Boru demeti taşıyıcı levhalarında üçgen ve sıralı dizilişler için ısı taşınım katsayısının belirlenmesi

Abstract

Bu deneysel çalışma, değişik boru demetleri dizilişleri için boru demeti taşıyıcı levhalarında ısı taşınım katsayısının belirlenmesini amaçlamaktadır. Buhar üreticilerinde 4 farklı ısı transfer yüzeyi uygulanmaktadır. Bunlar; Helisel sargılı buhar üreticileri, Dönemeçli (kavisli) buhar üreticileri, Düz akışlı buhar üreticileri, U borulu buhar üreticileridir. Uygulamalarda sık görülen helisel sargılı buhar üreticilerinde değişik çaplarda helisel biçimdeki birçok boru iç içe sarılarak silindirik boru demetini oluşturur. Boru demetinin desteklenmesi için taşıyıcı levhalar kullanılır. Taşıyıcı levhalarda termal gerilmeler oluşur. Taşıyıcı levhaların gerilme analizi için öncelikle gaz ve levha arasındaki ısı taşınım katsayısının bilinmesi gerekir. Nükleer santrallarda kullanılanlarda olduğu gibi büyük boyut ısı değiştiricilerin termal ve akışkan alanlarının detaylı olarak bilinmesi de termal/hidrolik, termal/konstrüktif sistem tasarımlarının analizinde çok büyük derecede önem arz eder. Büyük boyutlu ısı değiştiricilerin termal ve hidrolik testleri bu ekipmanlarda geniş kapasiteli test yapma imkanlarının olmayışından zorlaşmaktadır. Bu nedenle genelde yapılan testler ya tek bir boru ile veya boru demetinin bir geometrik düzenlemesiyle sınırlı kalmaktadır. Her ne kadar bu veriler önemli bilgiler sağlasa da ısı değiştiricisindeki sıcaklık dağılımı ile ilgili detaylı bilgileri sağlamaz. Çünkü sıcaklık dağılımı boru demeti dizilişine ve boru demetindeki akışa bağlıdır. Bu yüzden taşıyıcı levha ile ortam arasında ısı taşınım katsayısını belirlemek için deneyler ancak modeller üzerinde gerçekleştirebilmektedir. Bu testler gaz ile taşıyıcı levha arasındaki ısı taşınım katsayısının belirlenmesini sağlar. Yüzey üzerinde sınır tabakanın gelişimi ve ayrılmadan ısı geçişini etkiler. Pratikte ısı değiştiricileri nadiren akışa karşı tek borudan oluşur. Çünkü bu durumda ısı transfer yüzeyi küçüktür. Endüstriyel uygulamalarda borular demet halinde bir araya getirilirler. Bu çalışmada çapraz akışta tek bir boru ve boru demetinde ısı transferi ve akış prensipleri açıklanmıştır. Boru demetleri sıralı veya üçgen olarak dizilirler. Boru demetlerinin ısı taşınım katsayısı dizilişlere bağlıdır. Hilpert tarafından boru demetlerindeki ısı taşınım katsayısını hesaplama metodu önerilmiştir. Grimison, Hilpert'in önerdiği denklemlerde tanımlanan katsayıları verir. Brandt, hacım boşluğu olarak tanımlanan boru demetlerindeki boşluk hacminin boru demetinin toplam hacmine oranını kullanarak başka bir hesap yöntemi geliştirmiştir. Yukarıda bahsedilen zorluklan aşabilmek ve deneyleri boru demetinin tek bir dizilişiyle sınırlandırmamak için özel olarak geliştirilmiş