Tekli ve çoklu çarpan hava jetlerinde zorlanmış taşınımla ısı ve kütle transferinin deneysel ve teorik olarak incelenmesi
Experimental and theoretical investigation of convective heat and mass transfer in single and multiple impinging air jets
Yazar: MUSTAFA KEMAL İŞMAN
Danışman: PROF. DR. MUHİDDİN CAN
Uludağ Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Çarpan hava jetleri = Impinging air jets

Özet:
Çarpan hava jetleri, yüksek ısı ve kütle transferi kabiliyetine sahiptirler. Bundan dolayı, kağıt ve kumaş kurutulması, mürekkep kurutulması, cam temperlenmesi, metallerin sertleştirilmesi, elektronik cihazların soğutulması, türbin kanatçıklarının soğultulması gibi ve daha birçok uygulamada kullanılmaktadırlar. Ancak sürekli gelişen teknoloji ve artan talepler, zaten yüksek olan ısı ve kütle transferini daha da yükseğe çıkartma arzusu doğurmaktadır. Bununla birlikte enerjinin gün geçtikçe değerlenmesi, bu artırımı mümkün olan minimum maliyetle yapmayı gerektirmektedir. Bundan dolayı, bu konuyla ilgili bir çok deneysel ve sayısal çalışma yapılmış ve yapılmaktadır.Bu çalışmanın ısı transferi ayağında, hava hızı, hava nemi ve jet-yüzey arası mesafe gibi parametrelerin yanında türbülansı arttırıcı unsurların ısı transferi üzerine etkileri araştırıldı. Çift jet durumu için elde edilen değerler, tek jet durumlarıyla kıyaslandı. Tek ve çift jet için deneysel olarak çalışılan hemen hemen tüm durumların eş zamanlı olarak CFD (Computational Fluid Dynamics) analizleri yapıldı. Bunun yanında oluşturulan sayısal modelde, mevcut deney tesisatında araştırılması mümkün olmayan durumlar da incelendi. Aynı deney tesisatında iki farklı tipteki ıslak kumaşın çarpan hava jeti ile kurutulması durumları incelendi. ANSYS-CFX programında dışarıdan değişkenler tanımlanarak kütle transferi için de çözümler elde edildi.Çalışma sonucunda, ısı transferi için en etkin parametrenin jet çıkış hızının yani Re değerinin olduğu görüldü. Tek jet durumu, çalışılan konfigürasyonların tümünde çift jete göre daha etkin bir ısı transferi performansı sergiledi. Oluşturulan sayısal modelden ısı ve kütle transferi için elde edilen sonuçlar, deneysel sonuçlarla çok iyi bir uyum gösterdi. Sayısal olarak yapılan çalışmalarda artan giriş türbülans şiddetinin sadece çarpma noktasında yerel Nu değerini arttırdığı, çarpma noktasından uzaklaştıkça etkisini yitirdiği sonucu elde edildi. Kütle transferi için yapılan deneylerden, artan Re sayısının kuruma süresini kısalttığı, ancak paralelinde fan gücünü de arttırdığından optimum Re değerinin 20000 ila 30000 arasında olması gerektiği tespit edildi. Ayrıca, artan jet çıkış sıcaklığının kuruma süresini kısalttığı ve bu artışın kurutma işlemini daha ekonomik hale getirdiği elde edilen sayısal sonuçlardandır.

Abstract:
Impinging air jets have high heat and mass transfer capability. Therefore, they are commonly used in processes such as drying of paper and textiles, print drying, tempering of the glass, annealing of the metals, cooling of electronic components and the system of cooling assemblies of gas turbine blades etc. But continuously improving technology and increasing demands have given birth to the desire to enhance the heat and mass transfer which are already high. However, increase in the value of energy day after day requires minimum cost. Therefore, a lot of experimental and numerical researches about this issue have been studied have still been studying.The effects of turbulence-enhancing factors beside of air velocity, humidity and distance of jet-plate on heat transfer have been investigated in heat transfer part of this study. Obtained results for twin jet have been compared with that of single jet. CFD (Computational Fluid Dynamics) analyses simultaneously performed for almost all cases which are studied by experimentally for single and twin jets. At the same time, some unsearchable cases with experimental setup have also been analyzed with CFD. Drying of two different types of wet fabric by impinging air jet has been carried out with the same experimental setup. Numerical results obtained for mass transfer by defining additional variables in ANSYS-CFX.At the end of the study, it is seen that, the most effective parameters for heat transfer is jet exit air velocity, in other words, Re number. Single jet has been shown better performance than that of twin jet for all studied configurations. Comparison with the numerical model is in very good agreement with the experimental values of heat and mass transfer. It is obtained from numerical studies that increasing inlet turbulence intensity increases local Nu number value in only impingement point and it loses its effect with increasing distance from this point. It is determined from mass transfer studies that increasing Re number decreases drying time, but it increases fan power in parallel, therefore optimum Re number value should be between 20000 and 30000. Also, another obtained numerical result showed that increasing jet exit temperature decreases drying time and this increase has made the process more economical.