NOJ j

DENEY NO 7: KAYNAMA VE YOĞUŞMA

NOT: A grubu 16 Nisan Pazartesi 16:30’da, B grubu 7 Mayıs Pazartesi 16:30’da deneye

katılacaktır.

A) KAYNAMA VE YOĞUŞMA EĞİTİM SETİ ŞEMASI

Kontrol ekranı

Ana şalter Acil durum b.

Pompa

Baypas valfi

Kaynatıcı

Yoğuşturucu

Su

debimetresi

Elektrikli ısıtıcı

Rezistans yük düğmesi

Manometre

Y.basınç

anahtarı T1

T2

T3 T4

T5

B) MALZEME LİSTESİ VE ÖLÇÜLER

MALZEMENİN ADI ADEDİ ÖZELLİĞİ

Cam tüp 2 V=3 [L]

Isıtıcı rezistans 1 1511 W (Maksimum) A=0.087 [m2]

Sulu ısı değiştirici 1 3/8”-R12 cm, A= 0.08 [m2]

Debimetre 1 Rotametre tipi (100-1000 L/h]

PLC Kontrol ekranı 1 Delta 185mm x145 mm

Manometre 1 0-20 bar

Dişli pompa 1 Winman

Baypas vanası 1 ½” küresel musluk

Sıcaklık hissedicileri 4 PT100 dişli

B) KAYNAMA VE YOĞUŞMA

1. GİRİŞ

Kabarcıklı kaynama yüzey sıcaklığı sıvı doyma sıcaklığından belli miktarda daha yüksek sıcaklığına sahip ısı akısı olan yerlerdeki kaynama

tipidir, ancak kritik ısı akısının altındadır. Su için aşağıdaki grafikte gösterildiği gibi yüzey sıcaklığı, sıvı doyma sıcaklığından (Ts) 4°C ila 30°C

daha yüksektir. Kritik ısı akısı grafikte kabarcıklı kaynama ile geçiş kaynaması arasındaki en yüksek noktadır.

2. MEKANİZMA

Çekirdek kaynama kademesinde iki farklı akış rejimleri ayırt edilebilir. Sıcaklık farkları doyma sıcaklığından (Ts) 4°C ila 30°C daha yüksek ise

kabarcıklaşma yerlerinde yalıtımlı kabarcık yapısı oluşur ve yüzeyden ayrılır. Bu ayrılma sıvı yüzeyine yakın yerlerde karışıma neden olur,

esasında ısı transfer katsayısı ve ısı akısı artmaktadır. Bu rejimde ısı transferinin çoğu yüzeye doğrudan temas eden sıvı yoluyla oluşur ve yüzeye

yükselen buhar kabarcıklarıyla oluşmaz.

Doyma sıcaklığından (Tsat) 10°C ila 30°C arasında yüksekte olduğunda ikinci bir akış rejimi gözlenir. Daha fazla çekirdekleşme yerleri aktif

olmaya başladığında artan kabarcık oluşumu kabarcık girişimine ve birleşmesine neden olur. Bu rejimde buhar; fışkırmalar (jetler) veya kolonlar

şeklinde sıklıkla buhar girdapları halinde birleşerek serbest kalır.

Çok sayıdaki kabarcıklar arasındaki girişim sıvının yüzey civarına hareketini engeller. Bu durum grafikte yön değişimi olarak veya kaynama

eğrisinde bir dönüm noktası olarak görünür. Bu noktadan sonra ürün ısı transfer katsayısı ve sıcaklık farkı artmaya devam ederken ısı transfer

katsayısı azalmaya başlar.

Sıcaklık farkındaki bağıl artış ısı transfer katsayısındaki bağıl azalma ile dengelenirken grafiğin pik noktasında görüldüğü gibi en yüksek ısı akısı

başarılır. Bu kritik ısı akısıdır. Bu nokta maksimum olup önemli miktarda buhar oluşumu yüzeyden ısıyı almak için yüzeyin sürekli sıvı ile

temasını güçleştirir. Bu durum bu noktadan sonra ısı akısının azalmasına neden olur. Daha ileri durumda film kaynaması yaygın olarak

Leindenfrost etkisi gözlemi olarak bilinir.

.

