Sunum yükleniyor. Lütfen bekleyiniz

Sunum yükleniyor. Lütfen bekleyiniz

YTÜ Isı Proses Tezli YL AŞIRI SOĞUTMA TEKNİĞİ KROYEJENİK AKIŞKANLARIN DEPOLANMASI, TAŞINMASI ve YALITIMI Abdullah Tekin BARDAKCI 12522102.

Benzer bir sunumlar


... konulu sunumlar: "YTÜ Isı Proses Tezli YL AŞIRI SOĞUTMA TEKNİĞİ KROYEJENİK AKIŞKANLARIN DEPOLANMASI, TAŞINMASI ve YALITIMI Abdullah Tekin BARDAKCI 12522102."— Sunum transkripti:

1 YTÜ Isı Proses Tezli YL AŞIRI SOĞUTMA TEKNİĞİ KROYEJENİK AKIŞKANLARIN DEPOLANMASI, TAŞINMASI ve YALITIMI Abdullah Tekin BARDAKCI

2 Kroyejenide Yalıtım Gazların saflaştırılmasında, sıvılaştırılmasında yada ayrıştırılması gibi kriyojenik sistemlerde, örne ğ in sıvı metan için 112 K, sıvı helyum için 4,2 K vs vs gibi sıcaklıklarla u ğ raşılır. Isı kazancını minumum seviyelerde tutmak için tasarım mühendislerinin optimum yalıtımı sa ğ laması gerekmektedir.

3 Yüksek sıcaklıktaki ortamdan bu kroyejenik akışkanların depolandı ğ ı ve taşındı ğ ı tanklara ve borulara olan ısı kazancı, so ğ utma için harcanan enerjiye eşit anlamına gelir.

4 E ğ er yalıtım yapılmazsa, istenilen şartlarda akışkanları saklamak için dışarıdan yapılan so ğ utmanın, kompresörlerin harcadı ğ ı enerjinin, mekanik so ğ utma ünitelerinin maliyeti yapılmayan yalıtımın maliyetinden daha fazla olur, bu da istenmeyen bir durumdur.

5 Bu nedenlerle ısı kazancını düşürmek için ve böylece prosesimizin yada kroyejenik akışkanların depolanması için daha düşük enerji harcanması sa ğ lanmış olur.

6 Kroyejenik Depoların Yalıtımı Kroyojenik ekipmanların yalıtımında çeşitli methotlar vardır. Bunlar: 1) Genleşmeli Köpükler 2) Tozlu ve elyaf Malzemeler 3) Vakum Yalıtım 4) Vakumlanmış(boşaltılmış) tozlar ve elyaf malzemeler 5) Opaklaştırılmış Tozlar 6) Çokkatmanlı Yalıtım Methotu

7 Bu yöntemler, 1  6 ya kadar yalıtım performanlarının ve maliyetlerinin artışına göre listelenmiştir. Özel bir uygulama için hangisinin uygulanaca ğ ı: - Uygulamanın kolaylı ğ ı, - sistemin a ğ ırlı ğ ı(density), - sa ğ lamlı ğ ı ve maliyeti arasındaki optimizasyonla belirlenir.

8 1- Genleşmeli Köpük Yalıtımı (Expanded Foams) Genişletilmiş köpükler, köpük imalatı esnasında gelişen gaz tarafından oluşturulan bir hücresel bir yapıya sahiptir. Köpük yalıtım örnekleri arasında -Poliüretan köpük, -polistren köpük, kauçuk, -Silikon ve cam köpüğü gösterilebilir.

9 => Köpükler homojen olmadığı için ısıl iletkenliği; o kütle yoğunluğuna, o yalıtım ortalama sıcaklığına, o köpük izolasyonu için kullanılan gaza bağlıdır. => Şekil 1 ve II de köpük yoğunluğu ve ortalama sıcaklığıyla ısıl iletkenliğin değişimi gösterilmiştit.

10 Şekil 1 Poliestren köpü ğ ün yo ğ unlu ğ u ile ısıl iletkenli ğ inin de ğ işimi

11 Şekil II – Sabit Yo ğ unluktaki bilinen bir poliestrenin ortalama yalıtım sıcaklı ğ ıyla ısıl iletkenli ğ inin de ğ işimi

12 Çoğu genleşmeli köpük için kullanılan gaz, sıvı azot sıcaklıklarında düşük buhar basıncına da sahip olan CO2’dir. Başlangıçta, sıvı azot sıcaklıklarına soğutulurken, CO2’in çoğunun yoğuşmasındna dolayı, taze köpüğün ısıl iletkenliği azalır.

