Gözenekli ortamda monoetilen glikol için zorlanmış salınımlı akışın ve ısı geçişinin deneysel incelenmesi
An experimental study on heat transfer and oscillating flow of monoethylene glycol through porous media
Yazar: CANBERK ERSÖZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ERSİN SAYAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Akışkanlar dinamiği = Fluid dynamics ; Deneysel analiz = Experimental analysis ; Gözenekli ortam = Porous medium ; Isı geçişi = Heat transfer

Özet:
İnsanlık, son yıllarda iki büyük problem ile yüzleşmektedir. Bu problemler, enerjiyi depolamanın zorluğu ve küresel iklim değişikliğidir. Enerji ihtiyacının ve karbon salınımlarının düşürülmesi, yüksek verimlilikte çalışan sistemlerin varlığı ile mümkün olabilmektedir. Bu amaçla, aynı koşullar altında, ısı ve kütle geçişinin artırılması çalışmaları büyük önem kazanmıştır. Isı ve kütle geçişi üzerinde etkili bir değişken de akışkandır. Belirli sınır koşulları ve ortam için yeni akışkan karakteristiklerinin ortaya çıkarılması, güncel ve daha verimli sistemlerin tasarlanması için kolaylık sağlayacaktır.
Isı ve kütle geçişi, uygulamada, genellikle zamana bağlıdır. Zamana bağlı ısı ve kütle geçişi olaylarının bir kısmı ise, periyodik olarak değişen sinüzoidal salınımlı akışların sonucu olarak gerçekleşmektedir. Bu periyodik akışlar, salınımlı ve titreşimli akışlar olmak üzere iki çeşide ayrılabilir. Salınımlı ve titreşimli akışlarda ısı ve kütle geçişi olaylarının anlaşılabilmesi, uygulamadaki cihazların geliştirilmesi için önem teşkil etmektedir. Bu sebeple salınımlı ve titreşimli akışlar, üzerinde sıklıkla çalışma yapılan bir alan haline gelmiştir.
Bu çalışmada, düşey halkasal boru içindeki gözenekli ortamda, zorlanmış salınımlı akıştaki ısı geçişi deneysel ve teorik olarak incelenmiştir. Akışkan olarak monoetilen glikol (antifiriz) kullanılmıştır. Deney tesisatı ve salınımlı akışa uygun olarak kurulan matematiksel model için; öncelikle diferansiyel yaklaşımla süreklilik, momentum ve enerjinin korunumu denklemleri akışa göre düzenlenmiş ve yönetici denklemler bulunmuştur. Deney düzeneği üzerinde kontrol hacmi belirlenerek integral formundaki süreklilik, momentum ve enerji denklemleri bu kontrol hacmi için yazılmıştır.
Gözenekli ortamın geçirgen ve monoetilen glikol ile yerel ısıl dengede olduğu kabul edilmiştir. Yapılan çalışmada akışkanın ve gözenekli ortamın viskozite, ısı iletkenliği, özgül ısı ve geçirgenlik gibi fiziksel özellikleri sabittir. Gözenekli ortamın homojen ve izotropik (fiziksel özeliklerin doğrultuya göre değişmediği) olduğu kabul edilmiştir. Bu çalışmada, literatürde yapılan çalışmalar da göz önüne alınarak, akışkana doymuş gözenekli ortam ve bu ortamda hareket eden akışkan tabakasından oluşan bir sistemde akış deneysel olarak incelenmiştir. Deneyde kullanılan gözenekli ortam paslanmaz çelik tel yumaklarından oluşan bir filtredir. Tel örgü katmanlardan oluşan bir gözenekli ortam kabulü yapılmıştır. Hem salınımlı akışın varlığı hem de gözenekli ortamın ısı geçişine etkisi incelenmiştir.
Bu deneysel çalışmanın temelini oluşturan ve benzerlik ile farklılıkları detaylı bir şekilde izah edilen çalışmalarının hepsinde deneyler sonucu elde edilen değerler için bir formülleştirme yapılmış ve Nusselt sayısı için boyutsuz bağıntılar ortaya konmuştu. Bu çalışmada, düşey halkasal boru içindeki gözenekli ortamda, zorlanmış salınımlı akıştaki anlık ve çevrimsel sıcaklık dağılımı ve ısı geçişi deneysel ve teorik olarak incelenmiştir. Bu çalışmayı, öncülük eden diğer çalışmalardan ayıran en önemli farklar; sistemde çalışan akışkanın monoetilen glikol (MEG) olması ve farklı ısı akıları ile farklı frekanslar altında akışkanın gözenekli ortamdaki karakteristiğinin irdelenmesidir. Suya göre, yüksek kaynama noktasına ve geniş endüstriyel kullanıma sahip bu akışkan için gözenekli ortamda bir ısı geçişi modeli oluşturulmuş ve boyutsuz sayılar için bağıntılar geliştirilmiştir.

