Yoğuşturucularda iki fazlı akış mekanizmalarının ve ısı geçişinin farklı eğim açılarında teorik ve deneysel analizi
Theoretical and experimental investigation of two-phase flow mechanism and heat transfer in condensers under different inclination angle
Yazar: GÖKHAN ARSLAN
Danışman: PROF. NURDİL ESKİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Basınç düşmesi = Pressure drop ; Isı geçişi katsayısı = Heat transfer coefficient ; Yoğuşma = Condensation

Özet:
Boru içerisinde yoğuşma esnasında gerçekleşen ısı geçişine etki eden faktörlerin incelenmesi için R134a soğutucu akışkan buharının yoğuşması esnasında gerçekleşen ısı taşınım katsayısı veya Nusselt sayısı ile basınç kaybını ölçebilecek bir deney tesisatı oluşturulmuştur. Doyma basıncı, kütlesel akı, doymuş buhar ve cidar arasındaki sıcaklık farkı, buhar kalitesi değişimi, boru eğim açısı ve iç yüzey iyileştirmesi gibi parametrelerin yoğuşma ile gerçekleşen ısı geçişine etkisi araştırılmıştır. Deneyler iki farklı test borusunda yapılmıştır. İlk test borusu 9.52 mm dış çapında ve 1 mm et kalınlığına sahip iç yüzeyi düz bakır borudan imal edilmiştir. İkincisi ise 9.52 mm dış çapında iç yüzeyi mikro-kanatlı bakır borudan imal edilmiştir. Her iki test borusu da iç içe geçmiş borulu ısı değiştiricisi şeklinde tasarlanmıştır. Deneyler yerel ve ortalama ısı taşınım katsayısı veya Nusselt sayısı ile basınç kaybını ölçmek üzere yapılmıştır. İç yüzeyi düz boruda deneyler 5.8-6.9 bar doyma basıncında, 30~175 kg/m2s kütlesel akı, 2~9 kW/m2 ısı akısı ve 90º (düşey), 60º, 30º ve 0º (yatay) eğim açılarında yapılmıştır. Mikro-kanatlı boru için ise deneyler 5.7-5.9 bar doyma basıncında, 20~100 kg/m2s kütlesel akı, 1.7~5.3 kW/m2 ısı akısı ve 90º (düşey), 60º, 30º ve 0º (yatay) eğim açılarında yapılmıştır. Elde edilen deney verileri şıkça kullanılan ısı taşınım katsayısı bağıntıları ile karşılaştırılmıştır. İç yüzeyi düz boru için Akers ve diğ. (1959), Rosson ve Meyers (1963), Boyko ve Kruzhilin (1967), Cavallini ve Zecchin (1971), Traviss ve diğ. (1973),Shah (1979), Chen ve diğ. (1987), Dobson ve diğ. (1994), Tandon ve diğ. (1995), Fujii (1995), Haraguchi ve diğ. (1994), Jung ve diğ. (2003), iç yüzeyi mikro-kanatlı boru için ise Cavallini ve diğ. (1999), Yu ve Koyama (1998), Kedzierski ve Goncalves (1999) ısı taşınım katsayısı bağıntıları incelenmiştir. Bunlara ek olarak elde edilen deney verilerine çok değişkenli regresyon analizi uygulanarak hem iç yüzeyi düz boru hem de iç yüzeyi mikro-kanatlı boru için ısı taşınım katsayısı bağıntıları oluşturulmuştur.R134a soğutucu akışkan buharının boru içerisinde yoğuşması esnasında gerçekleşen yerel ve ortalama Nusselt sayısını hesaplayabilecek bir analitik model geliştirilmiştir. Deneyler iç içe geçmiş borulu ısı değiştiricisinde yapıldığı için, soğutma suyunun olduğu bölümde modele eklenmiştir. Soğutucu akışkana ait sıvı ve buhar fazlar için momentum ve enerji denklemleri çözdürülmüştür. Bu modelde sıvı filminin laminar, buhar fazın ise türbülanslı aktığı kabul edilmiştir. Boru merkezinde yer alan buhar çekirdeği için Reichardt (1951) türbülans modeli kullanılmıştır. Sonuç olarak, bu model yerel ve ortalama Nusselt sayısını, test borusu boyunca buhar kalitesi değişimini, soğutma suyu çıkış sıcaklığını ve boru iç yüzey sıcaklık dağılımını hesaplayabilmektedir. Oluşturulan bu yeni modelin önemini