Zorlanmış konveksiyonlu kaynamalı yatay bir boru sisteminde iki fazlı akış kararsızlıklarının deneysel olarak incelenmesi

Abstract

Endüstride kullanılan çeşitli ısı eşanjörlerinin işletilmesi ve dizayn edilmesinde iki fazlı akışların dinamik kararsızlıkları önemli bir problemdir. Isı eşanjörlerinde boru donanımının zarar görmesine neden olan dinamik kararsızlıkların oluşturduğu zararları ortadan kaldırmak veya minimize etmek amacıyla, iki fazlı akışların temel mekanizmalarını belirlemeye yönelik yoğun çalışmalar devam etmektedir. Bu çalışmada iş yapan akışkanı R-11, test kısmı yatay bir boru olan zorlanmış konveksiyonlu kaynamalı deney düzeneği kurularak, iki fazlı akışların dinamik kararsızlıklarından yoğunluk değişim osilasyonları, basınç düşümü osilasyonları ve termal osilasyonlar incelenmiştir. Bu osilasyonlar üzerine, aşırı soğutma miktarının, akışkan giriş debisinin ve test borusu içerisine yerleştirilen farklı ısı transfer iyileştirme elemanlarının yaptıkları etkiler araştırılmıştır. Ayrıca, boru cidarlarında patlama ve benzeri deformasyonlara sebep olan `burn-out` olayının oluşmasında hangi parametrelerin etkili oldukları araştırılmıştır. Yapılan çalışmaların sonucunda; yüzey artırımlı borularda oluşan `burn-out` olayının sıcaklık limitlerinin boş boruya göre azaldığı bulunmuştur. Böylece `burn out` olayı sonucunda oluşacak zararların azaldığı tespit edilmiştir. Basınç düşümü tipi osilasyonların genellikle yoğunluk değişim tipi osilasyonlarla aynı anda ortaya çıktığı tespit edilmiştir. Sistemin kararlılık sınırları, artan aşırı soğutma seviyesi ile daha düşük kütlesel debi değerlerine doğru kaymıştır. Yoğunluk değişim tipi osilasyonların periyot ve genlikleri, basınç düşümü tipi osilasyonların periyot ve genliklerinden daha düşük olmuştur. Film akışının hidrodinamik davranışları sonucu ortaya çıkan termal osilasyonlar, çok düşük kütlesel debi değerlerinde özellikle alt cidarda büyük genliklere sahip osilasyonlar olarak ortaya çıkmaktadır. Boyut analizi sonuçlarına göre, yüzey artırımlı borulardaki ısı transfer karakteristikliklerinin boş boruya göre daha iyi olduğu, kararlılık sınırlarının hesaplamalarının deneysel sonuçlarla iyi bir uyum gösterdiği bulunmuştur.

The dynamic instabilities of two-phase flows are an important problem in designing and operating various heat exchangers used in industry. Extensive investigations have been carrying out to determine fundamental mechanisms of two-phes flows in order to prevent or minimize damages created by dynamic instabilities that causes to damage tube bundles of heat exchangers. In this study, a forced convection boiling experimental setup whose working fluid was R-1 1 and whose test section was an horizontal tube was constructed; and density wave type oscillations, pressure drop type oscillations and thermal oscillations which were dynamic instabilities of two phase flows were investigated. The effect of the rate of subcooling, fluid inlet flow rate and various heat transfer augmentation elements inserted into the test tube on these stabilities are investigated. In addition, it was studied which parameters were affecting `burnout` phenomena which caused explosion and similar deformations in the tube wall. As a result of the studies, it was found that the temperature limits of bum-out phenomenon formed in augmented surfaces decreased in comparison with smooth tube. Thus, it was determined that damages that would occur as a result of bum- out decreased. Pressure drop type oscillations generally occured simultaneously with density wave type oscillations. The boundaries of the stabilitiy of the system went towards the lower mass flow rates with increasing subcooling rate. The periods and amplitudes of the density wave type oscillations were lower than those of pressure drop type oscillations. Thermal oscillations resulting from the hydrodynamical behaviour of film flow occured as oscillations having bigger amplitudes especially at the bottom wall in very low mass flow rates. By dimensional analysis, It was found that heat transfer characteristics in augmented surfaces had better in comparison with smooth surfaces and that the predictions of boundaries of stabilities were compatible with experimental results.