13 Köpü ğ ün belirli bir zaman ortam havasına maruz kalmasıyla, gözeneklere CO2 yerine hava dolar. Ama köpü ğ ü, Hidrojen ve Heliumdan oluşan bir ortamda daha uzun süreli bir periyotta tutarsak, bu sefer bu gazlar voidlerin (gap, boşlukların) içine difüze olurlar ki ısıl iletkenli ğ i 3 kat 4 kat daha artırılabilir.

14 Çünkü, H2 ve He gazlarının ısıl iletkenlikleri daha fazladır.

15 Sert köpüklerin ciddi dezavantajlarından biri büyük ısıl genleşme katsayılarıdır. -22 ile +86 ᵒF sıcaklıkları arasında, poliestren köpük 4x10 -5 F -1 ısıl genleşme katsayısına sahipken, oysaki aynı sıcaklık aralı ğ ı için Carbon çeli ğ inin genleşme katsayısı 0,64x10-5 F -1 dir.

16 Yani; Köpük, sıvı azot tankına çok yakın monte edilirse, so ğ uma esnasında içteki tanktan daha çok büzülece ğ inden dolayı kırılır, çatlar. Su buharı ve hava bu çatlaklardan akarak, izolasyon performansını ciddi oranda düşürür.

17 Sert köpükler; köpük içinde büzülme derzleri ve derzlere buhar ve hava difüze olmasını engellemek için kullanılan Mylar gibi plastik kılıf içinde olursa, izolasyon olarak kullanılabilir.

18 II- Gaz dolu Tozlar ve Elyaf Malzemeler (Gas-filled powders and fibrous insulations) Gözenekli- delikli (porous) izolasyonlar ; - fiberglass, - tozlaştırılmış mantar, - taş yünü, perlite (incitaşı), - santocel vb gibi malzemeleri kapsar. Gaz dolu tozlu ve elyaf izolasyonların ana mekanizması, materyal içindeki mevcut küçük gaz boşlukları nedeniyle oluşan konveksiyonun ortadan kaldırılması yada azaltılmasıdır.

19 Ek olarak bu malzemelerin ısıl iletkenli ğ i, ısı iletim yollarının dolambaçlı ve süreksiz olmaması nedeniyle, genleşmeli köpüklere oranla biraz daha azdır. Şekil III’de çeşitli türlerine göre sıcaklıkla ısıl iletkenli ğ in de ğ işimleri gösterilmiştir.

20 Şekil III- Düşük sıcaklıklarda çeşitli toz ve elyaf malzemelerin ısıl iletkenli ğ i

21 Nusselt, gas dolu tozlar ve elyaf malzemeler için ısı iletkenli ğ ini aşa ğ ıdaki formülle ifade etmiş : V r, katı hacminin/ toplam hacme oranı k s, katı malzemenin ısıl iletkenli ğ i k g, Yalıtım içindeki gazın ısıl iletkenli ğ i σ, Stefan Boltzman Sabiti (0,1714 x Btu/hr.ft 2. R 4 )

22 Kroyejenik sıcaklıklarda T 3 ün oldu ğ u ifade k g yi içeren terimden daha büyük oldu ğ u için: Ve hatta: Neden dönüştü? ( Katı materyalin ısıl iletkenli ğ i, izolasyon içindeki gazdan daha büyük )

23 Son denklemden de görüyoruz ki gas dolu tozlar ve elyafların ısıl iletkenli ğ i, izolasyon gazın iletkenli ğ ine yaklaşıyor. Ama bu açıklamanın, toz partikülleri arasındaki uzaklı ğ ın, gazın ortalama serbest yolundan daha da küçük oldu ğ u çok ince tozlar için bir istisnası var. Gazların ısıl iletkenli ğ i moleküllerin ortalama uzaklıklarıyla orantlılı oldu ğ u için, efektive gaz ısıl iletkenli ğ i azalır.

24 Gazla doldurulmuş elyaf malzemelerin bir dezavantajı da, buhar bariyeri (vapor barrier) kullanılmazsa, nem ve havanın izolasyon malzemesinden so ğ uk yüzeye difüze olmasıdır. Sıvı- Hidrojen tankları için, helyum tasviye gazı (purge gas) olarak kullanılabilir. Ama helyumun yüksek ısıl iletkenli ğ i, boşluk oranı helyum moleküllerinin ortalama serbest yolundan düşük olmadıkça, izolasyonun da iletekenli ğ ini de artırır.

25 III- Vakum Yalıtım (Vacuum Alone) 20. yy başlarında Dewar adlı bilim insanı, kryojenik tankların izolasyonu olarak yüksek vakum’u önermiştir. Vakum izolasyonunun kullanılması, temel olarak ısı transferinin 2 bileşenini ortadan kaldırır: - Katı ısı iletimi ve - Gaz taşınımı.

