S.Ü. Müh. Bilim ve Tekn. Derg., c.6, s.4, ss. 694-711, 2018
Selcuk Univ. J. Eng. Sci. Tech., v.6, n.4, pp. 694-711, 2018
ISSN: 2147-9364 (Electronic)
DOI: 10.15317/Scitech.2018.161
FARKLI KESİT GENİŞLEMELİ GEOMETRİLERİN KLİMA SANTRALLERİ İÇİN TASARLANAN
BİR ANEMOSTAT TİP DİFÜZÖRLÜ BOŞ HÜCREDEKİ AKIŞA ETKİSİNİN SAYISAL OLARAK
İNCELENMESİ
Muhammed Safa KAMER, 2Kerim SÖNMEZ, 3Ahmet KAYA
1
Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Makine Mühendisliği, Kahramanmaraş, Türkiye
2Karadeniz Teknik Üniversitesi, Teknoloji Transfer Ofisi, Trabzon, Türkiye
1* msafakamer@ksu.edu.tr, 2 kerim-sonmez@hotmail.com, 3 kaya38@ksu.edu.tr
1,3
(Geliş/Received: 30.03.2018; Kabul/Accepted in Revised Form: 11.05.2018)
ÖZ: Klima santrallerinde kullanılan fanların çıkış kesit alanı, fandan sonra gelen ısıtma/soğutma
bataryaları, susturucu, filtre, karışım odası veya ısı geri kazanım vb. hücrelerin kesit alanından küçüktür.
Klima santralinin verimli bir şekilde çalışabilmesi için fanın üflediği havanın bir sonraki hücreye
mümkün olan en düşük basınç düşüşü ve homojen hız dağılımı ile yayılması gerekir. Küçük bir kesit
alanından çıkan havayı daha büyük bir kesit alanına yaymak için difüzörler kullanılmaktadır. Bu
çalışmada, havanın boş hücrede daha kısa mesafede homojen dağılımını sağlamak için hem boş
hücredeki kesit genişlemesinin yapısı hem de giriş kesitinde kullanılan difüzör yapısının etkisi sayısal
olarak incelenmiştir. Boş hücrenin kesit genişlemesinin yapısının akış üzerindeki etkisini belirlemek
amacıyla 5 farklı geometri (kare geometrili ani kesit genişlemesi, 45° iki yandan kesik geometrili kesit
genişlemesi, 45° dört yandan kesik geometrili kesit genişlemesi, 15° iki yandan kesik geometrili kesit
genişlemesi, 15° dört yandan kesik geometrili kesit genişlemesi) oluşturulmuştur. Difüzör yapısı olarak
da düz (piramit yüksekliği = 0 mm) ve piramit (piramit yüksekliği = 30, 60 mm) şekilli anemostat tip
difüzör kullanılmıştır. 80° kanat açısındaki üç farklı yükseklikte anemostat tipi difüzörün kullanıldığı
beş farklı kesit genişlemesinin boş hücredeki basınç düşümüne ve hız dağılımına etkisi sayısal olarak
araştırılmıştır. Araştırma sonucunda, 45° dört yandan kesik geometrili kesit genişlemesine sahip boş
hücrede en düşük basınç düşümü elde edilmiştir ve ayrıca difüzör piramit yüksekliğinin artmasıyla da
basınç düşümünün azaldığı belirlenmiştir. 45° dört yandan kesik geometrili kesit genişlemesine sahip
boş hücre içinde homojen hava akışının 80° kanat açısındaki anemostat tipi difüzörlerde h=0 ve 30 mm
piramit yüksekliklerinde olduğu tespit edilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Anemostat tip difüzör, Basınç düşümü, Fan, Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD), Klima
santrali,
Numerical Investigation of The Effect Of Geometries with Different Cross Section Expansion on The
Flow in An Empty Cell with An Anemostat Type Diffuser Designed For Air Conditioning Power
Plants
ABSTRACT: The output cross-sectional area of the fans used in the air conditioning power plants is
smaller than the cross-sectional area of cells, which are located after the fan, such as heating/cooling
batteries, silencer, filter, mixing chamber or heat recovery. In order for the air conditioning power plant
to operate efficiently, the air that the fan blows must spread to the next cell with the lowest possible
pressure drop and homogeneous velocity distribution. Diffusers are used to spread air from a small to a
larger cross-sectional area. In this study, both the structure of the sudden section expansion in the empty
cell and the effect of the diffuser structure used in the inlet section have been numerically investigated to
provide a homogeneous distribution of air at shorter distance in the empty cell. Five different geometries
Farklı Kesit Genişlemeli Geometrilerin Klima Santralleri İçin Tasarlanan
Bir Anemostat Tip Difüzörlü Boş Hücredeki Akışa Etkisinin Sayısal Olarak İncelenmesi
695
(sudden section expansion with square geometry, section expansion with cut geometry from 45° on both
sides, section expansion with cut geometry from 45° on four sides, section expansion with cut geometry
from 15° on both sides, section expansion with cut geometry from 15° on four sides) have been created to
determine the effect on flow of the structure of the section expansion of the empty cell. Flat (pyramid
height = 0 mm) and pyramid (pyramid height = 30, 60 mm) shaped anemostat type diffusers have been
used as the diffuser structure. The effect of five different cross section expansions where anemostat type
diffuser is used at three different heights with 80° wing angle on the pressure drop and the velocity
distribution in the empty cell has been investigated numerically. As a result of this study, the lowest
pressure drop has been obtained in the empty cell with a section expansion with cut geometry from 45°
on four sides, and it has also been determined that the pressure drop reduces with increasing the height
of the diffuser pyramid. The homogeneous airflow in the empty cell with a section expansion with cut
geometry from 45° on four sides has been found at h = 0 and 30 mm pyramid heights in the anemostat
type diffusers at the 80° wing angle.