Abstract:
Two of the biggest problems in the today's world are that of global warming and lack of energy storage systems. Those two will cause irreparable damage to the nature and humanity due to destruction of natural sources and due to non-efficient use of the natural sources. Therefore, the necessity for the energy storage systems and building effective systems becomes more important at that point which help reducing emissions and effects of global warming to make the world greener.
Periodic flows are common topic in fluid mechanics and heat and mass transfer area for many years. Periodic flows are categorized as oscillating flows and pulsating flows. It has many applications like heat exchangers, cooling processes, Stirling engines and internal combustion engines. Most famous Stirling engine application is Fluidyne heat engine which effects most of the studies in this field also mentioned in this study. Learning the characteristics of flow and heat transfer under different conditions may be helpful for designing world of future.
Experimental setup in this work is created to measure temperatures using thermocouples attached to flow and heat transfer area. Oscillating flow is obtained using frequency controlled (with tachometer) motor and piston-cylinder system. Displacement kept constant and experimental setup set as closed loop.
Oscillating flows can be generalized by repeatable back and forth action. In other words, the average velocity of an oscillating flow is zero. Although many studies with oscillating flows can be found in literature there are still many phenomena about this field. Flows with oscillation (or pulsation) not only provide enhancement in heat transfer but also increase the efficiency of system and become key for the technology.
Another fundamental topic in fluid mechanics and heat and mass transfer is porous media. Porous media can be defined as medium with pores in general. Since the porous media is used in many applications but not limited to building technologies (HVAC systems or filtration systems), water movements in geothermal sciences; mechanical, chemical, petroleum, nuclear engineering and agriculture; analysis of the flow characteristics of fluid flow through porous media also helps designing much efficient systems. 
Porous media in this practice was a simple filter made from SAE 304 steel with constant porosity where porosity is the most important feature of porous medium that affect all physical parameters and characteristics. Tortuosity can be defined as path of the fluid flow through the porous media where permeability, first defined by Darcy, 1856 depends on the pore distribution. Both tortuosity and permeability  are mentioned as determinant on fluid flow and heat transfer but not as an experiment variable. Therefore, this gave an opportunity to see influence of porosity and porous media to the study.
In this work, heat transfer and an oscillating flow of monoethylene glycol through porous media is investigated experimentally. Heat transfer of an oscillating vertical annular fluid flow through stationary steel wool porous filter is studied. Oscillations were obtained from piston-cylinder mechanism therefore flow can be named after literature: reciprocating flow. In this reciprocating flow, variables were two different heat fluxes and five different frequencies.
Transient and steady state flow conditions are observed and steady state condition was discussed in this work. No boiling conditions were expected and seen in whole experiments. Also, amount of monoethylene glycol inside system was checked before all experiments and kept in same height for all experiments.
It was assumed that porous media is in thermal equilibrium with fluid. Viscosity, thermal conductivity, heat capacity of the fluid and permeability of both porous media and fluid are constant. Porous media is also homogeneous and isotropic. Fluid flow of a compact system which is filled with saturated porous media and fluid layer in contact with this medium is analyzed. The effect of both oscillated flow and porous media on the heat transfer is observed. Physical properities for the monoethylene glycol determined for average temperature and sea level conditions.
Experimental setup related to flow in this study were examined with differential and integral approximations. First using differential approach; conversion of mass, momentum and energy equations were obtained. Equations that obtained, simplified according to oscillating flow and governing equations for the experimental setup were held. Secondly, a control volume selected and conversion of mass, momentum and energy equations were written in integral form using control volume approach, then energy balance on the moving control volume were used.
This experimental study showed that the frequency, dimensionless oscillation amplitude (displacement amplitude), kinetic Reynolds number and wall temperature were the key parameters that effect heat transfer from a uniformly heated surface with reciprocating flow. It was also seen that heat transfer is increased due to both oscillations and porous medium (although the effect of porosity is limited).
Regardless of actuation frequency, no significant radial temperature variation in the monoethylene glycol column was observed. Enhanced mixing between the working fluid layers are provided along the filter by the moderate thermal conductivity of steel and also by the geometric randomness feature of the steel wool wires. It was seen that the temperature of heating section decreases with increasing actuation a frequency of the forced oscillated piston-cylinder device. After experimental results are obtained properly, the experiments show that actuation frequency effects cycle-space averaged Nusselt number dramatically. 
Main goal of this work was to obtain a correlation depending on dimensionless parameters that effects flow and heat transfer characteristics. A new correlation for cycle-space averaged Nusselt number was obtained in terms of dimensionless parameters under kinetic Reynolds number restrictions where dimensionless oscillation amplitude, length to diameter ratio and Prandtl number were constant due to experimental conditions.
In this study, analysis of uncertainty was also made using commercial program. This analysis showed that most error comes from the heater section since the dilatation of heater and manufacturing tolerances of heater section can not be adopt to the system in perfect form.
Finally, experimental results that obtained, compared with other experimental studies in the literature. Since it is hard to create same flow conditions (like same Prandtl number and same Reynolds number) for different fluids with different physical properities, this comparision was made to show effect of fluid and porous media in heat transfer.