26 Isı, sıcak dış ceketten so ğ uk iç kaba radyasyon ile vakum izolasyonlu kabın halka şeklindeki boşlu ğ u boyunca aktarılır. (Termodinamik Analizi incelenecektir.) Vakum izolasyon (vakum alone), küçük boyutlu laboratuvar dewarlarında kullanılır.

27 İ TÜ Bilim ve Teknoloji Parkı

28 İ TÜ Bilim ve Teknoloji Parkı Laboratuvarı Vakum yalıtımlı 100 L dewar

29 Şekil – 4 Prex ve Metal Vakum kapları

30 Vakum Yalıtım’da Radyasyonla Isı Transferi Stefan Boltzman Işınım eşitli ğ i: (4) F e, yayıcılık faktör (emissitivity factor) T 1 ve T 2 sıcaklıkları sırasıyla so ğ uk ve sıcak yüzeyler, F 1-2, konfigürasyon faktörü ( İ ç kabın dış kap tarafından mahfaza edildi ğ i kroyejenik sıvı tanklarında 1’ e eşittir.)

31 Eş merkezli silindir ve küreler için F e : T N, en dıştaki yüzeyin mutlak sıcaklı ğ ı, T 1, en içteki yüzeyin mutlak sıcaklı ğ ı

32 Işınımla ısı tranferi, sıcak ile so ğ uk yüzey arasına sabit olmayan / yüzer radyosyon kalkanı konarak azaltılabilir. Örne ğ in, en dıştaki ve en içteki yüzeylerin yayıcılıklarının e 0 oldu ğ unu düşünün ve böylece e 1 =e 0 =e N Radyasyon kalkanı olmaksızın, paralel düz plakaların yayıcılı ğ ı: F e (kalkan yok) = e 0 /2-e 0 olur (A i =A 1 )

33 N s adet kalkan için yada N s+2 adet yüzey için eşitlik: e 0 = 0,90 ve e s =0,05 oldu ğ unu düşünelim, Yayıcılık faktörü : F e (kalkansız) = 0,889 F e (kalkanlı) =1/ (1, Ns)

34 10 adet kalkan (shield) kullanıldı ğ ı düşünürsek; F e (kalkansız) / F e (kalkanlı) =348 çıkar Bunun anlamı; 10 adet düşük yayıcılıkta kalkan (shileds) kullanılmasıyla radyasyonla ısı transferi 348 kat azaltılabilir.

35 Vakum Yalıtım’da Gaz iletimi ile Isı transferi Radyosyonla olan ısı transferine ek olarak, bir dewar içindeki vakum alanından (vacuum space) gas iletimiyle de enerji iletilebilir. Şekil - 5

36 Gaz basıncı, gaz moleküllerinin sertbest ortalama yolu iki yüzey arasındaki uzaklıktan daha büyük olacak şekilde düşükse, ısı iletimin tipi de ğ işir. Sabit ısıl iletkenlikteki sıradan iletimde, transfer olan ısı duvar içinde lineer sıcaklık gradyeni oluştururdu.

37 Ama burdaki serbest moleküler iletimde, gas molekülleri birbirlerine nadiren çarpar, çünkü ba ğ ımsız bir gaz molekülü, di ğ er gaz moleküllerine enerjisini transfer etmeksizin gaz alanı üzerinden hareket eder, çünkü onlarla çarpışmadı ğ ını söylüyor.

38 Şekil 5’ de gösterilen sırasıyla T 1 ve T 2 sıcaklıklarında tutulan parelel 2 levha düşünelim. Bir gas molekülü T 1 sıcaklı ğ ındaki so ğ uk yüzeye çarptı ğ ında enerjinin bir kısmını duvara transfer eder. Molekül duvar üzerinde enerji eşitli ğ ini kuracak kadar uzun kalmadı ğ ından dolayı, T 1 den az daha yüksek T 1’ sıcaklı ğ ında kinetik enerjiyle ayrılır.

39 Bu T 1’ sıcaklı ğ ındaki molekül vakum alanında hareket eder ve sıcak T 2 duvarına çarpar. Aynı şekilde molekül ısı dengesini kuracak kadar uzun süre kalmadı ğ ından dolayı molekül T 2 den az daha küçük T 2’ sıcaklı ğ ında, kinetik enerjiyle döner. Çarpışma sırasında, moleküllerin ısıl dengeye yaklaşım derecesi konaklama katsayısı ile ifade edilir:

40 Konaklama Derecesi (accommodation coefficient) Gerçek transfer olan ısı / Maksimum transfer olabilecek ısıya oranı’dır. Konaklama katsayısı, yüzey sıcaklı ğ ına ek olarak, gaz-yüzey birleşimine de ba ğ lıdır. Tablo 1’de bazı konaklama katsayıları gösterilmiştir.