Key Words: Anemostat type diffuser, Pressure drop, Fan, Computational fluid dynamic (CFD), Air conditioning
power plant
GİRİŞ (INTRODUCTION)
Klima santrallerinde emiş ve/veya üfleme fanlarının çıkışlarındaki hava akış hızları 8-15 m/s
mertebelerinde olup, akışın hız dağılımı tam gelişmiş türbülanslı akıştaki hız dağılımından farklıdır
(HVAC, 2006). Bu sebeple, fandan sonra arada yeterli uzunlukta bir santral bölümü veya delikli
difüzörlü bir boş hücre kullanılmalıdır. Aksi durumda; havanın fan hücresinden sonra yer alan
ısıtma/soğutma bataryaları, susturucu, filtre, karışım odası veya ısı geri kazanım vb. hücre yüzeylerinin
ancak belirli bir kısmı ile teması söz konusu olmaktadır. Bu durum santrallerin çalışma verimlerini
önemli ölçüde düşürmektedir. Çalışma verimini istenen seviyede tutabilmek için fan üfleme ağzından
sonra hava dağılımını kolaylaştıran perfore (delikli) sacdan yapılmış bir delikli difüzörün de içinde
bulunduğu fan çark çapının yaklaşık 0.8-1.5 katı uzunlukta boş hücreler kullanılmaktadır (Bilge, 2010).
Delikli difüzörlü bir boş hücre kullanımı halinde, yukarıda bahsedilen hücrelerin tüm yüzeylerinden
havanın homojen bir şekilde geçirilerek çalışma verimlerinin arttırılması ve buna bağlı olarak santral içi
basınç kaybının azaltılması mümkün olmaktadır (Bulut ve diğ., 2011; Tanyol, 2012). Santral içi basınç
kaybının azaltılması ve havanın fandan sonraki hücrelere olabildiğince homojen bir şekilde yayılması
enerji verimliliği açısından oldukça önemli bir durumdur.
Literatürde akışı kontrol etmek amacıyla akış alanına yerleştirilen farklı geometrilerdeki birçok
delikli sac plakadan kaynaklanan basınç düşüşü akış karakteristikleri sayısal ve deneysel olarak
araştırılmıştır (Şahin, 1989; Şahin ve Ward-Smith, Şahin ve Ward-Smith, 1987; Şahin ve Ward-Smith,
1990; Şahin ve Ward-Smith, 1991; Şahin ve Ward-Smith, 1993; Şahin ve diğ., 1995; Noui-Mehidi ve diğ.,
2005; Guo ve diğ., 2013).
Bayramgil ve diğ. (1998) bir iklimlendirme sistemi fanının çıkış kesitinde bulunan deliksiz difüzör
içerisindeki akışı sayısal olarak incelemişlerdir. Difüzördeki akışın sayısal incelemesi için çeşitli difüzör
açılarındaki cidar statik basınç dağılımlarını ölçmüşlerdir. Difüzör çıkışındaki akışın düzgün olmadığını,
türbülans seviyesinin noktadan noktaya önemli ölçüde değişkenlik gösterdiğini ortaya koymuşlardır.
Abantoa ve diğ. (2004) bilgisayar odasının akış analizi ve konfor koşullarını sayısal olarak
belirlemişlerdir. Bilgisayar odası Solidworks ticari yazılımıyla modellenmiş ve FLUENT programında
çözülmüştür. Odanın havalandırılması için dört-yollu difüzör kullanılmış ve kütlesel debi girişi olarak
tanımlanıp sayısal analizi yapılmıştır.
Zhang ve diğ. (2009) dört farklı difüzör kullanarak (çeyrek daire delikli difüzör; ızgara difüzör;
zemin delikli pano difüzör; ve swirl difüzör) bir ofisteki akışı Fluent paket programı ile
modellemişlerdir.
696
M. S. KAMER, K. SÖNMEZ, A. KAYA
Literatür araştırmasında klima santralinde kullanılan kare kesitli kesik piramit şeklindeki bir delikli
difüzörlü boş hücre için yapılan bir HAD (hesaplamalı akışkanlar dinamiği) çalışmasında iki farklı
ebattaki geometriler için sayısal analiz çalışması yapılmış olup, hücre çıkışındaki hız dağılımları
incelenmiştir. (Bulut ve diğ., 2011; Tanyol, 2012).
Bulut ve diğ. (2011) iklimlendirme sistemlerinde kullanılan klima santrallerinin veriminin
arttırılmasına yönelik CFD (hesaplamalı akışkanlar dinamiği) yöntemiyle incelemeler yapmışlardır.
Klima santrallerindeki mevcut hücre yapısını CFD analiz programı olan Fluent’de çözerek, çıkan
sonuçları değerlendirip akışın yapısını bozan ve yüksek basınç düşümüne neden olan kısımlar tespit
edilmiştir.
Yiğit ve diğ. (2013) piyasada mevcut standart difüzörlerden (yayıcı) farklı olarak dağıtıcılık özelliği
yüksek bir difüzörün tasarlanması amacıyla, çeşitli düşey kanat açısına sahip olan difüzörlerin
ortamdaki hava dağıtıcılığını sayısal olarak incelemişlerdir. Oda içerisine yerleştirilen difüzörün çeşitli
düşey kanat açılarında sayısal testlerini yaparak havanın ortamdaki dağılımını, hızını ve difüzörde
ortaya çıkan basınç düşümlerini, ANSYS-Fluent paket programı kullanılarak belirlemişlerdir.
