Sıcak yüzeylerin sprey ile soğutulmasının sayısal incelenmesi
Numerical studies of using spray cooling on high temperature surface
Yazar: CEMİL YİĞİT
Danışman: PROF. DR. HASAN RIZA GÜVEN
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde giderek artan bir oranda endüstriyel proseslerde su sisi kullanımı yaygınlaşmaktadır. Su sisi 100 µm çapında ve daha küçük su damlacıkları içerir ve damlacıklar hava akışıyla birlikte taşınırlar. Su sisi spreyinin sıvı kütle akısı düşük olduğu için ısı transferi geleneksel su spreyleri kadar yüksek değildir. Ancak daha üniform bir sıcaklık dağılımı elde edilir ve su kullanım verimlilikleri nispeten yüksektir.Bu Çalışmada, atmosferik koşullarda yüksek sıcaklıktaki yüzeylerin soğutulması için hem hava hem de su sisi spreyi sayısal olarak modellenmiştir. Sayısal çözüm koşulları şöyledir; su damlacıklarını taşıyan hava hızı 0 m/s ile 50.29 m/s, sıvı kütle akısı 0 kg/m2s ile 7.67 kg/m2s ve paslanmaz çelik hedef yüzeyin sıcaklığı 500 0C ile 525 0C aralığında değişmektedir. Değişik sıvı kütle akılarında radyal ısı taşınım katsayıları sayısal olarak elde edildi ve literatürdeki deneysel sonuçlarla karşılaştırıldı. Yapılan sayısal çözümde, ısı taşınım katsayısının radyal yönde hem hava spreyinde hem de su sisi spreyinde benzer bir eğilim gösterdiği görülmüştür. Durgunluk bölgesindeki ısı taşınım katsayısı, hem hava hızı hem de sıvı kütle akısıyla artmaktadır. Isı taşınım katsayısı sıvı kütle akısıyla birlikte yaklaşık lineer olarak artmaktadır.Bu çalışma hava spreyi içerisine katılacak küçük miktarda suyun ısı taşınım katsayısını dikkate değer bir biçimde arttırdığını göstermektedir. Sayısal çözümün sonuçları literatürdeki deneysel verilerle karşılaştırılmış ve sonuçlar birbiriyle iyi bir uyum göstermiştir.

Abstract:
Recently, more and more increased industrial processes use water mist for cooling. Water mist contains small droplets, in the order of or less than 100 µm, and caries co-flowing air which are entrained or are used for atomization. The mass flux of water mist is low and therefore, the heat transfer rate is not as high as sprays; however, the water mist provides relatively uniform heat transfer and has high water usage efficiency.A numerical model is developed to simulate for atmospheric applications the both pure air and water mist sprays on heated high temperatures surfaces. The simulations conditions of water mist cover the variations of air velocity from 0 to 50.29 m/s, liquid mass flux from 0 to 7.67 kg/m2s, and surface temperature of stainless steel between 5250C and 5000C. Radial heat transfer distributions were obtained from computational analysis at different liquid mass fluxes and compared with experimental results. The computational analysis revealed that the radial variation of heat transfer coefficients of water mist has a similar trend to the air jet cooling. At the stagnation point, heat transfer coefficient increases with both the air velocity and the liquid mass flux. The heat transfer contribution due to the presence of water increases almost linearly with the liquid mass flux.This study shows that with a small amount of water added in the impacting air jet, the heat transfer is dramatically increased. The model simulation was compared against available experimental data at atmospheric conditions, and simulation compared favorably well with the experimental data.