Soğutucu akışkanların yatay boru içinde halka akış şartlarında yoğuşmasının incelenmesi
Condensation of refrigerants in a horizontal tube in annular flow regime
Yazar: ÖZDEN AĞRA
Danışman: PROF.DR. İSMAİL TEKE
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2007
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Yoğuşma = Condensation ; İki fazlı akış = Two phase flow

Özet:
Ozon tabakasında meydana gelen delinme ile de kendini gösteren küresel ısınma dünyanınbüyük çevre sorunlarından biridir. Kloroflorokarbon (CFC) içerikli soğutucu akıskanlar buçevre sorunlarının en büyük nedenlerinden birisi olarak gösterilmistir. Montreal protokolününimzalanması ile alternatif soğutucu akıskanlar hakkında genis çaplı bir arastırma baslamıstır.Bu doktora tez çalısmasında, alternatif soğutucu akıskanlardan ?sobütan'ın yatay boruiçindeki yoğusmasında ısı tasınım katsayısı ve basınç düsümü deneysel ve teorik olarakincelenmistir.Tez çalısması yedi ana bölümden olusmaktadır. Birinci bölümde çalısmaya baslama nedenlerive ulasılmak istenen sonuçlar genel olarak açıklanarak konuya giris yapılmıstır?kinci bölümde soğutucu akıskanlardan beklenen özellikler ve deneysel çalısmanın yapıldığısoğutucu akıskan ?sobütan hakkında bilgi verilmistir.Üçüncü bölüm, konu ile ilgili yapılan literatür arastırmasını kapsamaktadır. ?ki fazlı akıslardaifade edilmesinde tasınım katsayısının ve basınç düsümü ifadelerinin belirlenebilmesi içinakım tipinin doğru olarak belirlenmesi gereklidir. Bu nedenle literatür arastırmasının ilkbölümünde basınç düsümü, tasınım katsayısı ve akım tipinin belirlenmesinde etkin birparametre olan bosluk oranı ifadesi ve gelistirilen korelasyonlar anlatılıp ardından akım tipleribasınç düsümü, ve son olarak da tasınım katsayısı ile ilgili yapılan arastırmalardeğerlendirilmistir. Bu bölümün sonunda R600a akıskanı ile yapılan sınırlı sayıdaki yayınlarve bu çalısmanın önemi anlatılmıstır.Dördüncü bölümde; deneysel çalısmalar açıklanmıstır. Öncelikle deney tesisatının kısımlarıtanıtıldıktan sonra devreleri detaylı olarak anlatılmıstır. Daha sonra da deney tesisatınınçalısmaya hazırlanma evreleri, hesap yöntemi ve belirsizliklerin tespiti yapılmıstır.Besinci bölümde deneysel sonuçlar değerlendirilmistir. Deneyler; kurulan deney tesisatında,iç çapı 4mm olan pürüzsüz düz boru içinde gerçeklestirilmistir. Yapılan bu çalısma, temeldeısıl analiz ve basınç düsümü analizi olarak iki kısma ayrılabilir. Isıl analiz kısmında soğutucuakıskan buharı test bölgesine çesitli doyma sıcaklıklarında, farklı kütlesel debi ve çesitlikuruluk derecelerinde gönderilerek ısı tasınım katsayıları tesbit edilmis ve Nu sayısınınkuruluk derecesi ile değisim grafikleri çizilmistir. Deneysel verilerden hareketle, R600asoğutucu akıskanının pürüzsüz yatay boru içinde yoğusmasında Nu sayısı için Nu=0,04599.Rees0,8525 korelasyonu önerilmistir. Yeni korelasyon, önceki arastırmacılar tarafındantanımlanan genel kabul görmüs korelasyonlar ile karsılastırıldığında yeni korelasyonunliteratürle uyumlu olduğu görülmüstür. Basınç düsümü analizinde de farklı doyma sıcaklığı,kütlesel debi ve kuruluk derecesine bağlı değisim incelenmistir. Deneysel veriler ilesürtünmeden dolayı meydana gelen basınç düsüsü hesaplanmıs ve buna bağlı olarak iki fazlıakısa ait sürtünme katsayısı için Rees'e bağlı bir korelasyon gelistirilmistir. Toplam basınçdüsümü içindeki hız değisiminden ve sürtünmeden meydana gelen basınç düsümü değerleriayrı ayrı hesaplanarak toplam basınç düsümü içindeki değisimleri grafik halindegösterilmistir.Altıncı bölümde iki fazlı halka akıs sartlarında sıvı filmindeki hız ve sıcaklık dağılımlarınaesdeğer tek faz sıvı akısı belirlenerek yoğusmadaki ısı tasınım katsayısını tek faz sıvı içinverilen bağıtılardan yararlanarak hesaplanmasını sağlayan bir model gelistirilmistir.Temeldebasınç düsüsü ile ısı tasınım katsayısı arasındaki iliskiyi kurmayı amaçlayan bu modelsonucunda hesaplanan tasınım katsayısı değerleri ile deneysel değerler birbirleri ile ±%10aralığında büyük bir uyum göstermistir.Anahtar Kelimeler: ?ki fazlı akıs, düz boru, yoğusma, alternatif akıskan