Şekil-1 Suyun sıcak bir levha üzerinde davranışı. Grafik ısı transferi (akısı) ile Ts doyma sıcaklığının üzerindeki sıcaklıkla ilişkisi

Şekil-2 Suyun 1 atm basınçtaki kaynama eğrisi

Buhar kabarcıkları oluşumu işlemi şayet duvar sıcaklığı sıvının doyma sıcaklığının üzerine yükselirken sıvı aşırı soğutulmuş sıvı yığını halinde

ise sıvı içinde duvara yakın mikro boşluklar oluşur. Kabarcıklar belirli bir kritik boyuta ulaşıncaya kadar büyümeye devam eder, bu noktada

duvar yüzeyinden ayrılır ve ana sıvı akıntısı ile taşınır. Kabarcık sıcaklığı ısı transfer yüzeyi kadar sıcak olmadığından kabacıklar oluştuğu yerde

sönerler. Ayrıca su sıcaklığı kabarcıklaşma noktasına ulaştığında bir su ısıtıcısı sesler çıkararak bu sönüşten haber verir.

Çekirdek kaynama esnasında ısı ve kütle transferi, ısı geçişinde önemli bir etkiye sahiptir. Bu ısı transfer işlemi ısı transfer yüzeyinde oluşturulan

ısı enerjisinin hızlı ve verimli şekilde uzaklaştırılmasına yardımcı olur ve böylelikle bazen soğutkan olarak sıvı ortam kullanılması istenir (Örnek

olarak nükleer santrallerde).

Çekirdek kaynama etkileri aşağıdaki iki yerde ortaya çıkar:

Sıvı-duvar ara yüzü

Kabarcık-sıvı ara yüzü

Çekirdek kaynama işlemi karmaşık bir yapıya sahiptir. Sınırlı sayıda deneysel çalışmalar kaynama olayı için değerli gözlemler ortaya koymuştur,

ancak bu çalışmalarda genellikle iç hesaplamalar nedeniyle çelişkili veriler mevcuttur ve henüz modelleri ve korelâsyonlar geliştirmek için kesin

bulgular sunmamışlardır. Çekirdek kaynaması olayı hala daha anlaşılır olmaya muhtaçtır.

3. KAYNAMA ISI TRANSFERİ BAĞINTILARI

Çekirdek kaynama rejimi mühendisler için önemlidir çünkü makul sıcaklık farklarıyla yüksek ısı akışları sağlamak mümkündür. Bu denklem

formu ile bağıntı kurulabilir:

Nusselt sayısı olarak tanımlanır,

burada q/A toplam ısı akısıdır, yüzeye çıkarken maksimum kabarcık çapı, aşırı sıcaklıktır, sıvının termal iletkenliğidir ve

sıvının Prandtl sayısıdır. Kaynama Reynolds sayısı şu şekilde tanımlanır,

Burada yüzeyi terk eden ortalama buhar kütle hızı ve sıvı viskozitesidir.

Rohsenow çekirdek kaynama için birinci ve en yaygın olarak kullanılan ilişki geliştirdi,

Burada sıvının ısıl kapasitesidir. yüzey sıvı birleşimi olup, sıvı ve yüzey çeşitli kombinasyonları için değişebilir. Örnek olarak su ve

nikel = 0.006 yüzey birleşimine sahiptir

TABLO Çeşitli yüzey-sıvı bileşimleri için değerleri.

Yüzey sıvı bileşimleri

Su/bakır 0.013

Su/nikel 0.006

Su/platin 0.013

Su/pirinç 0.006

Su/paslanmaz çelik, mekanik parlatmalı 0.0132

Su/paslanmaz çelik, kimyasal parlatmalı 0.0133

Su/paslanmaz çelik, zemin ve cilalı 0.080

(karbon tetra klorür) / bakır 0.013

Benzene/krom 0.0101

n-Pentan/krom 0.015

Etil alkol/krom 0.0027

Izo propil alkol/bakır 0.0025

n-Butil alkol/bakır 0.003

4. TEPE ISI AKISI

Kaynama ısı transferi cihazlarının tasarımında yanma tehlikesinden kaçınmak için, tasarımcının maksimum ısı akısını bilmesi son derece