Kaya ve diğ. (2017) düz ve piramit şekilli anemostat tip difüzör kullanılması durumu için havanın
boş hücreden sonraki üniteye yayılma durumunu ve difüzör tiplerinin boş hücrede sebep olduğu statik
basınç düşüşünü sayısal olarak araştırmışlardır. Boş hücre içinde en homojen hava akışının düz
anemostat tip difüzörde 80° kanat açısında olduğu tespit edilmiştir.
Bu çalışmada; 80° kanat açısına sahip farklı yüksekliklerdeki anemostat tip difüzör ve boş hücrenin
kesit genişlemesi için tasarlanmış beş farklı geometri ele alınmıştır. Farklı difüzör yükseklileri ve farklı
boş hücre geometrilerinin akışa ve basınç düşümüne etkisi sayısal olarak araştırılmıştır. Olası bir
iyileştirme sağlandığında üreticilerle bu sonuçların paylaşılması hedeflenmiştir.
MATERYAL VE METOD (MATERIALS AND METHODS)
Anemostat tipi geometriye sahip difüzörlü boş hücre için sayısal analizler ANSYS 18.1 programında
gerçekleştirilmiştir. Analizler 80° kanat açısına sahip üç farklı anemostat geometrisi (h = 0, 30, 60 mm) ve
beş farklı boş hücre (kare geometrili ani kesit genişlemesi, 45° iki yandan kesik geometrili kesit
genişlemesi, 45° dört yandan kesik geometrili kesit genişlemesi, 15° iki yandan kesik geometrili kesit
genişlemesi, 15° dört yandan kesik geometrili kesit genişlemesi) belirlenerek gerçekleştirilmiştir. Bu
parametrelerin basınç düşüşüne ve boş hücredeki hız dağılımına olan etkileri incelenmiştir.
Anemostat Tipi Difüzörlü Boş Hücre (Empty Cell with Anemostat Type Diffuser)
Sayısal analizlerde kullanılan anemostat tipi geometriye sahip difüzörlü boş hücre geometrisi Şekil
1’de verilmiştir. Sayısal analizlerde düz anemostat tipi (Şekil 2a) ve piramit anemostat tipi (Şekil 2b)
geometriye sahip difüzörlü boş hücre ayrı ayrı incelenmiş olup, her iki tipteki geometri için 80° kanat
açısında analizler gerçekleştirilmiştir.
Farklı Kesit Genişlemeli Geometrilerin Klima Santralleri İçin Tasarlanan
Bir Anemostat Tip Difüzörlü Boş Hücredeki Akışa Etkisinin Sayısal Olarak İncelenmesi
(a) Giriş kesitinden görünüş
697
(b) Çıkış kesitinden görünüş
Şekil 1. Anemostat tip difüzörlü boş hücre
Figure 1. Empty cell with anemostat type diffuser
Yapılan çalışmada boş hücre kesiti 1200 mm x 1200 mm, hücre derinliği 5000 mm olarak alınmıştır.
Boş hücreye havanın girdiği kesit 600 mm x 600 mm genişliğinde ve 125 mm uzunluğundadır.
Difüzörün giriş kesiti, 600 mm x 600 mm’lik kesit alanından 1200 mm x 1200 mm’lik kesit alanına geçiş
noktasından çıkışa doğru 10 mm ileride olacak şekilde monte edilmiş ve difüzörün çıkış kesiti 1200 mm
x 1200 mm’lik boş hücre kesitine ortalanacak şekilde tasarım yapılmıştır. Anemostat tipi difüzör 10
kanattan oluşmaktadır. Girişten 10 mm sonraya yerleştirilen difüzörde her bir kanat uzunluğu 30 mm
olarak alınmıştır. Anemostat tipi difüzörlü boş hücre için geometrik bilgiler Şekil 2’de verilmiştir. Şekil
2’ de verilen α anemostat tip difüzörün kanat açısını, h ise anemostat tip difüzörün yüksekliğini ifade
etmektedir.
(a) Düz Anemostat
(b) Piramit Anemostat
Şekil 2. Anemostat tipi difüzörlü boş hücrenin geometrik detayları
Figure 2. Geometric details of empty cell with anemostat type diffuser
Farklı Profillerdeki Boş Hücre
(Empty Cell in Different Profiles)
Sayısal analizlerde kullanılan beş farklı geometriye (kare geometrili ani kesit genişlemesi, 45° iki
yandan kesik geometrili kesit genişlemesi, 45° dört yandan kesik geometrili kesit genişlemesi, 15° iki
yandan kesik geometrili kesit genişlemesi, 15° dört yandan kesik geometrili kesit genişlemesi) sahip
difüzörlü boş hücre görüntüleri Şekil 3’de verilmiştir.
M. S. KAMER, K. SÖNMEZ, A. KAYA
698
(a) Kare geometrili ani kesit genişlemesi
(b) 45° iki yandan kesik geometrili kesit
genişlemesi
(c) 45° dört
genişlemesi
yandan
kesik
geometrili
kesit
(d) 15° iki yandan kesik geometrili kesit
genişlemesi
(e) 15° dört yandan kesik geometrili kesit genişlemesi
Şekil 3. Farklı tip kesit genişlemesine sahip boş hücreler
Figure 3. Empty cells having different types of section expansion
Yapılan çalışmada kullanılan boş hücre geometrilerinin üst görünüşleri için geometrik bilgiler Şekil
4’de verilmiştir.