model üzerinde deneyler yapılmıştır. Bu model değişik boru çaplarında ve boru demeti dizilişleri için deneylerin yapılabilmesini sağlamıştır. Bu deneysel tasarımdaki değişkenler boru XI demetlerinin boyuna ve enine taksimatları ile Reynolds sayısıdır. Bu değişkenlerin ısı transferine etkileri incelenmiştir. Modeli terk eden hava çıkış kanalı, anonometreyi geçerek akışın ayarlandığı valfe ulaşır. Bu valf yardımıyla hava debisi istenildiği değerlere ayarlanarak çeşitli Reynolds sayılan elde etmek mümkün olmaktadır. Boru demetlerinde 11 boyuna 5 enine taksimat mevcuttur. Boru demeti geometrisi Grimison verileri esas alınarak düzenlenmiştir. Değişik enine taksimatlarda deney yapabilmek için kanal kesitini değiştirmek yerine boru dış çapı değiştirilmiştir. Boru demetini modellemek üzere maun ağacından yapılmış çubuklar kullanılmıştır. Levhadan çubuklara ısı transferini azaltmak için çubukların içleri boru şeklinde delinmiştir. Bu çubuklar tek taraftan ısıtılan taşıyıcı plakalar üzerine yerleştirilmiştir. Taşıyıcı plakanın sıralı ve üçgen Boyuna ve dizilişi için 17 farklı düzenlemesi üzerinden deney yapılmıştır. Isı transferi ve basınç düşümü için (1), (2) nolu boyutsuz denklemlerdeki A, b, B, s sabitleri, deneylerden elde edilen değerler kullanılarak en küçük kareler yöntemi yardımıyla belirlenmiştir. NuPr1/3 = AReb (1) f = AP/Cpue2 12) = B Res (2) Isı taşınım katsayısı Nu değerinin belirlenmesi için kullanılmıştır. Grimison ve Brandt denklemleri bu çalışma için özel olarak yazılmış bilgisayar programı yardımıyla belirlenmiştir. Hava debisi ve sıcaklık gibi deney sonucu elde edilen veriler programa girildiğinde sürtünme katsayısı (f) de program tarafından hesaplanmaktadır. Ana programın bir parçası olan grafik alt programı Reynolds sayısına bağlı olarak NuPr~1/3=AReb, f=AP/(pue2/2)=BRes grafik çıktılarını vermektedir. Sonuçların doğruluğu yanında en küçük kareler metoduyla elde edilen sonuçların pratikte uygulanabilir olmasına dikkat edilmiştir. Her bir boru çapı için enine taksimat sabittir. Bu durumda boyuna taksimatın azalması ile boru demeti taşıyıcı levhalarında ısı transferi artmıştır. Diğer taraftan boru demeti ısı taşınım katsayısı ile taşıyıcı levha ısı taşınım katsayısı arasında iyi bir korelasyon mevcut olduğu gözlenmiştir. Deneysel aşama ve veri değerlendirme sonucunda, boru demeti ile taşıyıcı levha ısı taşınım katsayıları arasında bir orantı olduğu sonucuna varılmıştır. Bu orantı, boru demeti dizilişinin geometrik parametrelerindeki değişimle çok yakından ilgilidir. Deneylerin sonucunda, ısı taşımmını boyutsuz denklemler elde edilmiştir. Boru demetleri boyunca basınç düşümü için benzer ifadeler de bu çalışmanın sonuçlarına ilave edilmiştir. Değişik tasarımlar için ısı taşınım katsayısın belirlenmesinde kullanabilirler.