önemlidir. Kabarcıklı kaynamada maksimum (veya kritik) ısı akısı teorik olarak çok farklı yaklaşımlarla, Rusya’da 1948’de S.S. Kutateladze ve

ABD’de 1958’de N. Zuber tarafından bulundu ve

�̇�𝑚𝑎𝑥 = 𝐶𝑘𝑟ℎ𝑓𝑔[𝜎𝑔𝜌𝑣2(𝜌𝑙 − 𝜌𝑣)]1/4

olarak ifade edildi; burada 𝐶𝑘𝑟 ısıtıcı geometrisine bağlı bir sabittir. Lienhard ve arkadaşlarının çalışmaları 𝐶𝑘𝑟 değerinin 0.15 civarında olduğunu

göstermiştir. Yüzey gerilmesi 𝜎 etil alkol için; 10 ile 70 °C arasında (0.0241-0.000083T) bağıntısı ile bulunur. Burada T, °C olarak sıcaklıktır.

5. MİNİMUM ISI AKISI

Film kaynama rejimindeki ısı akısının en düşük sınırını gösterdiği içinm Leidenfrost noktasında meydana gelen minimum ısı akısı, uygulamada

ilgi uyandırır. Zuber, stabilite teorisini kullanarak geniş yatay plakada minimum ısın akısı için

�̇�𝑚𝑖𝑛 = 0.09𝜌𝑣ℎ𝑓𝑔 [𝜎𝑔(𝜌𝑙 − 𝜌𝑣)

(𝜌𝑙 − 𝜌𝑣)2]

1/4

İfadesini türetmiştir. Ancak bu bağıntılar bile deneysel sonuçlara göre %50 hatalar içerebilmektedir.

6. ÇEKİRDEK KAYNAMADAN AYRILIŞ

Şayet kaynayan sistemden ısı akısı sistemin kritik ısı akısından daha fazla ise kabarcıklı sıvı kaynayabilir veya bazı durumlarda kabarcıklı sıvı,

küçük kanallardan geçerken kaynayabilir.

Böylelikle büyük kabarcık oluşumu sıvı yolunu tıkayabilir. Bu sonuçlar bir çekirdek kaynamadan ayrılış (ÇKA) durumu olup buhar kabarcıkları

kanal katı yüzeyinden çok uzaklaşamaz, kabarcıklar kanalı veya yüzeyi kaplar ve ısı akısı önemli ölçüde azalır. Buhar aslında kabarcıklı sıvı

yüzeyini sıcak yüzeyden izole eder.

ÇKA esnasında yüksek ısı akısını sağlamak üzere yüzey sıcaklığı, kabarcıklı sıvı sıcaklığının üzerinde olmak zorundadır. Kritik ısı akısından

kaçınmak nükleer reaktörler gibi ısı transfer uygulamalarında bir mühendislik problemidir, çünkü reaktörlerde yakıt pillerinin çok ısınmasına izin

verilmez. ÇKA durumundan pratikte sıvı basıncını, debisini arttırdığı için kaçınmak gerekebilir veya daha yüksek kritik ısı akısına sahip düşük

sıcaklıklı sıvı kullanımı ile CKA durumu ortaya çıkabilir. Şayet sıvı sıcaklığı çok düşük veya sıvı basıncı çok yüksek ise çekirdek kaynaması

mümkün olmayabilir.

ÇKA aynı zamanda geçiş kaynaması, kararsız film kaynaması ve kısmi film kaynaması olarak bilinir. Su kaynaması grafikteki göründüğü

gibi yüzey sıcaklığı ile su kaynama sıcaklığı arasındaki fark 30°C ila 120°C üzerinde olduğunda geçiş kaynaması ortaya çıkar. Bu durum

kaynama eğrisinde yüksek noktada ve düşük noktada pik olarak ortaya çıkar. Düşük nokta, geçiş kaynaması ve film kaynaması arasında

Leidenfrost Noktası’dır. Suyun geçiş kaynaması sırasında kabarcık oluşumu çok hızlıdır böylece bir buhar filmi veya yüzeyde bir tabakalaşma

başlar. Buna rağmen yüzeyin herhangi bir noktasında şartlar film ve çekirdek kaynaması arasında salınım yapar, ancak toplam yüzey kısmı

sıcaklık farkının artmasıyla artan film tabakası ile kaplanır. Buharın termal iletkenliği sıvıdan daha az olduğundan taşınılma ısı transfer katsayısı

ve ısı akısı sıcaklık farkının artmasıyla azalacaktır.