Farklı Kesit Genişlemeli Geometrilerin Klima Santralleri İçin Tasarlanan
Bir Anemostat Tip Difüzörlü Boş Hücredeki Akışa Etkisinin Sayısal Olarak İncelenmesi
(a) Kare geometrili ani kesit genişlemesi
(b) 45° iki yandan kesik geometrili kesit genişlemesi
(i) ön görünüş
(ii) üst görünüş
(c) 45° dört yandan kesik geometrili kesit genişlemesi
d) 15° iki yandan kesik geometrili kesit genişlemesi
699
M. S. KAMER, K. SÖNMEZ, A. KAYA
700
(i) ön görünüş
(ii) üst görünüş
(e) 15° dört yandan kesik geometrili kesit genişlemesi
Şekil 4. Farklı tip kesit genişlemesine sahip boş hücrelerin geometrik detayları
Figure 4. Geometric details of empty cells having different types of section expansion
Değişken Parametreler (Variable Parameters)
Bu çalışmada, değişken parametre olarak farklı tip geometride boş hücreler ve farklı yükseklikteki
anemostat tipi difüzörler çalışılmıştır. Anemostat tipi difüzör geometrisi; düz (h = 0 mm) ve piramit (h =
30, 60 mm) olarak belirlenmiştir. Farklı tip boş hücre de beş farklı geometriyi (kare geometrili ani kesit
genişlemesi, 45° iki yandan kesik geometrili kesit genişlemesi, 45° dört yandan kesik geometrili kesit
genişlemesi, 15° iki yandan kesik geometrili kesit genişlemesi, 15° dört yandan kesik geometrili kesit
genişlemesi) ifade etmektedir.
Sayısal Modelleme (Numerical Modeling)
Yapılan sayısal çalışmada, oluşturulan geometrilerin akış analizleri ANSYS 18.1 programında
gerçekleştirilmiştir. Havanın boş hücreye girdiği 600 mm x 600 mm’lik kesit için ‘mass-flow-inlet
(kütlesel debi girişi)’, havanın boş hücreyi terk ettiği 1200 mm x 1200 mm’lik çıkış kesidi için ‘pressureoutlet (basınç çıkışı)’ ve diğer tüm yüzeyler için ‘wall (duvar)’ sınır şartı tanımlanmıştır. ‘Mass-flow-inlet
(kütlesel debi girişi)’ sınır şartı verilen giriş kesitindeki kütlesel debi 3.6162 kg/s, ‘pressure-outlet (basınç
çıkışı)’ sınır şartı verilen çıkış kesitindeki gösterge basıncı 700 Pa, ‘wall (duvar)’ sınır şartı verilen
yüzeylerdeki cidar pürüzlülüğü 0.0032 mm olarak alınmıştır. Klima kanal ve difüzör malzemelerinin
yüzey pürüzlülükleri ölçülmemiş olup, haddelenmiş yüzeyler için ilgili kaynaklarda belirtilen
pürüzlülük değerlerinden ortalama yaklaşık değer kabul edilmiştir (Bağcı, 1998). Sayısal çözümü ağ
yapısından bağımsızlaştırma çalışması yapılmıştır. Bunun için ağ elemanı boyutu anemostat tipi difüzör
cidarlarında maksimum 3 mm, boş hücrenin geriye kalan kısmında beş farklı boyutta analizler
gerçekleştirilmiştir. Ağ yapısından bağımsızlaştırma çalışması yapılan analizler, kare geometrili ani kesit
genişlemesine sahip boş hücre içerisinde 80° kanat açısında düz (h=0) anemostat tipi difüzör
kullanılarak gerçekleştirilmiş ve bu analizlerden elde edilen basınç düşümü değerleri Çizelge 1’de
verilmiştir. Çizelge 1 incelendiğinde maksimum hacim elemanı boyutlarının 10mm, 15mm ve 20mm
olduğu analizlerden elde edilen basınç düşümü değerlerinin birbirlerine çok yakın değerler olduğu
görülmektedir. 20mm’den daha düşük hacim elemanı boyutlarındaki analizlerde basınç düşümünün
neredeyse değişmediği tespit edilmiştir. Bundan sonra yapılan analizlerde ağ elemanı boyutu anemostat
tipi difüzör cidarlarında maksimum 3 mm, boş hücrenin geriye kalan kısmında maksimum 20 mm
olarak belirlenmiş (ağ yapısı ortalama eleman sayısı 5,500,000), türbülans modeli olarak standart k-ε
modeli seçilmiştir (Kaya ve diğ., 2017). Türbülans çözücü ve ağ yapısını belirlemede; literatürde V
profilli bir difüzör için yapılan deneysel bir çalışma alınmış, test bölgesi ANSYS’de modellenerek elde
edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır (Çizelge 2 ve Şekil 5), (Taçgün, 2016). Bu çalışmada kullanılan
geometri ve ağ yapısı ise Şekil 6’da verilmiştir.
