.3. SPİRAL BORULU ISI DEĞİŞTİRİCİLER

Bir depo içine yerleştirilen spiral şeklinde sarılmış bir veya daha fazla borulardan oluşmaktadır. Isı transfer katsayısı, spiral bir boruda düz bir borudakinden daha yüksek olduğundan spiral sarım kullanılır. Bu ısı değiştiricileri genellikle havuz ve depolardaki akışkanların sıcaklık kontrolünde kullanılır. Helisel bir şekilde yapılabilen serpantinin adımı, sarım çapı ve alanı uygun bir şekilde seçilebilir. Küçük serpantinlerin depo içinde desteğe ihtiyacı olmamasına rağmen büyük serpantinlerin desteklenmesi gerekir. Bu tip ısı değiştiricilerde spiral boru dış yüzeyi ve depo içi kolaylıkla temizlenebilirken boru iç yüzeyi kolayca temizlenemez. Bu tip ısı değiştiricilerin depo tarafındaki debi ve akışkan hızları küçük olması nedeniyle ısıl kapasite debileri küçüktür. Temizleme hemen hemen imkânsız olduğundan temiz akışkanlar için uygundur. Soğutma sistemlerinde kullanılan kondanserler ve eş eksenli evaporatörler olarak dizayn edilir. [7]

Avantajları

Basit ve ucuz bir şekilde elde edilebilir.
Isıl genleşmenin oluşturduğu gerilme problemleri yoktur.
Spiral borunun dış yüzeyi ve depo kolaylıkla mekanik olarak temizlenebilir.

Dezavantajları

Spiral borunun iç yüzeyi mekanik olarak kolay bir şekilde temizlenemez. [7]

5. COMSOL TASARIM AŞAMALARI

İlk olarak COMSOL Multiphysics v4.3 programı açılır. Bu çalışmada 3D tasarım yapılacağından Model Wizard sekmesinden 3D işaretlenir ve ilerlenir. Add Physics bölmesinden sırasıyla; Heat Transfer, Conjugate Heat Transfer, Laminar Flow “+” simgesine basılarak eklenir. Bir ileri daha gidilerek Stationary işaretlenir ve Finish simgesi tıklanarak bu aşama tamamlanır.

Bundan sonraki aşama geometrilerin oluşturulması aşamasıdır. Geometry üzerine sağ tık yapılarak Block ve Cylinder eklenir.

Block-1 için değerler Şekil 5.2.’de gösterilmiştir.

Sonradan yatağın yan kenarlarına izolasyon amaçlı eklenen ve suyun içerisinden akacağı kanal için (block-2 ve block-3) değerler Şekil 5.3. ve 5.4.’ de gösterilmiştir.

Yatağın içerisine yerleştirilen 5 adet boru için değerler Şekil 5.5.’de verilmiştir.

Geometri oluşturulduktan sonra Global Definition sağ tıklanarak parametreler eklenir. Bu aşama geometri oluşturulmadan önce de yapılabilir çünkü burada yapılan işlem bazı değerlerin programa tanıtılması işlemidir. Bu kısım ilerleyen aşamalarda bize kolaylık sağlaması içindir. Global Definition’da girilen parametreler ve değişkenler bizi zorlu hesap işlerinden kurtarır ve programa bir kez değerleri tanıttıktan sonra uygun aşamalarda buradan değerleri çağırmak kolaylaşır. Global Definitions-Parameters kısmına girilen değerler Tablo 5.1.’ de gösterilmiştir.

Malzeme	Su (50 oC)	Pamuk	Yay
k (W/m.K)	0,644	0,06	15,1
c (J/kg.K)	4181	1300	480
ρ (kg/m3)	988,1	80	8055
µ (Pa.s)	0,000547	–	–
Referanslar	[3]	[4]	[4]

Tablo 5.1. Su, Pamuk Ve Yay İçin k, c, ρ Değerleri

Yatak, pamuk ve paslanmaz çelik (AISI 302) ten oluşan kompozit malzeme kabul edilmiştir. Yatak için sabitler hesaplanırken nanoakışkanlarda kullanılan bir formül kullanılmıştır. Nanoakışkanlarda kullanılan formül kompozit malzemeye (yatak) uyarlanmıştır.

k_eff =k_f × burada, ø=Vyay/Vtoplam ve k_f pamuğun k değeri, k_s yayın k değeri olarak kabul edilir.