41 Tablo 1 Konaklama Katsayıları

42 F a, konaklama faktörüdür, yayıcılık faktörü formunda ifade edilir.

43 Duvara çarpan moleküldeki birim kütle başına toplam enerji de ğ işimi, yüzeye çarpma anındaki iç enerji de ğ işimi ile yüzeye dik hareket edenki kinetik enerji de ğ işimlerinin toplamıdır: R= Spesfik Gaz sabiti C v = Gazın özgül ısısı Ɣ = özgül ısı oranı

44 Gazların kinetik teorisinden, birim alan başına moleküllerin kütle akış hızı : m/A= ¼ * p* v Burada: P = gazın yo ğ unlu ğ udur. P= P/R*T v: ortalama molekül hızı v = ((8*gc*R*T)/ π ) ^(0,5)

45 Bu ifadeyi bulduktan sonra moleküler iletkenlikle transfer edilen miktarı bulunur:

46 -Moleküler iletimin olabilmesi için, gaz moleküllerinin ortalama serbest yolu, iki duvar arasındaki mesafeden fazla olması gerekti ğ ini sölemiştik. -Bu formülle kontrol edilir:

47 Yani böylece, ile toplam ısı transferi hesaplanır.

48 Uygulama 1: Dış kabuk çapı 7 ft, iç kabuk çapının 5 ft oldu ğ u küresel bir dewarda, dıştan içe do ğ ru toplan ısı transferini hesaplyaca ğ ız. Dış kabuk özellikleri: Yüze sıcaklı ğ ı 80 F, yayıcılık 0,10, konaklama katsayısı 0,90 İ ç kabuk ise : 140 ᵒ R, yayıcılık 0,05, konaklama katsayısı ise 1 dir. Halka şeklindeki boşluktaki gaz, 10-5 mmHg basıncındaki havadır ve 80 ᵒ F’dir. Dewar, vakumlu izolasyon yöntemiyle izole edilmiştir.

49 1. Öncelikle ışınımla olan ısı transferi için yayıcılık faktörü : 2. İ ç kabuk alanı = A 1 = 75.8 ft 2 3. Radyosyonla Isı transferi

50 4. Konaklama Faktörü (Fa) 5. G: 6. Gaz basıncı mmHg, 2,79*10 -5 psfa eşit.

51 Şimdi de moleküler gaz iletimi ile ısı transfer:

52 Toplam Isı Transferi de: Q = Qr + Q g =463+8 = 471 btu/hr

53 Ortalama serbest yoluda hesaplayalım ki iki cidar arasındaki uzaklıktan çok olup olmadı ğ ını kontrol edelim: = 25 ft çıkar... İ ki cidar arasındaki fark = 7-5 /2 =1 ft 25 ft > 1 ft oldu ğ u için moleküler iletimin oldu ğ unu ispat ettik.

54 4- Vakumlanmış (boşaltılmış) Tozlar ve elyaflı malzemeler (Evacuated-powder and fibrous insulations) II. Kısımda, lifli ve tozlu izolasyon malzemelerinin ısıl iletkenliklerinin, düşük sıcaklıklardaki izolasyonlarda gazların ısıl iletkenli ğ ine yaklaştı ğ ını gördük. Bu bölümde, ısı transferini da daha da azaltmak için belirgin di ğ er bir yöntem de, yalıtım malzemesi içinden gaz boşaltmaktır.

55 Şekil 6 - Çekilen gazın basınc – Evacuated powder ısıl iletkenli ğ inin de ğ işimi

56 Yukardaki grafikte; Tipik bir toz izolasyonunun ısıl iletkenli ğ inin de ğ işimi gösterilmektedir. İ zolasyon malzemesi içindeki gazın basıncı atmosfer basıncından 10mmHg mertebelerine düştü ğ ünde, ısıl iletkenli ğ inde küçük bir de ğ işme olur. Bu basınç aralıklarında, izolasyon içindeki gazın ısıl iletkenli ğ i, çok ince tozlar haricinde basınçtan ba ğ ımsızdır,

57 Basınç daha da düşürülürse, ısıl iletkenli ğ in basınçla neredeyse lineer bir Şekil 7’ de de ğ işti ğ i II.bölgeye ulaşılır.

58 Gaz basıncının daha da azaltılması üzerine, gaz halindeki ısı transferinin önemi, radyosyon ve katı iletimle olan transferden daha da az önemli olmaya başlar. Bu noktada, izolasyon ısıl iletkenli ğ i basıncın azalmasıyla yatayda sabit kalmaya başlar ve ısıl iletkenlikli ğ i, ışınımla ve katı iletimiyle olan de ğ erlere yaklaşmaya başlar.