Farklı Kesit Genişlemeli Geometrilerin Klima Santralleri İçin Tasarlanan
Bir Anemostat Tip Difüzörlü Boş Hücredeki Akışa Etkisinin Sayısal Olarak İncelenmesi
701
Çizelge 1. Kare geometrili ani kesit genişlemesine sahip boş hücrede farklı eleman boyutlarında oluşan
basınç düşümü
Table 1. Pressure drop at different element sizes in empty cell having sudden cross section expansion with square geometry
Maksimum
Hacim
Elemanı Boyutu
[mm]
10
15
20
25
30
Anemostad
Maksimum
Yüzey Elemanı
Boyutu [mm]
3
3
3
3
3
Eleman
Sayısı
Maksimum
Çarpıklık
Minimum
Ortogonal
Kalite
Statik Basınç
Düşümü,
∆P [Pa]
32,666,943
10,875,996
5,579,766
3.699.135
2,873,368
0.82660
0.81358
0.80656
0.81205
0.81226
0.17340
0.18642
0.19344
0.18795
0.18774
148.83654
150.38596
151.66988
165.61637
176.03717
* Analizler 80° kanat açısında düz (h=0) anemostat tipi difüzör kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
Ağ yapısındaki hücrelerin kalitesi (ortogonal kalite, çarpıklık), sayısal çözümün doğruluğu üzerinde
önemli bir etkiye sahiptir. Ortogonal kalite (Orthogonal quality), hücre çarpıklığı ve hücre ağırlık
merkezinden hücrenin her yüzüne olan vektörler, karşılık gelen yüzey alanı vektörü ve hücre ağırlık
merkezinden bitişik hücrelerin her birinin ağırlık merkezlerine olan vektörler kullanılarak hücreler için
hesaplanır. En kötü hücreler 0’a daha yakın, en iyi hücreler de 1’e daha yakın bir ortogonal kaliteye
sahip olacaktır. Tüm hücre tipleri için minimum ortogonal kalite 0.01’den daha fazla olmalı ve ortalama
değer ise bu değerden önemli ölçüde daha yüksek olmalıdır. Çarpıklık (Skewness), hücrenin şekli ile
eşdeğer hacimli eşkenar bir hücrenin şekli arasındaki fark olarak tanımlanır. Çok eğimli (çarpık)
hücreler doğruluğu azaltabilir ve çözümü istikrarsızlaştırabilir. Örneğin, en uygun dörtgen gözenekler
90 dereceye yakın köşe açılarına sahipken, üçgen kafesler tercihen 60 dereceye yakın açılara sahip olmalı
ve 90 dereceden daha az açılara sahip olmalıdır. Genel bir kural, çoğu akışta üçgen/dörtyüzlü ağ için
maksimum çarpıklığın 0.95’in altında tutulması gerektiği ve ortalama değerin ise bu değerden önemli
ölçüde daha düşük olması gerektiğidir (Ansys Fluent User’s Guide). Bu çalışmada yapılan analizler için
oluşturulan ağ yapıları içerisinde en düşük ortogonal kalite değeri 0.17, en düşük ortalama ortogonal
kalite değeri 0.76, en yüksek çarpıklık değeri 0.83 ve en yüksek ortalama çarpıklık değeri 0.23 olarak
tespit edilmiştir. Bu değerlerin yukarıda verilen kabul edilebilir aralıklar içerisinde olduğu
görülmektedir.
Çizelge 2. V Difüzördeki basınç düşümünün deneysel ve sayısal karşılaştırılması
Table 2. Experimental and numerical comparison of pressure drop in V diffuser
Hız
Deneysel Çalışma (Taçgün, 2016)
Giriş
Çıkış
Basınç Düşümü
Basıncı
Basıncı
Sayısal Çalışma (Bu çalışma)
Giriş
Çıkış
Basınç Düşümü
Basıncı
Basıncı
[m/s]
PG [Pa]
PÇ [Pa]
P PG PÇ [Pa]
PG [Pa]
PÇ [Pa]
P PG PÇ [Pa]
9.2
10.9
11.4
603
873
944
486
692
745
117
181
199
618.85
875.88
945.95
486
692
745
132.85
183.88
200.95
M. S. KAMER, K. SÖNMEZ, A. KAYA
702
Şekil 5. V Difüzördeki basınç düşümünün deneysel ve sayısal karşılaştırılması
Figure 5. Experimental and numerical comparison of pressure drop in V diffuser
Şekil 6. Sayısal analizde kullanılan ağ yapısı
Figure 6. Mesh structure used in numerical analysis
Sıkıştırılamaz bir akışkanın zaman bağımlı hareketi, kartezyen koordinatlarda Navier-Stokes
denklemleri (Denklem 1) ve süreklilik denklemi (Denklem 2) ile ifade edilmektedir. Bu denklemlerde,
hız ve basınç büyüklükleri zaman ortalamalı ve çalkantı terimleri cinsinden yazıldığında, zaman
ortalamalı denklemler Reynolds ortalamalı Navier-Stokes denklemleri (Denklem 3) olarak elde
edilmektedir. Bu denklemlerde yer alan çalkantı terimlerinin hesaplanmasına yönelik olarak çok sayıda
türbülans modeli geliştirilmiştir (Özmen, 2006).
( ui ) ( ui u j )
ui u j
P
F
xi x j x j xi
t
x j
(1)
Atalet kuvvetleri = basınç kuvveti + sürtünme kuvveti + kütlesel kuvvetler
ui
0
t xi
(2)
Farklı Kesit Genişlemeli Geometrilerin Klima Santralleri İçin Tasarlanan
Bir Anemostat Tip Difüzörlü Boş Hücredeki Akışa Etkisinin Sayısal Olarak İncelenmesi
703
( ui ) ( ui u j )
ui u j
P
ui u j F
xi x j x j xi
t
x j
(3)
Standart k-ε türbülans modeli: : İki denklemli türbülans modelleri arasında ekonomikliği ve pek
çok akış olayında kabul edilebilir doğrulukta sonuç vermesi açısından yaygın olarak kullanılan yarı
ampirik bir modeldir. Türbülans kinetik enerjisi (k) ve türbülans kinetik enerjinin dağılımı (ε) için
yazılan iki adet transport denkleminin çözümü ve türbülans viskozitesinin ( t ) hesabını içerir.