7. YATAY BORU ÜZERİNDE FİLM YOĞUŞMA

Şekil-4 Bir yatay boruda film yoğuşma için yoğuşma modeli

Alt altta yatay borular üzerindeki yoğuşma olayının şematik şekli Şekil-3’te gösterildiği gibidir. Yatay boru ve küre üzerinde film yoğuşma için

Nusselt’in analizi;

Burada hD ortalama ısı taşınım katsayısı ve D boru çapıdır. Yatay boru demetleri üzerindeki yoğuşma halinde ortalama ısı taşınım katsayısı,

yatay boru sıra sayısı N olmak üzere,

ℎ̅𝐷,𝑁 = ℎ̅𝐷

𝑁

Bağıntısı ile ya da aşağıdaki bağıntı ile hesaplanır. Burada hD,N boru demeti halinde ortalama ısı taşınım katsayısı ve N alt alta boru demeti

sayısıdır.

Ortalama yoğuşma ısı taşınım katsayısı hD, Reynolds sayısı ile şu şekilde yazılabilir:

Ortalama yoğuşma ısı taşınım katsayısı hD, Nusselt, Rayhleigh ve Jakob sayıları ile ifade edilebilir:

A) DENEY NO: 1

B) DENEYİN ADI: Sabit kaynama sıcaklığında sistem enerji dengesinin bulunması

C) DENEYİN AMACI: Sabit sıcaklıkta gerçekleşen bir kaynama olayında termodinamiğin 1. Kanununa göre enerji dengesinin nasıl

hesaplandığını kavramak.

D) GEREKLİ ALET VE CİHAZLAR

E) DENEYİN YAPILIŞI:

1) Ana şalteri açın.

2) Kontrol paneli üzerinden pompayı çalıştırın.

3) Su debisini ayar vanası yardımıyla 300 L/h değerine ayarlayın.

4) Etil alkol seviyesi ısıtıcı yüzeyini kapladığında ısıtıcıyı devreye sokun.

5) Rezistans yük düğmesinden giriş gücünü 1500 W civarına ayarlayın ve T1 sıcaklık ayarını 60°C’ye ayarlayın.

6) Şartların kararlı hale gelmesini bekleyin.

7) Şartlarda kararlılık sağlanınca ölçüm değerlerini de tabloya kaydedin.

8) Tablo değerlerine bağlı olarak örnekte gösterilen gerekli hesaplamaları yapın.

9) Pompa ve ısıtıcıyı devre durdurun, ana şalteri kapatın.

F) RAPORDA İSTENENLER: Deney no, deneyin adı ve amacı, tablo değerleri ve hesaplamalar.

Sistem basıncı, P [bar]

Buharlaştırıcı sıcaklığı t1 [°C]

Yoğuşturucu sıcaklığı, t2 [°C]

Su giriş sıcaklığı, t3 [°C]

Su dönüş sıcaklığı, t4 [°C]

Isıtıcı yüzey sıcaklığı, t5 [°C]

Kaynama sıcaklık farkı, t5-t1 [°C]

Sıvı (etil alkol) debisi, �̇�𝑎, [g/s]

Soğutma suyu debisi, �̇�𝑠𝑢 [L/h]

Isıtıcı rezistans gücü, Pe [W]

HESAPLAMALAR

Buharlaştırıcı İçin Toplam Isı Akısı (Isıl kapasite):

𝑄�̇� = �̇�𝑎ℎ𝑓𝑔 [W]

�̇�𝑎: Etil alkol debisi

ℎ𝑓𝑔: Etil alkol buhar entalpisi

Yoğuşturucu İçin Toplam Isı Akısı (Isıl kapasite):

�̇� = �̇�𝑠𝑢𝐶𝑝𝑠𝑢(𝑡4 − 𝑡3)

Kaybolan Isıl Güç:

Termodinamiğin 1. Kanununa göre sistem için şu bağıntı yazılabilir:

�̇�𝑘𝑎𝑦𝚤𝑝 = 𝑃𝑒𝑙 − �̇�𝑠𝑢

�̇�𝑠𝑢: Yoğuşturucuda suya verilen ısı [W]

𝑃𝑒𝑙: Buharlaştırıcıda elektriksel olarak verilen ısıl güç [W]

�̇�𝑘𝑎𝑦𝚤𝑝: Sistemden ışınım ve taşınım yoluyla ortama kaçan ısı [W]

A) DENEY NO: 2

B) DENEYİN ADI: Sabit kaynama sıcaklığında ısı akısı ve yüzeysel ısı taşınım katsayısının bulunması

C) DENEYİN AMACI: Sabit sıcaklıkta ısıl kapasite ve yüzeysel ısı taşınım katsayısının nasıl hesaplandığını kavramak

D) GEREKLİ ALET VE CİHAZLAR

E) DENEYİN YAPILIŞI:

1) Ana şalteri açın.

2) Kontrol paneli üzerinden pompayı çalıştırın.

3) Su debisini ayar vanası yardımıyla 300 L/h değerine ayarlayın.

4) Etil alkol seviyesi ısıtıcı yüzeyini kapladığında ısıtıcıyı devreye sokun.

5) Rezistans yük düğmesinden giriş gücünü 1500 W civarına ayarlayın ve T1 sıcaklık set değerini 60°C’ye ayarlayın

6) Şartların kararlı hale gelmesini bekleyin.

7) Şartlarda kararlılık sağlanınca ölçüm değerlerini de tabloya kaydedin.

8) Tablo değerlerine bağlı olarak örnekte gösterilen gerekli hesaplamaları yapın.

9) Pompa ve ısıtıcıyı devre durdurun, ana şalteri kapatın.

F) RAPORDA İSTENENLER: Deney no, deneyin adı ve amacı, tablo değerleri ve hesaplamalar.

Sistem basıncı, P [bar]

Buharlaştırıcı sıcaklığı t1 [°C]

Yoğuşturucu sıcaklığı, t2 [°C]

Su giriş sıcaklığı, t3 [°C]

Su dönüş sıcaklığı, t4 [°C]

Isıtıcı yüzey sıcaklığı, t5 [°C]

Kaynama sıcaklık farkı, t5-t1 [°C]

Sıvı (etil alkol) debisi, �̇�𝑎, [g/s]

Soğutma suyu debisi, �̇�𝑠𝑢 [L/h]

Isıtıcı rezistans gücü, Pe [W]

Buharlaştırıcı İçin Toplam Isı Akısı (Isıl kapasite):

𝑄�̇� = �̇�𝑎ℎ𝑓𝑔 [W]

�̇�𝑎: Etil alkol debisi

ℎ𝑓𝑔: Etil alkol buhar entalpisi

Yüzeysel Isı Taşınım Katsayısının Bulunması:

�̇�𝑒𝑙 = ℎ̅𝐷,𝑁𝐴𝑅∆𝑇𝑚

𝐴𝑅:Isıtıcı yüzeyi=0.087 [m2] ∆𝑡 = 𝑡5 − 𝑡1

A) DENEY NO: 3

B) DENEYİN ADI: Yoğuşturma kapasitesi, yüzeysel taşınım katsayısı ve Nusselt Sayısının hesaplanması

C) DENEYİN AMACI: Yoğuşturucuda ısıl kapasite ve yüzeysel ısı taşınım katsayısının nasıl hesaplandığını kavramak

D) GEREKLİ ALET VE CİHAZLAR

E) DENEYİN YAPILIŞI:

1) Ana şalteri açın.

2) Kontrol paneli üzerinden pompayı çalıştırın.

3) Su debisini ayar vanası yardımıyla 300 L/h değerine ayarlayın.

4) Etil alkol seviyesi ısıtıcı yüzeyini kapladığında ısıtıcıyı devreye sokun.

5) Rezistans yük düğmesinden giriş gücünü 1500 W civarına ayarlayın ve T1 sıcaklık set değerini 60°C’ye ayarlayın

6) Şartların kararlı hale gelmesini bekleyin.

7) Şartlarda kararlılık sağlanınca ölçüm değerlerini de tabloya kaydedin.