59 Sıvı Azot, sıvı hidrojen ve helyum sıcaklıklarında ışınımla olan katkı, katı iletiminden daha da azdır. Bu nedenle, vakumlanmış (boşaltılmış) tozlar (evacuated powders) sıvı Azot ile çevre arasındaki ısı transferi için, vakumlu yalıtımdan (vacuum alone) daha üstündür. Çünkü düşük sıcaklıklarda katı iletimi daha etkin olur, böylece sıvı zot, sıvı hidrojen ve sıvı Helyum sıcaklıkları arasında vacumla yalıtım kullanmak daha avantajlıdır. Vakumlanmış Toz ve Lifli yalıtımı üzerinden ısı transfer hızı Fourier Eşitli ğ inden hesaplayabiliriz:

60 Fourier Isı iletim denklemi: Δ x, yalıtım kalınlı ğ ı. T h, T c, yalıtım sıcak ve so ğ uk yüzeyleri A m, ortalama yalıtım yüzeyi alanı A 1 iç kabın yüzeyi ( A 2 dış kabın yüzeyidir.

61 Eş merkezli Silindir ve küreler için sırasıyla;

62 ASME’nin verdi ğ i torisferik başlı silindirler için: A= x π x D 2 D, başın düz flanşının çapıdır. Eliptik başlar için alan ifadesi: Buradaki D, başın büyük çapı D 1, elipsin küçük çapı yüzey alanı bulunur.

63 5- Opaklaştırılmış Toz İ zolasyonları (Opacified- powder insulation) Vakumlanmış (boşaltılmış) toz yalıtım içine bakır yada aliminyum pul ekleyerek performans artımı gerçekleştirilebilir. (Yani radyasyonla ısı transferini azaltarak) Şekil 8’ de iki adet opaklaştırıcı maddenin ısıl iletkenli ğ inin, opaklaştırıcı maddenin a ğ ırlıkça yüzdesiyle de ğ işimi gösterişmiştir.

64 Şekil 8 İ ki adet opaklaştırıcı maddenin ısıl iletkenli ğ inin, opaklaştırıcı maddenin a ğ ırlıkça yüzdesiyle de ğ işimi

65 Şekilden de görüldü ğ ü üzere a ğ ırlıkça oranlarının arası oldu ğ u karışım, optimum performansı vermektedir. Optimum opaklaştırıcı miktarı kullanarak, bir boşaltılmış toz izolasyon malzemesi kullanarak, 10x10 -4 den yaklaşık 2x10 -4 e kadar ısıl iletkenli ğ i azaltırız.

66 Güvenlik açısından, bakır pulların (copper flakes) aliminyuma göre tercih edilebilir oldu ğ u ispatlanmıştır, çünkü aliminyumun oksijen ile kombinasyonuyla yanma ısısı büyüktür. Sıvı oksijen konteynırlarında aliminyum opaklı toz kullanılırsa, vakum alanına do ğ ru küçük Oksijen sızıntılarında sürekli bir tehlike oluşturur. Bakır opaklı izolasyonlar, tamamen güvenli bir şekilde kullanılabilir.

67 Opaklaştırılmış tozların, titreşimin metal pullara (yapraklara) zarar vermesi gibi dezvantajları vardır. Birden fazla pul birlikte paketlenirse, termik kısa devre oluşur ve bu da yalıtımın ısıl iletkenli ğ ini artırır.

68 6- Çokkatmanlı Yalıtımlar (Multilayer Insulations) Çok katlı izolasyonlar, Yüksek yansıtıcı malzemelerden (reflecting materials): örne ğ in aliminyum folyo, bakır folyo yada Aliminyumlu Mylar Düşük iletkenlikli ayırıcı malzemelerden: (spacer material) örne ğ in fiber glas hasır veya ka ğ ıt, cam elyaflı dokuma (glass fabric), naylon tül (nylon net) gibi alternatif malzemelerden yapılır.

69 Multilayer izolasyonlar do ğ ru uygulandı ğ ı taktirde, btu/hr.ft.F gibi düşük ısıl iletkenlikler elde edilebilir. Bu yalıtım yöntemi, 1951 yılında Peterson tarafından İ sveç’de geliştirildi. O zamandan beri araştırmacılar, izolasyon performansını artırmak için çeşitli çokkatmanlı malzemelerden oluşan teknikler üzerinde çalışmalar yapmaktadır.

70 Multilayer izolasyonların etkili olması için mmHg altındaki basınçlara kadar vakumlanmalı, içleri boşaltılmalıdır (evacuate edilmelidir). Şekil 9 ’da tipik bir multilayer izolasyonun atık gaz basıncına ısıl iletkenli ğ inin ba ğ ımlılı ğ ı gösterilmektedir.