Kaldırma kuvvetleri etkisi ihmal edildiğinde, bu transport denklemleri k ve ε için sırası ile Denklem 4 ve
Denklem 5’de verilen şekilde yazılabilir (Şimşek, 2011).
ut k
G
k x j k
ut
2
( ) ( ui )
C
G
C
2
x j 1 k k
t
x j
xi
k
( k ) ( kui )
t
x j
xi
(4)
(5)
“Standart k-ε” türbülans modelinin sabitleri aşağıda belirtilen değerlere sahiptir (Ansys Fluent 14.0
Theory Guide, 2011).
C1 1.44 , C2 1.92 , C 0.09, k 1.0, 1.3
BULGULAR VE ANALİZ (RESULTS AND ANALYSIS)
ANSYS programında gerçekleştirilen analizler sonucunda, beş farklı boş hücre geometrisinde 80°
kanat açısına sahip düz ve piramit şekilli anemostat tipi difüzör için elde edilen basınç düşümü Çizelge
3’de verilmiştir. Sayısal analizler sonucunda giriş kesitinden elde edilen statik basınç değerinden ( PG ),
çıkış kesitinden elde edilen statik basınç değerinin ( PÇ ) farkı alınarak basınç düşümü ( P
PG PÇ )
hesaplanmıştır.
Çizelge 3. Beş farklı boş hücre geometrisi için 80° kanat açısına sahip üç farklı anemostat yüksekliğinde
oluşan basınç düşümü
Table 3. Pressure drop at three different anemostat heights having 80° wing angle for five different empty cell geometries
Statik Basınç Düşümü, ∆P [Pa]
Boş Hücre Kesit Genişlemesi
Kare geometrili ani
45° iki yandan kesik geometrili
45° dört yandan kesik geometrili
15° iki yandan kesik geometrili
15° dört yandan kesik geometrili
Düz Anemostat
h = 0 mm
151.66988
147.92776
132.19112
157.79015
175.48921
Piramit anemostat
h = 30 mm
105.31599
105.02868
96.6981
126.66800
123.03607
Piramit anemostat
h = 60 mm
92.97898
87.94000
85.38096
93.47932
88.66761
Şekil 7’de beş farklı tip kesit genişlemesine sahip boş hücre geometrisi için farklı difüzör
yüksekliklerindeki basınç kayıpları verilmiştir. Tüm geometri yapılarında difüzör yüksekliğinin
artmasıyla akışa olan direnç azaldığından basınç düşümü azalmıştır. Boş hücre geometrisi olarak
incelendiğinde 80° kanat açısına sahip anemostat tipi difüzörlü 45° dört yandan kesik geometrili kesit
genişlemesine sahip boş hücrede en düşük basınç kayıpları elde edilmiştir. Piramit yüksekliğinin
704
M. S. KAMER, K. SÖNMEZ, A. KAYA
artmasıyla hava akışı difüzör içinden daha kolay olmakta, bu ise basınç düşümünün azalmasına sebep
olmaktadır.
Şekil 7. Beş farklı boş hücre geometrisi için 80° kanat açısına sahip ve üç farklı anemostat yüksekliğinde
oluşan basınç düşümü
Figure 7. Pressure drop at three different anemostat heights and 80° wing angle for five different empty cell geometries
Şekil 8’de 45° dört yandan kesik geometrili boş hücre ve 15° dört yandan kesik geometrili boş hücre
için 80° kanat açıklığına sahip ve üç farklı yükseklikteki (h = 0, 30, 60 mm) anemostat tipi difüzör
geometrisinin oluşturduğu akış çizgileri gösterilmiştir. Bu akış çizgileri incelendiğinde 80° kanat
açısındaki düz şekilli anemostat tipi difüzör kullanıldığında, 45° dört yandan kesik geometrili kesit
genişlemesine sahip boş hücredeki akış çizgilerinin daha düzgün olduğu ve giriş kesitine daha yakın bir
bölgede düzgün dağılımın elde edildiği görülmektedir. Çizelge 4’de beş farklı tip boş hücre
geometrisinde ve 80° kanat açısındaki üç farklı yüksekliğe sahip anemostat tipi difüzör için, homojen
akışın oluştuğu mesafeler (bu mesafe kesit genişlemesinin başlandığı noktadan olan uzaklığı ifade
etmektedir) verilmiştir. Kesit genişlemesinde 45° dört yandan kesik geometrili boş hücrede hem daha
düşük basınç düşümü elde edilmiş hem de 0 mm ve 30 mm yükseklikteki difüzör için daha kısa
mesafede homojen bir hız dağılımı elde edilmiştir.
80° kanat açılı 45° dört yandan kesik geometrili boş hücre - Düz anemostat (h=0 mm)
Farklı Kesit Genişlemeli Geometrilerin Klima Santralleri İçin Tasarlanan
Bir Anemostat Tip Difüzörlü Boş Hücredeki Akışa Etkisinin Sayısal Olarak İncelenmesi
80° kanat açılı 15° dört yandan kesik geometrili boş hücre - Düz anemostat (h=0 mm)
80° kanat açılı 45° dört yandan kesik geometrili boş hücre - Piramit anemostat (h=30 mm)
80° kanat açılı 15° dört yandan kesik geometrili boş hücre - Piramit anemostat (h=30 mm
)
705
M. S. KAMER, K. SÖNMEZ, A. KAYA
706
80° kanat açılı 45° dört yandan kesik geometrili boş hücre - Piramit anemostat (h=60 mm)
80° kanat açılı 15° dört yandan kesik geometrili boş hücre - Piramit anemostat (h=60 mm)
Şekil 8. 80° kanat açılı düz ve piramit şekilli anemostat tipi difüzör için farklı geometrili boş hücrelerde
oluşan akış çizgileri
Figure 8. Stream lines in empty cells with different geometry for 80° wing angle flat and pyramid shaped anemostat type diffuser
Boş hücrelerde akışın daha kısa mesafede homojen dağılımını sağlayarak hücre boyunun azaltılması
hedeflenen çalışmalar için, bu değerin iyi bir sonuç verdiği değerlendirilebilir. Boş hücrelerin
küçültülmesi ile klima santralinin hem yatırım maliyetinin azaltılması hem de kapladığı alandan
tasarruf sağlanması hedeflenmektedir.