vurgulamak için literatürde yer alan analitik modellerin detaylı bir incelemesi verilmiştir. Laminar sıvı filmini esas alan Nusselt (1916) ve Carey (1992) modelleri incelenmiştir. Bunlara ek olarak, sıvı filmini türbülanslı olarak kabul eden Kwon ve diğ. (2001), Pei-Wen Li ve diğ. (2000), Borujerdi (2001), Faghri ve Zhang (2006) modelleri incelenmiştir.Bu çalışma esas olarak soğutucu akışkan R134a buharının, farklı çalışma şartları altında boru içerisinde yoğuşması esnasında gerçekleşen yoğuşma Nusselt sayısının ölçülmesi üzerine odaklanmıştır. Genel olarak hem iç yüzeyi düz hem de iç yüzeyi mikro-kanatlı boruda, artan kütlesel akıya bağlı olarak ortalama Nusselt sayısında bir artış olduğu görülmüştür. Benzer olarak, Soğutucu akışkan doyma sıcaklığı ile cidar sıcaklığı arasındaki farkın artmasına bağlı olarak ortalama Nusselt sayısı düşmüştür. Fakat belli bir sıcaklık farkı değerinden sonra bu farkı artırmak yoğuşma Nusselt sayısını çok fazla etkilememektedir. Çalışma kapsamında elde edilen bir diğer önemli bulgu ise doyma basıncının yoğuşma ile gerçekleşen ısı geçişinde çok etkili olduğudur. Soğutucu akışkan doyma basıncı düştükçe daha yüksek ortalama Nusselt sayısı değerleri elde edilmektedir. Her bir deneyde, boru boyunca artan sıvı film kalınlığına bağlı olarak yerel Nusselt sayısının düştüğü tespit edilmiştir. Her iki test borusu içinde eğim açısındaki azalmaya bağlı olarak ortalama Nusselt sayılarında artış görülmüştür. En yüksek Nusselt sayısı değerleri 30º ve 0º (yatay) eğim açılarında elde edilmiştir. Mikro-kanatlı boruyla kıyaslandığında iç yüzeyi düz boruda eğim açısının Nusselt sayısına etkisi daha belirgin olmaktadır. Bu çalışma elde edilen bir diğer önemli deneysel bulgu ise iç yüzey iyileştirmenin yoğuşma ile gerçekleşen ısı geçişine etkisidir. Aynı çalışma şartları altında, aynı buhar kalitesi değerlerinde mikro-kanatlı boruda elde edilen ortalama Nusselt sayısı değerleri düz boruda elde edilene kıyasla 1.6-2.2 kat daha yüksek çıktığı tespit edilmiştir. Son olarak test borusu boyunca gerçekleşen basınç kayıpları incelenmiştir. Artan sıvı filmi Reynolds sayısına bağlı olarak sürtünmelerden kaynaklanan basınç kayıplarının artmış olduğu gözlemlenmiştir. Deney verilerinin ısı taşınım katsayısı bağıntıları ile karşılaştırılması sonucu iç yüzeyi düz boruda en iyi sonucu %19.4 ortalama mutlak sapma ile Akers (1951) bağıntısı, iç yüzeyi mikro-kanatlı boruda ise %23.9 ortalama mutlak sapma ile Kedzierski ve Goncalves (1999) bağıntısı vermiştir. Deney verilerine kullanılarak yeni ısı taşınım katsayısı bağıntıları geliştirilmiştir. Bu bağıntılar, sıvı filmi Reynolds sayısı, Prandtl sayısı, Froude sayısı ile eğim açısının bir fonksiyonu olarak tanıtılmıştır. İç yüzeyi mikro-kanatlı boruda ayrıca yüzey alanın ifade eden bir terim kullanılmıştır. İç yüzeyi düz boru için geliştirilen bağıntı deneysel Nusselt sayısını %1.5 ortalama mutlak sapma ile hesaplamıştır. İç yüzeyi mikro-kanatlı boru için geliştirilen bağıntı ise deneysel Nusselt sayısını %5.6 ortalama mutlak sapma ile hesaplamıştır. Çalışma kapsamında en son olarak deney verileri teorik model ile karşılaştırılmıştır. Bu yeni model, ortalama Nusselt sayısını %5.8 ortalama mutlak sapma ile hesaplamıştır. Buhar kalitesi değişimi için bu hata payı %18.4 olurken, ortalama cidar sıcaklığı %1.4 hata ile hesaplanmıştır.