Yatağın (ρC_p)değeri için de;

 (ρC_p)_eff = ø(ρC_p)_yay + (1- ø)(ρC_p)_pamuk formülü kullanılır. Bu iki formül programda Global Definitions-Variables tıklandığında açılan tabloya girilir. [1]

ø değeri bulunurken ilk olarak yay hacmi V=  πr² × h → h= n×2πR (r: telin yarıçapı, R: yayın yarıçapı, n: tur sayısı)

Yayın hacmi bulunurken silindir hacmi formülünden yola çıkılmıştır. Burada telin taban alanı πr² olarak, yükseklik ise bir turun çevresi ile tur sayısının çarpılması sonucu bulunur(h). Yay için değerler Tablo 5.2.’de verilmiştir. [9]

Tel çapı :	2,20 – 2,38 mm
Tur sayısı :	5
Yay çapı :	68 – 73 mm

Tablo 5.2. Yayın Tel Çapı, Yay Çapı Ve Tur Sayısı Değerleri

V_yay = πr² ×n×2πR = 2π²nRr² = 2 ×π²×5×35×1,1 = 3795,946 mm³

V_200tane = 200 × 3795,946 = 759189,2 mm³

ø = 759189,2 mm3 / (2 ×1×0,2) m3  × 10^-9 = 0,00189 ≈ 0,002 bulunur.

Bu değerler girildikten sonra Model Builder sekmesinde Conjugate Heat Transfer sağ tıklanır ve Fluid seçilir. Daha sonra akışkan kabul edilen yüzeyler tıklanır ve “+” simgesine basılarak eklenir. Basınç için Pressure (nitf/fluid1) seçilir ve sırayla su için girilen parametreler (user defined) seçilerek girilir. Ratio of specific heats değeri 1 girilir. Akışkan için programın kullandığı denklemler (Süreklikik, Navier-Stokes ve Enerji denklemi) Şekil 5.10.’da görülebilir.

Akışkan değerleri girildikten sonra akışkan olmayan bölgeler için Heat Transfer In Solid seçilir ve değerler girilir. Burada önemli nokta, yatak için ρ ve C_p değerlerinin çarpımını girmemiz gerektiğinden ρ’ nun değerini girerken user defined diyerek (ρC_p)_eff değeri için programa tanıttığımız parametreyi (rocpeff) yazarız. C_p değerini gireceğimiz kısıma ise 1 yazarız. Programda tanımlanmış formül bu iki değeri denkleme koyarak çarpacağından ρ veya C_p değeri girerken birine programa tanıttığımız çarpım değerini, diğerine ise 1 değerini girmemiz gerekir.

Yatağın izole edilmeyen kısımlarında taşınımla ısı kayıpları olacağından buralar için “h” değerleri tanımlanmalıdır. Bunun için Conjugate Transfer-Heat Transfer In Solid-Convective Cooling tıklanır. Bu işlem 3 kez tekrarlanır. Daha sonra yatağın üst kısmından olacak kayıplar için h_yukarı ısı taşınım katsayısı, yatağın aşağı bakan yüzeyindeki ısıl kayıplar için h_aşağı ve yatağın düşey kısımlarından olacak kayıplar için de h_düşey katsayısı bulunur ve bulunan değerler girilir. Bu değerler bulunurken dış ortam sıcaklığı 15 ^oC seçildiğinden T_ext için 15 yazılır. “h” değerleri bulunurken yapılan Rayleigh hesaplanmasında T_s ve T_∞ değerleri sırasıyla 55 ve 15 ^oC alınır. Bu iki değerin toplamının ikiye bölümü sonucunda T_f değeri = 35 ^oC bulunur. Havanın 1 atm basınçta özellikleri tablosundan 35 ^oC için k,υ(kinematik viskozite), Pr(Prandtl sayısı) okunur [5]. Daha sonra Ra_L değeri hesaplanır. Çıkan sonuç Rayleigh sayısı için belirlenen hangi aralığa düşüyorsa bu aralık için bulunmuş Nusselt sayısının hesaplandığı formülde yerine konur ve Nusselt sayısı hesaplanır. Daha sonra “h” değeri bulunur. Bu şekilde 3 durum için ayrı ayrı h değerleri bulunur ve her birinde T_ext değeri 15 olarak yazılır.

Akışkanın giriş ve çıkış değerlerini belirlemek için Conjugate Heat Transfer sağ tıklanır Laminar Flow-inlet/outlet seçilir.