Çizelge 4. 80° kanat açılı anemostat tip difüzörlü boş hücre geometrilerinde belirlenen homojen akış
mesafeleri
Table 4. Homogeneous flow distances in empty cell geometries with 80° wing angle anemostat type diffuser
Tahmini Homojen Akış Mesafesi [m]
Boş Hücre Kesit Genişlemesi
Kare geometrili ani
45° iki yandan kesik geometrili
45° dört yandan kesik geometrili
15° iki yandan kesik geometrili
15° dört yandan kesik geometrili
Düz Anemostat
h = 0 mm
2.50
2.30
2.0
2.40
3.50
Piramit anemostat
h = 30 mm
2.40
2.30
2.15
3.30
3.30
Piramit anemostat
h = 60 mm
3.20
3.10
4.00
3.70
4.40
Çizelge 4’de giriş kesitinden sonra en kısa mesafede oluşan homojen bölge 80° kanat açılı düz (h = 0)
ve piramit (h = 30 mm) anemostat tipli 45° dört yandan kesik geometrili kesit genişlemesine sahip boş
hücrelerde gerçekleşmektedir. Kesit genişlemesi 45° dört yandan kesik geometrili olan boş hücrede 80°
Farklı Kesit Genişlemeli Geometrilerin Klima Santralleri İçin Tasarlanan
Bir Anemostat Tip Difüzörlü Boş Hücredeki Akışa Etkisinin Sayısal Olarak İncelenmesi
707
kanat açılı düz (h = 0) ve piramit (h = 30 mm) anemostat tip difüzörlerin kullanılmasıyla, klima
santralinin hem yatırım maliyetinin hem de kapladığı alanın azalacağı görülmektedir.
(a) Kesit genişlemesi başlangıcından 1 metre mesafe sonrası - Düz anemostat (h=0 mm)
(b) Kesit genişlemesi başlangıcından 2 metre mesafe sonrası - Düz anemostat (h=0 mm)
(c) Kesit genişlemesi başlangıcından 1 metre mesafe sonrası - Piramit anemostat (h=30 mm)
708
M. S. KAMER, K. SÖNMEZ, A. KAYA
(d) Kesit genişlemesi başlangıcından 2 metre mesafe sonrası - Piramit anemostat (h=30 mm)
(e) Kesit genişlemesi başlangıcından 1 metre mesafe sonrası - Piramit anemostat (h=60 mm)
(f) Kesit genişlemesi başlangıcından 2 metre mesafe sonrası - Piramit anemostat (h=60 mm)
Şekil 9. 80° kanat açılı anemostat tip difüzörlü 45° dört yandan kesik geometrili boş hücrede farklı
kesitlerde oluşan hız dağılımları
Figure 9. Velocity contours at different sections in empty cell with 80° wing angle anemostat type diffuser with 45° four sided cut-off
geometry
Şekil 9’da 80° kanat açılı düz ve piramit (h = 0, 30, 60 mm) şekilli anemostat tip difüzözlü 45° dört
yandan kesik geometrili boş hücre ile yapılan sayısal analizin kesit genişlemesi başlangıcından itibaren
birinci metredeki ve ikinci metredeki hız dağılımları verilmiştir. Şekil 9 incelendiğinde h=0 ve 30 mm
piramit yüksekliklerindeki anemostat tipi difüzörlerde ikinci metreden itibaren hız dağılımının
düzeldiği görülmektedir.
Farklı Kesit Genişlemeli Geometrilerin Klima Santralleri İçin Tasarlanan
Bir Anemostat Tip Difüzörlü Boş Hücredeki Akışa Etkisinin Sayısal Olarak İncelenmesi
709
SONUÇLAR (CONCLUSION)
Bu çalışmada; beş farklı boş hücre geometrisinde (kare geometrili ani kesit genişlemesi, 45° iki
yandan kesik geometrili kesit genişlemesi, 45° dört yandan kesik geometrili kesit genişlemesi, 15° iki
yandan kesik geometrili kesit genişlemesi, 15° dört yandan kesik geometrili kesit genişlemesi) 80° kanat
açısına sahip düz anemostat tipi ve piramit anemostat tipi difüzörlerin basınç düşümüne ve hız
dağılımına etkileri sayısal olarak incelenmiş ve aşağıda verilen sonuçlara ulaşılmıştır;
1. Piramit yüksekliğinin artmasıyla basınç düşümünün azaldığı tespit edilmiştir.
2. 45° dört yandan kesik geometrili kesit genişlemesine sahip boş hücrede, h=0 mm ve 30 mm
difüzör piramit yüksekliklerinde en az basınç düşümü elde edilmiştir.
3. Boş hücre geometrileri incelendiğinde, 45° dört yandan kesik geometrili kesit genişlemesine
sahip boş hücre ve 80° kanat açılı h=0 ve 30 mm piramit yüksekliklerindeki anemostat tipi
difüzörlerde akış çizgilerinin daha düzgün olduğu ve homojen hız dağılımının kesit genişlemesi
başlangıcına en yakın mesafede olduğu görülmüştür.