Abstract:
Condensation is an important multiphase phenomenon which, widely observed in industrial applications. Accurate design of these systems is important for better performance with less energy usage. Moreover, determination of operation limits for safety conditions is required. To achieve these requirements, detailed theoretical and experimental analysis is necessary. During condensation inside tubes, different flow patterns occur one after the other which effects condensation heat transfer rate. Since this physical complexity cannot be introduced correctly in mathematical models, the models are restricted with certain flow patterns Therefore researchers have focused on experimental studies. Condensation heat transfer performance has been investigated under different operating conditions. Based on the experimental data, new heat transfer coefficient correlations have been developed or consistency of existing correlations is investigated.In order to clarify the factors that affect condensation heat transfer inside tubes, an experimental set up to measure the condensation heat transfer coefficient via Nusselt number and pressure drop of R134a vapor was built. Effects of saturation pressure, mass flux, temperature difference between saturated vapor and tube wall, vapor quality change, tube inclination angle and tube inner surface enhancement on condensation heat transfer were investigated. Two kinds of test tubes were used during experiments. First one was copper smooth tube with an outer diameter or 9.52 mm and 1 mm wall thickness. Second one was made of copper micro-fin tube with an outside diameter of 9.52 mm. Each test section was designed as tube-in-tube heat exchangers. Experimental tests were conducted to measure local and average heat transfer coefficient via Nusselt number and pressure drop. For smooth tube, tests were performed at saturation pressure of 5.8-6.9 bar with mass fluxes of 30~175 kg/m2s, heat fluxes of 2~9 kW/m2 and inclination angles of 90º (vertical), 60º, 30º and 0º (horizontal). For micro-fin tube, tests were performed at saturation pressure of 5.7-5.9 bar with mass fluxes of 20~100 kg/m2s, heat fluxes of 1.7~5.3 kW/m2 and inclination angles of 90º (vertical), 60º, 30º and 0º (horizontal). Obtained experimental data were compared with most widely used heat transfer coefficient correlations. For smooth tube, Akers et. al. (1959), Rosson and Meyers (1963), Boyko and Kruzhilin (1967), Cavallini and Zecchin (1971), Traviss et. al. (1973), Shah (1979), Chen et. al. (1987), Dobson et. al. (1994), Tandon et. al. (1995), Fujii (1995), Haraguchi et. al. (1994), Jung et. al. (2003), for micro-fin tube, Cavallini et. al. (1999), Yu and Koyama (1998), Kedzierski and Goncalves (1999) heat transfer coefficient correlations were analyzed. Adding to that, by using multivariable regression analysis, new heat transfer coefficient correlations were developed for smooth and micro-fin tube.An analytical model was developed to predict the local and average Nusselt number during the condensation of R134a inside tubes. Since experiments were conducted in a tube-in-tube heat exchanger, cooling waterside was also included in the model. Momentum and energy equations of liquid and vapor phases were solved, simultaneously. It was assumed that liquid film was in laminar flow regime and vapor core was in turbulent flow regime. Reichardt (1951) turbulent model was used for turbulent flow of vapor core. As a result, this model predicts local and average Nusselt number, vapor quality change along the tube, cooling water exit temperature and inner wall temperature distribution. To better emphasize the importance of the new developed model, a detailed analysis of analytical models published in literature was given. For laminar film condensation analytical models developed by Nusselt (1916) and Carey (1992) were analyzed. For turbulent film condensation analytical models developed by Kwon et. al. (2001), Pei-Wen Li et. al. (2000), Borujerdi (2001), Faghri and Zhang (2006) were