71 Şekil 9 Tipik bir multilayer izolasyonun atık gaz basıncına ısıl iletkenli ğ inin ba ğ ımlılı ğ ı

72 - Radyasyon (yansıtıcı) kalkanları: radyasyon azaltmak için. - Ayırıcı (spacer): katı iletim azaltmak için. - Tahliye (evacuation): gaz iletim azaltmak için.

73

74

75 Multilayer izolasyonların kütlesel yo ğ unlu ğ u bir dizi faktöre ba ğ lıdır: Yansıtıcı kalkanların yo ğ unlu ğ una ve kalınlı ğ ına Kullanılan ayırıcı malzemenin tipine Birim kalınlık başına katman kalınlı ğ ına ve katman sayısına ba ğ lıdı

76 m s, ayırıcı malzemenin (spacer material) kütlesi, ρ r, kalkan malzemesinin (shield material) yo ğ unlu ğ u t r, radyasyon kalkanının (shield material) kalınlı ğ ı N/ Δ X, birim kalınlık başına izolasyon katman sayısı- yo ğ unlu ğ u

77 Yo ğ unluk, daha ince folyo kullanarak yada daha az yo ğ un ayırıcı malzeme kullanarak azaltılabilir. Tipik bir multilayer izolasyon yo ğ unlukları, 2 – 20 lb/ft3 arasında de ğ işebilir.

78 İ yi vakumlanmış (well-evacuated) multilayer yalıtımda, ısı öncelikle ayırıcı tabakadan radyasyon ve katı iletimiyle transfer edilir. Bu durum için, aşa ğ ıdaki denklemden ısıl iletkenlik katsayısı hesaplanabilir:

79 h s, ayırıcı malzeme için katı iletkenli ğ ini, σ, Stefan Boltzman sabiti, e, kalkan malzemesinin efektilf yayıcılı ğ ı T 1 ve T 2, izalosyon malzemesinin sırasıyla so ğ uk ve sıcak tarafındaki mutlak sıcaklık

80 Yukardaki denkleme bakarak, katman yo ğ unlu ğ unu (layer density) artırarak, multilayer izolasyonun iletkenli ğ inin azalaca ğ ını görüyoruz.

81 Uygulama 2 Niendorf tarafından, süperyalıtım uygulamalarında esnek- elastik vakum ceketi- kılıfı kullanımı araştırılmıştır. 1) Esnek ceket, mylar filmin, aliminyum folyonun ve ba ğ lantı yerlerinin bir yapışkan ile contalanmasından oluşur.

82 II) Multilayer katman üzerine 15 PS İ A yük uygulanmasıyla, sıvı hidrojen sıcaklıklarında görünür ısıl iletkenlik misli kadar arttı ğ ı gözlemledi. Ama yük kaldırıldı ğ ında, iletkenlik elde edilen de ğ ere ger düştü ğ ü gözlemledi.

83 Uygulama III Elimizde so ğ uk ve sıcak yüzeyleri 140 R ve 530 R derece arasında görünür ısıl iletkenli ğ i 2,5x10 -5 btu/hr.ft.F, N/ Δ x (katman yo ğ unlu ğ u) 60 katman/inch (720 layers per foot) olan bir multilayer izolasyonumuz var. Kalkan malzemesinin (shield material) yayıcılı ğ ı e=0,05 ise, sıcak taraf 560 R dereceye yükseldi ğ inde aynı katman yo ğ unlu ğ u için görünür ısıl iletkenlik katsayısını hesaplayınız.?

84 Çözüm: 1)Öncelikle; denkleminde h s yi çeker ve inc- ft birim dönüşümünü de yaparsak:

85 2) Sıcak taraf 560 R dereceye yükseldi ğ inde: olarak hesaplanır. Görüldü ğ ü gibi, ısı iletkenlik katsayısı 2,5x10 -5 den 2,7x10 -5 Btu/hr-ft-F e düşmüştür.

86 7- Yalıtım Çeşitlerinin Kıyaslanması Aşa ğ ıdaki tabloda çeşitli kroyejenik yalıtımlarından ısı akılarının (heat flux) kıyaslanması verilmiştir.

87

88

89 Hepsinin Avantaj ve dezavantajlarını şu şekilde yazabiliriz: Genleşmeli Köpükler (Expanded foams) : Düşük maliyet, katı vakum ceketlerine ihtiyacı olmaması avantajlarıdır. Yüksek ısıl büzülme, zamanla iletkenli ğ in de ğ işmesi, di ğ er izolasyon malzemelerine göre yüksek ısıl iletkenli ğ i olması da dezavantajlarıdır. Gas-filled Powders and fibrous (Gaz doldurulmuş tozlar ve lifli malzemeler): Düşük maliyet, yamuk şekilli yüzeylere uygulayabilme kolaylı ğ ı avantajlarıdır. Buhar bariyeriyle kuru tutma zorunlulu ğ u dezavantajdır. Vacuum Malzeme (Vacuum alone) : Küçük kalınlıklarda ço ğ u izolasyondan daha az ısı akısı, düşük so ğ uma kaybı avantajlarıdır. Sürekli bir yüksek vakum ihtiyacı, sınır yüzeylerinin düşük yayıcılıkta olmasının istenmesi dezavanjlarıdır.

