Yatay boru içinde yoğuşma ve buharlaşmanın incelenmesi
Analysing of condensation and evaporation in an horizontal tube
Yazar: ÇİLER ÖZEN
Danışman: PROF. DR. NURDİL ESKİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Buharlama = Steaming ; Buharlaşma = Evaporation ; Buharlaştırarak soğutma = Evaporative cooling ; Buharlaştırıcılar = Evaporators ; Yoğuşma yüzeyi = Condensation surface

Özet:
Yatay bir tüpte gerçekleşen sabit akılı ısı geçişi durumunda yoğuşma ve buharlaşma halkasal akış şekli kullanılarak modellenmiştir. Kütle, momentum ve enerji korunumu denklemleri zamandan bağımsız haliyle ayrılmış akış metodu ile yazılıp sonlu farklar yöntemi kullanılarak ayrıklaştırılmıştır.Öncelikle buharlaşma için modelleme yapılmış, ayrıklaştırılan denklemler MATLAB programı kullanılarak çözülmüştür. Elde edilen sonuçlar mevcut deneysel çalışmalarla karşılaştırılmıştır. Modelin geçerliliği gösterildikten sonra buharlaşma için yapılan işlemlerde gerekli değişiklikler yapılarak yoğuşma analiz edilmiştir. Yoğuşma sonuçları mevcut deneysel çalışmalarla karşılaştırılarak modelin güvenilirliği gösterilmiştir.Geliştirilen model ile basınç değerinin, sıvı ve gaz sıcaklıklarının, ısı taşınım katsayısı değerlerinin ve faz değişimi miktarının boru boyunca olan değişimleri herhangi bir soğutucu akışkan için gözlemlenebilmektedir. Bu modele göre ısı taşınım katsayısının buharlaşma esnasında azalan sıvı kalınlığıyla birlikte arttığı, yoğuşmada artan kalınlıkla birlikte azaldığı, basıncın her iki durumda da boru boyunca azaldığı görülmüştür. Buharlaşmada, gaz sıcaklığı belirlenen basınca karşılık gelen doyma sıcakığı olarak alınmış, azalan basınç değerine paralel bir düşüş göstermiştir. Yoğuşma analizinde sıvı tarafı sıcaklığı doyma sıcaklığı olarak alınmış, azalan basınçla birlikte azaldığı gözlemlenmiştir. Buharlaşma modelinde sıvı sıcaklığı, yoğuşmada ise gaz sıcaklığı enerji dengesi kullanılarak hesabedilmiş, her iki durumda bu sıcaklıkların düştüğü gözlemlenmiştir.Elde edilen model kullanılarak çeşitli parametrelerin sonuçlar üzerindeki etkisi gözlemlenmiştir. Soğtucu akışkanın giriş kuruluk derecesi, debisi ve cidardaki ısı akısı değerleri değiştirilerek sonuçlar üzerindeki etkileri yorumlanmıştır. Buharlaşmada yüksek debi değerinde gaz ve sıvı ısı taşınım katsayısı değerleri, basınç kaybı beklenildiği gibi artış göstermiştir. Artan giriş kuruluk derecesi ile birlikte basınç kaybının arttığı, sıvı tarafı ısı taşınım katsayısı değerinin azalan sıvı kalınlığına bağlı olarak arttığı, gaz tarafı ısı taşınım katsayısının artan gaz kalınlığıla birlikte azaldığı gözlemlenmiştir. Artan ısı aksıyla birlikte kuruluk derecesi artmakta ve incelenen diğer parametreler buna bağlı olarak değişmektedir.Yoğuşmada yüksek debi değerinde kuruluk derecesindeki değişim azalmış, gaz ve sıvı ısı taşınım katsayısı değerleri, basınç kaybı beklenildiği gibi artış göstermiştir. Artan giriş kuruluk derecesi ile birlikte basınç kaybının arttığı, sıvı tarafı ısı taşınım katsayısı değerinin azalan sıvı kalınlığına bağlı olarak arttığı, gaz tarafı ısı taşınım katsayısının artan gaz kalınlığıla birlikte azaldığı gözlemlenmiştir. Boru cidarından dışarı verilen ısı aksındaki artışla birlikte kuruluk derecesi azalmakta ve incelenen diğer parametreler buna bağlı olarak değişmektedir.Yapılan teorik çalışmanın geçerliliğini göstermek amacıyla kullanılan sınır şartları ve giriş değerleri karşılaştırma yapılan deneysel çalışmalardaki büyüklükler kullanılarak belirlenmiştir. Buharlaşma analiz edilirken boru boyu 2.44m, çap 10.2mm, giriş kuruluk derecesi 0.2 olarak alınmıştır. Yoğuşmada boru boyu 0.92m, iç çap 8.7mm, giriş kuruluk derecesi 0.8 olarak alınmıştır.

Abstract:
Modelling of annular flow condensation and evaporation in a horizontal tube are developed using separated flow model under a constant heat flux. Mass, momentum and energy conservation equations are governed independent from time for each phase and discretize using finite difference method.Fistly evaporation model was developed, discritisized equations was solved using MATLAB program. Obtained results were compared with theoretical and experimental researchers. After verifying the model results, condensation was analysed by doing necesarry changes on formulations. Reliability of condensation results were observed comparing with experimental results.Developed model can be used to obtain the axial distributions of pressure, liquid and gas temperatures, heat transfer coefficients and phase change quantity for any refrigerant.Results are showing that heat convective coefficient in evaporation increase along the tube depending on decreasing liquid width and in condensation it decrease depending on increasing liquid width. Besides, in both condensation and evaporation processes there are a pressure drop along tube. In the study of evaporation, gas temperature is taken as saturation temperature corresponding determined pressure value and it decrese due to the reducing the pressure. In the condensation liquid temperature is taken as saturation temperature and it decrese due to the reducing the pressure. In evaporation model liquid temperature, in condensation gas temperature are calculated energy conservation equation and it is observed that temperatures decrease along tube in both cases.Some parameters effects on results were analyzed using obtained model. Inlet quality, heat and mass fluxes of refrigerant were changed and their effects on results were observed. In evaporation process, higher flow rate causes higher pressure drop and heat transfer coefficients. As inlet quality increase, gas heat transfer coefficient decrease due to increase of the gas phase thickness, liquid heat transfer coefficient increase due to thinner liquid fim and total pressure drop increase. With increasing wall heat flux, quality of the refrigerant increase and other three results are changed depending on the quality. In condensation process, higher flow rate causes higher pressure drop and heat transfer coefficients. As inlet quality increase, gas heat transfer coefficient decrease due to increase of the gas phase thickness, liquid heat transfer coefficient increase due to thinner liquid fim and total pressure drop increase. With increasing wall heat flux, quality of the refrigerant decrese and other three results are changed depending on the quality.Considering the aim of verifying model results, applied boundary conditions and inlet values were determined using the experimental researches. In the analyzing of evaporation, the length of tube is 2.44m, diameter is 10.2mm, and inlet quality is 0.2. In condensation, the length of tube is 0.92m, diameter is 8.7mm, and inlet quality is taken 0.8.