Düz ve genişletilmiş yüzeylerde karlanma esnasındaki ısı ve kütle geçişinin deneysel incelenmesi ve düz levha için yeni bir kütle geçişi korelasyonu geliştirilmesi

Abstract

Bu çalışmada düz levhada ve kanatlı levhada karlanma esnasındaki; kar kalınlığı, biriken kar kütlesi ve ısı akısı ölçülmüştür. Kurulan deney tesisatında ilk olarak yatay düz levha ön ucunda homojen kabul edilebilecek bir hava hızı dağılımı sağlanmıştır. Hava sıcaklığı 21,9°C, bağıl nem %80 ve hava hızı 0.7 m/s iken; hava çıkış tarafındaki levha yüzey sıcaklıkları her testte farklı olarak; -15,1, -11,2, -7,1°C olduğu durumda yatay düz levhada kar oluşturulmuş ve bu koşullarda anlık kar kalınlığı, test sonunda ise biriken kar kütlesi ölçülmüştür. Literatürde çok nadir rastlanan, karlanma esnasındaki sürekli ısı akısı ölçümü de yapılmıştır. Biriken kar kütlesi bilindiğinden gizli ısı akısının hesaplanması mümkün olmuştur. Gizli ısı akısının hesaplanması toplam ısı akısı bilindiğinden duyulur ısı akısının da hesaplanmasını sağlamıştır. Duyulur ısı akısından anlık ortalama taşınımla ısı geçiş katsayıları hesaplanmıştır. Biriken kar kütlesi değerlerinden ortalama taşınımla kütle geçiş katsayıları hesaplanmıştır. Ortalama kütle geçiş katsayılarından ortalama Sherwood sayıları hesaplanmıştır. Yüksek düz levha sıcaklığında karlanmanın ilk aşamalarında beklenmedik bir ısı akısı artışı gözlemlenmiştir. Kar yüzey sıcaklığını bilmeyi gerektirmeyen, boyutsuz levha uzunluğu parametresini de içeren yeni bir boyutsuz kütle geçişi korelasyonu geliştirilmiştir. Kütle geçiş korelasyonu; hava sıcaklığından, hava hızından, bağıl nemden, levha sıcaklığından, levha uzunluğundan, levha genişliğinden ve zamandan türetilen; Reynolds sayısı, Fourier sayısı, özgül nem, boyutsuz sıcaklık, boyutsuz levha uzunluğu parametrelerinden oluşmaktadır. Korelasyon oluşturulurken önceki araştırmacıların kar kütlesi ölçümleri sunulan ölçümlere dahil edilerek oldukça geniş bir aralıkta geçerli olan bir korelasyon geliştirilmiştir. Korelasyonun geçerli olduğu aralık; hava hızı için 0,7 – 2,5 m/s, hava sıcaklığı için 5 – 22°C, levha sıcaklığı için -5 – -25 °C, bağıl nem için %50 – %83,73 ve levha uzunluğu için 85,6 – 300 mm'dir. Levha uzunluğunun boyutsuzlaştırılması korelasyonun geçerliliğini artırmıştır. Kanatlı levha çalışmalarında ise düz levha çalışmalarında üniform hava hızı dağılımı sağlanmış olan deney hücresine çok az çalışmada rastlanabilen kanat aralığı olan 4 mm aralıkla levha yüzeyine 19 mm yüksekliğinde 1 mm kalınlığında kanatlar konumlanmıştır ve karlanma incelenmiştir. 10°C hava sıcaklığında %75 bağıl nemde, hava hızı 0,7 m/s iken; kanatlı yüzeyi soğutan su banyosu sıcaklığı her testte farklı olarak; -23°C, -30°C, -33°C değerlerine getirilerek kanatlı yüzey üzerinde kar oluşturulmuştur. Hava çıkış kenarına yakın konumdan levha yüzey sıcaklığı, akış doğrultusunda ve akış doğrultusuna dik sıcaklıklar ise kanat üzerinde ölçülmüştür. Bunun yanında deney sonunda biriken kar kütlesi, literatürde çok nadir rastlanan sürekli ısı akısı ve sık kanatlı bir yapıda karlanmanın ön ve üst profilini oluşturan kar kalınlığı dağılımı da ölçülmüştür. Kanatlar arasındaki kar profili incelendiğinde kanat üst ucundan itibaren uzunca bir kısımda kar profili düz devam ederken tabana yakın kısımda kar birikimi sebebiyle daha kalın bir kar tabakası oluşmuştur. Ayrıca tabanda kanatların tam ortasındaki bölgede literatürde ilk defa bir kar tepesi gözlemlenmiştir. Kanatların ön yüzünde dışarı doğru bir kar tabakası birikimi de gözlemlenmiştir. Kanatların ön bölümü tıkandıkça hava yukarıya yönlenmektedir. Kanatlı yüzeylerin duyulur ısı geçişini arttırıcı bir etki yaptığı anlaşılmaktadır. Sıcaklık ve ısı akısı grafiklerinin eğimleri incelendiğinde en sıcak levha test şartı olan -23°C su banyosu testinin ikinci yarısında grafik eğimlerinin farklı olduğu görülmüştür, bu durum karlanmanın yüksek levha sıcaklığında etkisinin daha uzun sürdüğünü göstermektedir.