90 Vakumlanmış (boşaltılmış) Tozlar ve elyaf malzemeler: + 4 inchten daha kalın vacuum alonea göre daha düşük ısı akısı sa ğ laması, vakum seviyesinin vacuum alone ve multilayer yalıtımlara göre daha az olması, karışık şekillere kolayca monte edilebilmesi avantajlarıdır. - Titreşim altında tozların sıkılaşması, vakum sistemine ulaşan tozun önlenmesi için vakum filtrelerinin kullanılması da dezavantajlarıdır.

91 Opaklaştırılmış toz yalıtımı: + Sadece vakumlanmış (evacuated powders) tozlardan daha iyi bir performansının olması, Vakum ihtiyacının sadece vakum alone ve multilayer yalıtımlardaki gibi çok olmaması (vakum için harcanan güç) Karmaşık şekillerde kullanılabilmesi avantajlarıdır. - Al /Oksijen etkileşiminden patlama riski, Evacuated powderslardan yüksek maliyetli olması, Metal pulların yerleştirilmesi gibi problemler de dezavantajıdır.

92 Multilayer yalıtım: + Tüm yalıtım yöntemlerine göre en iyi performansı vermesi, Evacuated powder yalıtımlarına göre daha düşük a ğ ırlıkta olması ve daha düşük so ğ uma kayıpları, Tozlu yöntemlere göre daha kararlı-stabil olması (ambalajlama sorunlarının olmaması) avantajlarıdır - Birim hacim başına en yüksek maliyeti olması, karmaşık şekilli kaplara uygulamasının zor olması, Evacuated powder yalıtımına göre daha çok vakum ihtiyacının olması da dezavantajlarıdır.

93 Sıvı-kalkanlı Kaplar ( Liquid- shielded vessels)

94 Şekilde de görüldü ğ ü gibi sıvı helyum ve sıvı fluorine gibi pahalı ve tehlikeli akışkanların buharlaşma kaybını önlemek için, ortam sıcaklıklarında ana sıvıyı korumak amacıyla yardımcı bir akışkan kullanılır (örne ğ in sıvı-azot gibi). Ürün sıvısı iç kaba yerleştilir, yardımcı sıvı orta konteyner içidedir ve her iki kab da bir vakum ceketi tarafından çevrelenmiştir.

95 Sıvı-azot kalkanlı dewarlar, daha çok küçük ölçekli sıvı-He depolanmasında kullanılır (25-50 litre). Küçük boyutlu dewarlarda vakum alone yalıtımı daha yaygın kullanılır. Bu nedenle, sıvı-azot kalkanlı (korumalı) kullanılmasıyla buharlaşma kaybındaki azalma, yüzey sıcaklıklarının 4. kuvvetlerinin farkına ba ğ ımlıdır:

96 Korumalı buharlaşma kaybı ile korumasız kaybın oranı: ile ifade edilebilir. T 1, iç kab (inner) yüzey sıcaklı ğ ı T 2, dış kap (outer) yüzey sıcaklı ğ ı T s, kalkan (shield) yüzey sıcaklı ğ ı

97 Örne ğ in, T 2 = 530 R ve T 1 = 7,8 R (sıvı-He sıcaklı ğ ı) T s yardımcı yüzey de 139 R yani sıvı-Azot sıcaklı ğ ı olsun: Yani; kalkan kullanılmasıyla ısı kaybı 47/10000 oranında azalmıştır.

98 Sıvı-Flor, periyodik cetveldeki en reaktif elementtir; oksijenle ve hatta asal gazlarla bile tepkimeye girmesinden dolayı transfer ve depolama sırasındaki tehlikeleri en aza indirmek için sıvı-azot kalkanlı (korumalı) 3’lü duvarlı kaplarda depolanır. Ama açıkçası; multilayer katmanlı yalıtım tekni ğ inin gelişmesyle birlikte, sıvı-kalkanlı kaplar kullanımı popüliritesini kaybediyor. Genellikle, multilayer yalıtım, 3. bir kab olarak hareket eden kalkan (shield) dan daha da az maliyetlidir.

99 Genellikle, multilayer yalıtım, 3. bir kab olarak hareket eden kalkan (shield) dan daha da az maliyetlidir. Bu yüzden, sıvı-kalkanlı kaplar yerine, mevcut dewara çok katmanlı yalıtım yapılabilir.