analyzed.This study primarily focused on measurement of condensation Nusselt number of R134a vapor inside tubes under different operating conditions. It is investigated that increasing mass flux leads to an increase in Nusselt number for smooth and micro-fin tubes. Similarly, an increase in temperature difference between saturated vapor and tube inner wall leads to a decrease in Nusselt number. However, after a certain value, increasing temperature difference does not affect Nusselt number. Another aspect obtained in that study is that saturation pressure is very affective on condensation heat transfer. At low saturation pressure, higher Nusselt number was obtained when compared with high saturation pressure under the same operating conditions. For each experiments, local Nusselt number decreases along the test tube due to increasing film thickness. For each test tube, condensation Nusselt number shows an increasing trend with decreasing inclination angle. Highest Nusselt numbers were obtained at 30º and 0º (horizontal) inclination angles. Effect of inclination angle is more significant for smooth tube when compared with micro-fin tube. Another important aspect obtained in that study is about surface enhancement technique. Under the same operating conditions, condensation Nusselt number obtained in micro-fin tube is 1.6~2.2 times higher than the obtained one in smooth tube. Finally, frictional pressure drop analyzed in experimental study. For both smooth and micro-fin tube, it is observed that frictional pressure drop increases with increasing liquid film Reynolds number. When experimental data was compared with heat transfer coefficient correlations, best result was obtained from Akers (1951) correlation with % 19.4 average mean deviation for smooth tube and from Kedzierski and Goncalves (1999) correlation with % 23.9 average mean deviation for micro-fin tube. Based on the experimental data new correlations were developed. These new correlations were defined as a function of liquid Reynolds number, Prandtl number, Jakob number, Froude number. Effect of inclination angle was also introduced to these new correlations. Different from smooth tube, a factor that defines tube geometry was used for micro-fin tube. Correlation developed for condensation inside smooth tube predicts the experimental Nusselt number with % 1.5 average mean deviation. Similarly, correlation developed for condensation inside micro-fin tube predicts the experimental Nusselt number with % 5.6 average mean deviation.The other part of this study was focused on theoretical modeling of vapor condensation inside tube. Analytical models published in literature analyzed in detail. It was stated that all models were defined for constant wall temperature and known vapor quality. Only for classical Nusselt (1916) analysis, film thickness was calculated. For other analytical models, film thickness was firstly estimated and required calculations were done based on this assumption. Since vapor quality at a certain point of the tube was known, obtained results were checked with known mass flow rate of the liquid. If deviation in error is very high then film thickness was changed and calculations were done again. Most accurate results were obtained from Carey (1992) analytical model with an absolute mean deviation of % 23.1. Analytical models developed for turbulent film flow shows higher deviation in error than the laminar film flow analytical models. Different from those analytical models, new developed analytical model estimate vapor quality change and wall temperature along the tube. An iterative solution scheme was required. Only inlet conditions for refrigerant vapor and cooling water were introduced to the model. Finally, experimental data was compared with the new theoretical model developed in this study. This new model predicts average Nusselt number with an average mean deviation of %5.8, vapor quality change with an average mean deviation of %18.4, average wall temperature with an average mean deviation of %1.4.