Akademik Veri Yönetim Sistemi
Tez Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: İstanbul Teknik Üniversitesi, Makina, Makina Mühendisliği, Türkiye
Tez Danışmanı: Lütfullah Kuddusi
Tezin Onay Tarihi: 2021
Tezin Dili: Türkçe
Desteklendiği Program: Öğretim Üyesi Yetiştirme Programı (ÖYP)
Özet:
Kanala kavis verildiğinde veya kanal içerisine gözenekli ortam yerleştirildiğinde ısı geçişinde iyileşmeler söz konusudur. Eğrisel kanallarda akışkanın kanal içerisindeki akış hareketinden kaynaklı ikincil akışlar meydana gelmektedir. Gözenekli ortamda ise gözeneklerin varlığı, akış hareketini karıştırmakta ve katı ile akışkan temas alanını arttırmaktadır. Eğrisel kanallar veya gözenekli ortamlar, petrolün çıkartılmasında, kimyasal ve nükleer reaktörlerin tasarımında, nükleer atıkların depolanmasında, elektronik parçaların soğutulmasında, ısı değiştiricilerinde, yalıtım uygulamalarında ve uzay araçlarının soğutulması gibi pek çok bilimsel alanda kullanılmaktadır.
Eğrisel kanalda veya gözenekli kanalda yapılan akış ve ısı geçişi sonuçları, eğrisel gözenekli kanalda akış ve ısı geçişi sonuçları için geçerlilik sağlamayabilir. Bu iki farklı durumdaki ısı geçişini iyileştiren parametrelerin bir arada olması durumunda, ısı geçişine nasıl etkileyeceği bilinmemektedir. Bu nedenle eğrisel gözenekli kanalda akış ve ısı geçişini anlayabilmek için teorik, sayısal ve deneysel verilere ihtiyaç duyulmaktadır.
Bu bilimsel açığı aydınlatmak için bu çalışmada, kanalın hem eğrisel hem de içerisinde gözenekli ortam bulunması durumunda kanaldaki akış ve ısı geçişi deneysel olarak incelenmiştir. Eğrisel kanal parametrelerinden olan eğrilik yarıçapının üç farklı değeri ile gözenekli ortamın parametrelerinden olan bilye çapının üç farklı değerinde akış ve ısı geçişi incelenmiştir. Ayrıca aynı eğrilik yarıçapında kanal genişliğinin akış ve ısı geçişine etkisi iki farklı kanal genişliği için incelenmiştir. Eğrisel kanal olarak 1 turdan oluşan Arşimet spirali seçilmiştir. Dört farklı deney odasının her birinin boş ve içerisinde 2.00, 2.38 ve 3.17 mm çapında bilyelerden oluşturulan 16 farklı deney kombinasyonunda akış ve ısı geçişi deneysel olarak incelenmiştir. Her bir paket yatak için gözeneklilik ve özgül yüzey alanları incelenmiş ve literatürden elde edilen denklemlerle kıyaslanmıştır. Oluşturulan paket yatakların her biri için geçirgenlik, Forchheimer katsayıları ve Ergün sabitlerine karşılık gelen katsayılar deneysel olarak hesaplanmıştır. Hesaplanan bu katsayıların bağımsız değişkenlerin hataları da dikkate alınarak Ergün denkleminden elde edilen sonuçlarla kıyaslanmıştır. Eğrisel gözenekli kanallarda, eğriselliğin etkisini daha iyi anlamak için boyutsuz bir sayı tanımlanmış ve bütün deney verilerinden elde edilen basınç düşüşü korelasyonu sunulmuştur. Sunulan bu korelasyonda tanımlanan boyutsuz sayı (değiştirilmiş Dean sayısı) sayesinde kavis oranı ihmal edildiğinde verilen basınç düşüşü denklemi düz paket yataklar için kullanıma uygun hale dönüşmektedir.
Spiral kanalın içerisine bilye yerleştirilmeden önce dört farklı deney odası için sabit ısı akısında ve sistem termodinamik olarak dengeye ulaştığında ısı geçişi deneyleri gerçekleştirilmiştir. Boş spiral kanalda ikincil akışlar sayesinde iç ve dış yüzeyde
xxiv
sıcaklık dağılımı farkı görülmüş olup, her iki yüzey için farklı Nusselt sayıları veren denklemler sunulmuştur. Ayrıca aynı açıda, iç ve dış yüzey sıcaklıkların ortalaması alınarak ortalama Nusselt sayısını veren denklem de sunulmuştur. Boş spiral kanal için elde edilen Nusselt sayısını veren denklemler literatürle kıyaslanmış ve literatürle uyum içerisinde olduğu görülmüştür. Böylece spiral paket yatakta ısı geçişi deneyleri yapılmadan önce deney tesisatının güvenirliliği test edilmiştir.
Spiral kanal bilye yerleştirerek oluşturulan spiral paket yataklarda ısı geçişi de her iki yüzeye sabit ısı akısı uygulayarak gerçekleştirilmiştir. Bütün deney verilerinden hesaplanan Nusselt sayısı ile değiştirilmiş Dean sayısı arasındaki ilişki verilmiştir. Basınç düşüşünde olduğu gibi kavis oranının ihmal edilmesi durumunda, literatürde sunulan düz paket yataklar için Nusselt sayısı değerlerine yakınsamaktadır.
Gözenekli eğrisel kanallarda hem basınç düşüşünde hem de ısı geçişinde eğriselliğin etkisi düşük hızlarda ihmal edilebilir seviyedeyken, hızın artmasıyla eğrisellik önem kazanmaktadır. Kanal genişliği ısı geçişinde önemli bir parametre olup, kanal genişliği düştükçe yüzeyden geçen ısı geçişinin arttığı sonucuna ulaşılmıştır. Bilye çapı ise hem basınç düşüşünü hem de ısı geçişini önemli ölçüde etkilemektedir. Özgül yüzey alanının, basınç düşüşü ve ısı geçişine etkisi önemlidir. Özgül yüzey alanı arttıkça basınç düşüşü ve ısı geçişi artmaktadır.