100 Buhar-kalkanlı Kaplar (Vapor-shielded vessesls) Kroyejenik depolama kabından ısı sızmasını azaltmak için di ğ er bir yöntem de orta kalkanı (intermadiate shield) so ğ utmak için so ğ uk gaz (cold vent gas) kullanmaktır.

101 Şekil- Buhar- kalkanlı kapın çizimi Şekil- Buhar- kalkanlı kapın çizimi

102 Çevreden buhar kalkanına do ğ ru ısı transfer hızı: Q 2-s = U 2 x (T 2 – T s ) = U 2 x [( T 2 – T 1 ) ] = U 2 x [(T 2 –T 1 ) – (T s – T 1 ) ] Buradaki U 2 toplam ısı transfer katsayısı;

103 k t, izolasyonun, desteklerin (yatakların) ve ya borulamanın ısıl iletkenli ğ i, A, herbir birleşenin alanı Δ x, yalıtım kalınlı ğ ı, kap yataklarının desteklerinin uzunlu ğ u, ve borulama kalınlı ğ ı

104 Yine, kalkan ile ürünün oldu ğ u kap arasındaki ısı transferi de: Buradaki: m g, buharlaşan kayıp debi, h fg, ürün sıvısının buharlaşma ısısı,

105 -Ventilasyon gazının, kalkan sıcaklı ğ ına kadar ısındı ğ ındı ğ ı varsayarsak, çekti ğ i ısı: - Kalkana enerji dengesi uygularsak:

106 Bu iki denklemden m g den kurtulursak:

107 Yukardaki ifadeden boyutsuz sayılar türetirsek: kalkanın (shield) boyutsuz ifadesinı elde ederiz:

108 Bu tablodan, buhar-kalkanlı korumanın sıvı- he kapları için en verimli oldu ğ u görüyoruz.

109 E ğ er kalkandan olan geçen mg debisi sıfır olsaydı, kalkan sıcaklı ğ ı: olacaktı. Buhar-kalkanlı ısı kaybı ile kalkansız kaybın oranı:

110

111 Grafikte gösterildi ğ i gibi, seçilen π 1 de ğ eri için π 2 ile kalkan sıcaklı ğ ı de ğ işimini görebiliriz... Kalkan sıcaklı ğ ındaki azalmanın en büyük oldu ğ u yer, duyulıur ısının gizli ısıya oranının büyük de ğ erler aldı ğ ı yerdedir.

112 Bu ifadesinin, duyulur ısının gizli ısıya oranıyla olan de ğ işimi de aşa ğ ıdaki grafikte gösterilmiştir.

113

114 Yukardaki grafikten, sıvı-helyum depolama tankındaki ( π 1 =73) ısı akısının, buhar- kalkanı kullanarak 4-5 kat nasıl azaldı ğ ını görebiliyoruz. Sıvı- helyumun çok pahalı olmasından dolayı, kaçakların önlenmesiyle birlikte, ekstradan takılan buhar-kalkanı kısa sürede amorti edecektir.

115 Di ğ er taraftan, sıvı-Azot depolama sırasındaki buharlaşma kaybındaki azalma ( π 1 =1,14) sadece 1,2 kadardır. Sıvı azotun göreceli olarak daha ucuz olması, buhar- kalkanı kullanımı gibi ekstradan maliyet ve sorunlara de ğ meyebilir.

116 KAYNAKLAR 1 - The book, Cryogenic Systems, BARRON RANDAL Mcgraw-Hill Series in Mechanical Engineering İ TÜ Kütüphanesi Yer No: TP 482 B The book, Cryogenic Heat Transfer, BARRON RANDAL İ TÜ Kütüphanesi Yer No: TJ260 B The book, Cryogenic Technology, VANCE, Robert W. University of California İ TÜ Kütüphanesi Yer No: TP482 C E- magasine: Cryogenics, İ TU Library cryonic+insulation/- 3,0,0,B/l856~b &FF=tcryogenics&1,,2,1,0/indexsort=-

117 5- The book, Cryogenics: Theory, Process, Applications İ TÜ Kütüphanesi Yer No: QC278,4 C E-kaynak, İ TÜ Kütüphanesi Cryogenic Engineering, Second Edition, Revised and Expanded Thomas M. Flynn Sayfa: 445–535 revSearch=%255BFulltext%253A%2Binsulation%255D&searchHisto ryKey=

118

119


"YTÜ Isı Proses Tezli YL AŞIRI SOĞUTMA TEKNİĞİ KROYEJENİK AKIŞKANLARIN DEPOLANMASI, TAŞINMASI ve YALITIMI Abdullah Tekin BARDAKCI 12522102." indir ppt

Benzer bir sunumlar


Google Reklamları