Akışkanın girdiği kısım işaretlenir ve “+” simgesine basılarak eklenir. U₀  ilk hız değeri daha önceden tanımlanmış U_in değeri girilir. U_in değeri şu şekilde bulunur;

U × πd2/4 = U_in × A_k  → 0,3 m/s × π/4 (0,0127)²  = U_in × 0,02

U_in buradan 0,0019 bulunur ve yaklaşık 0,002 m/s alınır. [8]

Outlet için çıkış yüzeyi seçilir ve eklenir. P₀ değeri 0 Pa alınır. Conjugate Heat Transfer-Heat Transfer In Solid-Temperature seçilir ve giriş sıcaklığı belirlenir. Giriş sıcaklığı 55^oC girilir. Model Builder kısmında Study açılır ve Compute tıklanarak program çalıştırılır. Results-Derived Values-Surface Average açılır Expression T yazılır ve sırayla aşağı bakan yüzey, yukarı bakan yüzey ve dik yüzeyin sıcaklıkları okunarak yukarıda hesaplanan h değerleri bu mantıklı T_s değerleri ile tekrar hesaplanır.

Yeni T_s değerleri; T_aşağı=23,64≈24, T_yukarı=21,5≈22 ve T_dik=21,32≈22 alınarak 3 durumdaki h değerleri yeniden hesaplanır ve programa girilir. Son elde edilen h değerleri böylelikle; h_aşağı=1,572, h_yukarı=3,4155 ve h_dik=3,6646 bulunur ve tekrar program çalıştırılarak gerçek yüzey sıcaklıklarına bakılır. (T_aşağı– T_yukarı– T_dik)

6. ANALİZ SONUÇLARI

Son aşamada yeni h değerleri de bulunup programa girilidikten sonra program giriş sıcaklıkları değiştirilerek analiz sonuçları değerlendirilir. Sonuçlar için ilk olarak 50 ^oC giriş sıcaklığı için kesitlerde ve yüzeylerdeki sıcaklıklara ve kesitlerdeki hızlar; daha sonra giriş sıcaklıkları değiştirilerek 55 ^oC ve 60 ^oC için sonuçlar bulunur. Model Builder sekmesinde Study açılır ve Compute tıklanarak sonuçlar alınır. Mesh işlemi tamamlandıktan sonra 3D Plot Group-Slice yüzey sıcaklıkları için Plane zx seçilir ve Expression kısmına T yazılarak Plot denir ve Şekil 6.1. Graphics kısmında elde edilir. Daha sonra Plane xy seçilir ve boru kesitlerindeki değerler Şekil 6.2.’ de görüldüğü üzere elde edilir ve son olarak Plane xy seçlir, Expression v yazılır ve boru kesitlerindeki hız değerleri Şekil 6.3.’ de görüldüğü üzere elde edilir. Giriş sıcaklığı 55 ^oC ve 60 ^oC için değiştirilerek program tekrar çalıştırılır analiz sonuçları 50 ^oC için yapıldığı şekilde tekrarlanır.

Değişen giriş sıcaklıklarına bağlı olarak ortalama yüzey sıcaklıkları için Results-Derived Values-Surface Average seçilir. Farklı giriş sıcaklıklarındaki ortalama yüzey sıcaklık değerleri Tablo 6.1.’de verilmiştir.

Giriş Sıcaklığı (oC)	Taşağı bakan yüzey	Tyukarı bakan yüzey	Tön dik yüzey (izolasyonsuz)	Tarka dik yüzey (izolasyonsuz)
50	24,586	22,680	22,450	22,226
55	25,955	23,777	23,514	23,259
60	27,324	24,875	24,578	24,291

Tablo 6.1. 50 ^oC, 55 ^oC ve 60 ^oC Giriş Sıcaklıklarında Surface Average

KAYNAKLAR

[1] J.C. Maxwell, A Treatise On electricity and Magnetism, Vol-II Oxford Clerandon, P.54, (1873).

[2] GÜNERHAN H, ERKEK M, Isı Transferi dersi özet bilgiler, EGE ÜNİVERSİTESİ, (2006).

[3] ÇENGEL A.Y., CIMBALA M.J., Akışkanlar Mekaniği, Birinci Baskıdan Çeviri, (2008)

[4] BERGMAN L.T., LAVINE S.A., INCROPERA P.F., DEWITT P.D., FUNDAMENTALS OF HEAT AND MASS TRANSFER, Seventh Edition, (2011)

[5] ÇENGEL Y, Isı ve Kütle Transferi, Üçüncü Basım, (2011)

[6] Kaçar, E. N., Erbay, L. B. “Isı Değiştiricilerin Tasarımına Bir Bakış,” Mühendis ve Makina, cilt 54, sayı 644, s.14-43, (2013)

[7] T.C. Milli Eğitim Bakanlığı, Kimya Teknolojisi, Isı Değiştiriciler, Ankara 2013

[8] KÜÇÜKA S., MUSAOĞLU E., Kalorifer Tesisatında Hidrolik Dengesizliğin Radyatör Debileri ve Isı Aktarımlarına Etkisi, VIII. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi

[9] http://www.nuryay.net/herkul-yay.html

[10] https://www.comsol.com/comsol-multiphysics