8) Tablo değerlerine bağlı olarak örnekte gösterilen gerekli hesaplamaları yapın.

9) Pompa ve ısıtıcıyı devre durdurun, ana şalteri kapatın.

F) RAPORDA İSTENENLER: Deney no, deneyin adı ve amacı, tablo değerleri ve hesaplamalar.

Sistem basıncı, P [bar]

Buharlaştırıcı sıcaklığı t1 [°C]

Yoğuşturucu sıcaklığı, t2 [°C]

Su giriş sıcaklığı, t3 [°C]

Su dönüş sıcaklığı, t4 [°C]

Isıtıcı yüzey sıcaklığı, t5 [°C]

Kaynama sıcaklık farkı, t5-t1 [°C]

Sıvı (etil alkol) debisi, �̇�𝑎, [g/s]

Soğutma suyu debisi, �̇�𝑠𝑢 [L/h]

Isıtıcı rezistans gücü, Pe [W]

HESAPLAMALAR

Yoğuşturucu İçin Toplam Isı Akısı (Isıl kapasite):

�̇�𝑠𝑢 = �̇�𝑠𝑢𝐶𝑝𝑠𝑢(𝑡4 − 𝑡3)

Ortalama Yüzeysel Isı Taşınım Katsayısı

ℎ̅𝑑,𝑁 =�̇�𝑠𝑢

𝐴 ∆𝑇

A=0.08 [m2]

T=(t2-tort) [°C]

𝑡𝑜𝑟𝑡 =𝑡3 + 𝑡4

2

Nusselt Sayısının Bulunması

𝑁𝑢𝐷 =ℎ̅𝐷,𝑁 𝐷

𝑁 𝑘𝐿

N=7 (sıra sayısı)

kL=0.1762 (Tablo Ek-1’den) (sıvı termal iletkenlik)

EK-1 Etil Alkol (etanol) Termofiziksel Özellikleri

Etanol, C2H5OH, Moleküler ağırlık: 46.0, (Tdoy. = 78.3 °C; Tm = -114.5 °C)

T

Sıcaklık.

(˚C)

pv doyma

basıncı

(105 Pa)

Gizli Isı

(kJ/kg)

ρℓ

Sıvı yoğunluğu

(103 kg/m³)

ρv

Buhar yoğunluğu

(kg/m³)

μℓ

Sıvı viskozitesi

(10-3 N-s/m²)

μv

Buhar viskozitesi

(10-5 N-s/m²)

kℓ sıvı termal

iletkenlik

(W/m-K)

kv buhar termal

iletkenlik

(W/m-K)

σ

sıvı yüzey gerilimi

(10-3N/m)

cp,ℓ

Sıvı özgül ısı

(kJ/kg-K)

cp,v

buhar özgül ısı

(kJ/kg-K)

0 0.012 1048.4 0.901 0.036 1.7990 0.774 0.183 0.0117 24.4 2.27 1.34

20 0.058 1030.0 0.800 0.085 1.1980 0.835 0.179 0.0139 22.8 2.40 1.40

40 0.180 1011.9 0.789 0.316 0.8190 0.900 0.175 0.0160 21.0 2.57 1.48

60 0.472 988.9 0.770 0.748 0.5880 0.959 0.171 0.0179 19.2 2.78 1.54

80 1.086 960.0 0.757 1.430 0.4320 1.030 0.169 0.0199 17.3 3.03 1.61

100 2.260 927.0 0.730 3.410 0.3180 1.092 0.167 0.0219 15.5 3.30 1.68

120 4.290 885.5 0.710 6.010 0.2430 1.157 0.165 0.0238 13.4 3.61 1.75

140 7.530 834.0 0.680 10.670 0.1900 1.219 0.163 0.0256 11.2 3.96

160 12.756 772.9 0.650 17.450 0.1500 1.293 0.161 0.0272 9.0

180 19.600 698.8 0.610 27.650 0.1200 1.369 0.159 0.0288 6.7

200 29.400 598.3 0.564 44.480 0.0950 1.464 0.157 0.0395 4.3

220 42.800 468.5 0.510 74.350 0.0725 1.618 0.155 0.0321 2.2

240 60.200 280.5 0.415 135.500 0.0488 1.948 0.153

0.1