Abstract:
Presently, the global warming due to depletion of the ozone layer in the atmosphere is one ofthe major environmental problems in the world. The chlorofluorocarbon (CFC) refrigerantswhich are commonly used in refrigeration devices are believed to be the major responsibleagents in many environmental issues. Following the signing of the Montreal Protocol, manyresearch studies have been initiated on possible alternative refrigerants.The present doctoral thesis is an experimental study on pressure drops and convective heattransfer coefficients of isobutane, a possible refrigerant, in horizontal tubes.The thesis is composed of seven major parts. In the introduction section, the reasons forinitiating this study, as well as the goal of the work are presented.The second part involves a discussion of the properties of isobutane utilized in this work andmentions the desired characteristics of refrigerants, in general.The third part is a literature survey on the topic. It is necessary to clearly determine the flowpattern in two-phase flows in order to evaluate the heat convection coefficient and thepressure drop. Thus, it is for this reason that the data reported in the literature on the so-calledvoid fraction, which is an influential parameter in determinations of pressure drops, heatconvection coefficients and the flow patterns, were thoroughly searched. In the last part ofthis section, the limited studies on the fluid R600a were mentioned.The fourth part of this work is devoted to the experimental work carried out. In thisconnection, stages in the preparation of the experimental setup, its components, the methodsof analyses and the uncertainties were discussed.The fifth part is concerned with the evaluation of the experimental data obtained. Theexperiments were carried out in a smooth pipe, with an inner diameter of 4 mm, containedwithin the experimental setup. It is possible to divide this study into two parts as thermal andpressure drop analyses.The thermal analyses involved transfer of vapors of the refrugerant to the test area at varioussaturation temperatures, with varying mass flow rates and vapor qualities to detemine the heatconvection coefficients and to obtain Nu (0.04599 Reeq 0.8525) versus vapor quality graphs.The designated value of Nu is based on the experimental results obtained in condensation ofR600a within smooth horizontal pipes. This value of Nu is consistent with the accepted valuein the literature.The pressure drop analyses involved similar experiments at various saturation temperatureswith varying mass flow rates and vapor qualities. The data obtained from experiments wereused to calculate pressuere drops due to friction and to correlate friction coefficients in twophaseflow to Reeq. The pressure drops depending on mass flow rates and friction coefficientswere individually calculated and their effects on the total pressure were presented graphically.The sixth part of this work was concerned with the determination of one-phase liquid flowwhich is equivalent to temperature and velocity distributions of liquid film in two-phasecircular flow. Thus, a model was developed which enables the calculation of convection heattransfer coefficients based on equations for one-phase liquid. The calculated heat convectioncoefficient values obtained using this model, which was basically aimed to establish arelationship between pressure drops and heat convection coefficients, were highly compatible( ± 10% ) with the experimental values.Keywords: Two phase flow, smooth pipe, condensation, alternative refrigerant