This experimental study aims to determine the heat transfer coefficient on tube bundle support plates for various tube bundle arrangements. With the development of nuclear plants, steam generators have assumed crucial importance. In these steam generators, four different heating surface configurations are employed. These are Helical steam generators, Meander steam generators, Straight flow heat exchangers and U-tube heat exchangers. In helical steam generators, which are mostly used in practice, spirally coiled tubes of different diameters are nested inside each other, forming a compact cylindrical tube bundle. Support plates are used to retain this tube bundle. Thermal stress occurs on support plates. First of all, the heat transfer coefficient between gas and the plate must be known for stress analysis of support plates. Also detailed knowledge of fluid and thermal fields of large size heat exchanger, such as those used in nuclear applications is of paramount importance in thermal/hydraulic and the thermal/structural unit design analyses. Thermal and hydraulic testing of large size heat exchangers has been hindered by the lack of availability of large capacity testing facilities and therefore, experimentation has been limited to a single tube or single geometric arrangement of tube bundle. Although, these tests provide valuable information on tube performance, they do not provide information about the detailed temperature field within the unit, because this depends on tube bundle configuration and flow distribution within the bundle. Therefore, model tests have been carried out in order to determine the heat transfer coefficient between support plate and the medium. These model tests enable to determine the heat transfer coefficient between gas and plate. The boundary layer formation and separation on the surface affect the heat transfer. In practice, heat exchangers rarely consist of single tube in cross flow because in this case, heat transfer area is small. In industrial applications, tubes are arranged in bundles. Because of this, principles of flow and heat transfer in cross flow in a single tube and tube bundle are explained in this study. Tube bundle arrangements are either in line or staggered. Heat transfer coefficient of tube bundles depends on these arrangements. Calculation method for heat transfer coefficient of tube bundles is offered by Hilpert. Grimison gives the constants defined in equations offered by Hilpert. Brandt developed another calculation method utilizing the vacant volume ratio, which is the ratio of the unoccupied volume in between tube bundle to total volume of tube bundle. XUl Experiments are performed on a specially developed model in order to overcome the difficulties and not to limit the experiment to a single arrangement of tube bundle as mentioned above. This model provides the opportunity to make experiments with different tube diameters and tube bundle arrangements. In this experimental design, variables are transverse pitch, longitudinal pitch of tube bundles and Reynolds number. Effects of these variables on heat transfer are investigated. Air exhausted from the model, passing through outlet duct and the ananometer, reaches to the valve, which adjusts airflow rate. By means of this valve, it is possible to adjust airflow rate to desired values, which in turn help to obtain various Reynolds numbers. There are 1 1 longitudinal rows and 5 transverse rows of tube bundle. Tube bundle geometry arrangements are based on Grimison data. Rods with varying outside diameters are used in order to provide a constant duct cross- section while 1 and transverse pitches are varying. To model tube bundle, rods made of mahogany wood are used. To reduce the heat transfer from the plate to rods, rods were bored to form a hollow tube. These rods are placed on a support plate heated on one side. Experiments are made using 17 different in-line and staggered arrangement of support plates. Values obtained through experimentation are used to determine those constants A, b, B and s of dimensionless equations (1) and (2) for heat transfer and pressure drop by making use of least squares method. NuPr"1/3 = AReb (1) f = AP/(pUe2 12) = B Res (2) Heat transfer coefficient is used to determine Nu value. Grimison and Brandt equations are determined by the computer program specially written for this study. When the data obtained through experimentation such as flow rate and temperatures are entered to the program, friction coefficient (f) is also calculated by the program itself. Graphics subroutine, which is a part of the main program also provides various graphics such as NuPr "l/3 = AReb ; versus Re, f = AP/(pue2 IT) = BRes versus Re. A great attention is paid to practical applicability of the results obtained by least square method in addition to the correctness of the results. For each of the tube diameter, transverse pitch is constant. In this case, heat transfer on support plate increases with increasing longitudinal pitch. On the other hand, it is observed that there exists a good correlation between tube bundle heat transfer coefficient and support plate heat transfer coefficient. After experimentation and data evaluation, it is concluded that there exists proportionality between support plate heat transfer coefficient and tube bundle heat transfer coefficient. This proportionality is strongly related to the changes in geometric parameters of the tube bundle arrangement. As a result of the experiments, dimensionless equations related to heat transfer on tube bundle support plates are obtained. Similar expressions for pressure drops throughout tube bundles are also added to the result of this study. Designers can make use of these obtained dimensionless equations to determine heat transfer coefficients for different designs.