SEMBOLLER (NOMENCLATURE)
C1 ,C2 : türbülans modeli sabitlerini,
F
: kuvveti [N],
: türbülans kinetik enerjisi üretimini [kg/(m.s3)],
Gk
: türbülans kinetik enerjisini [m2/s2],
k
P
: basıncı [N/m2 veya Pa],
PÇ
: çıkış kesitindeki statik basıncı [Pa],
PG
t
u
u
x
: giriş kesitindeki statik basıncı [Pa],
: zamanı [s],
: yatay doğrultudaki hız bileşenini [m/s],
: yatay doğrultudaki ortalama hız bileşenini [m/s],
: yatay koordinatı [m],
Yunan Harfleri (Greek Letters)
t
k
P
: difüzör kanat açısını [°],
: dinamik viskoziteyi [kg/(m.s)],
: türbülans viskozitesini [kg/(m.s)],
: türbülans kinetik enerjinin dağılımı [m2/s3],
: yoğunluğu, [kg/m3]
k için türbülanslı Prandtl sayısını,
: için türbülanslı Prandtl sayısını,
:
: basınç düşümünü [Pa] ifade etmektedir.
KATKI BELİRTME (ACKNOWLEDGMENT)
Bu çalışma; KSÜ Rektörlüğü Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi tarafından 2017/4-32M nolu proje ile
desteklenmiştir.
710
M. S. KAMER, K. SÖNMEZ, A. KAYA
KAYNAKLAR (REFERENCES)
Ansys Fluent 14.0 Theory Guide, 2011, Ansys Inc.,
http://cdlab2.fluid.tuwien.ac.at/LEHRE/TURB/Fluent.Inc/v140/flu_th.pdf, URL (Erişim tarihi:
28.02.2014).
Ansys Fluent User’s Guide, Release 18.1, Ansys Inc.
Abantoa, J., Barreroa, D., Reggioa, M., Ozella, B., 2004, “Airflow Modelling in A Computer Room”,
Building and Environment, Vol. 39, pp. 1393 – 1402.
Bağcı, M., 1998, Teknik Resim, Birsen Yayınevi Limited Şirketi, ISBN: 975-511-128-X, İstanbul, 286s.
Bayramgil, V., Bayrak, S., Yükselen, M.A., Erim, M. Z., “Experimental Investigation of A Diffuser For
Cooling And Air Conditioning System”, 21st Congress of the International Council of the
Aeronautical Sciences, Victoria, AUSTRALIA, 13-18 Eylül 1998.
Bilge, M., 2010, Klima Santralleri, ISKAV Teknik Kitaplar Dizisi, No: 01, İstanbul, pp. 146.
Bulut, S., Ünveren, M., Arısoy, A, Böke, Y. E., “CFD Analiz Yöntemiyle Klima Santrallerinde İç
Kayıpların Azaltılması”, T.M.M.O.B., X. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi ve Sergisi, İzmir,
TÜRKİYE, pp. 291-326, 13-16 Nisan 2011.
Guo, B.Y., Hou, Q.F., Yu, A.B., L,i L.F., Guo, J., 2013, “Numerical Modelling of The Gas Flow Through
Perforated Plates”, Chemical Engineering Research and Design, Vol. 91, pp. 403-408.
HVAC Systems Duct Design, 2006, Fourth Edition, Chapter 6, SMACNA.
Kaya, A., Kamer, M.S., Sönmez, K., “Klima Santrallerindeki Boş Hücreler İçin Tasarlanan Bir Anemostat
Tip Difüzörün Akış Üzerindeki Etkisinin Sayısal Olarak İncelenmesi”, 21. Ulusal Isı Bilimi ve
Tekniği Kongresi, pp. 226-233, Çorum, TÜRKİYE, 13-16 Eylül 2017.
Noui-Mehidi, M.N., Wu J., Sutalo, I.D., Grainger, C., 2005, “Velocity Distribution Downstream of An
Asymmetric Wide-angle Diffuser”, Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 29, pp. 649-657.
Özmen, Y., 2006, Farklı Çatı Tipleri ve Eğimlerindeki Binalar Üzerinde Rüzgar Etkilerinin Deneysel ve Teorik
İncelenmesi, Doktora Tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Trabzon,
191s.
Şahin, B., 1989, “Pressure Losses in An İsolated Perforated Plate And Jets Emerging From The Perforated
Plate”, International Journal of Mechanical Science, Vol. 31, pp. 51-61.
Şahin, B., Ward-Smith A.J., 1987, “The Use Of Perforated Plates To Control The Flow Emerging From A
Wide-Angle Diffuser, With Application To Electrostatic Precipitator Design”, Heat and Mass
Transfer, Vol. 8, pp. 124-131.
Şahin, B., Ward-Smith A.J., 1990, “Effect of Perforated Plates On Wide-angle Diffuser-exit Velocity
Profiles”, Journal of Wind EnginEering and Industrial Aerodynamics, Vol. 34, pp. 113-125.
Şahin, B., Ward-Smith A.J., 1991, “Flow Control by Perforated Plates Using A Blanking Technique in
Wide-angle Diffusers Employed in Practical Electrostatic Precipitator Systems”, Journal of Wind
Engiinering and Industrial Aerodynamics, Vol. 37, pp. 269-284.
Şahin, B., Ward-Smith A.J., 1993, “The Pressure Distribution in And Flow Characteristics of Wide-angle
Diffusers Using Perforated Plates for Flow Control With Application to Electrostatic
Precipitators”, International Journal of Mechanical Science, Vol. 35, pp. 117-127.
Şahin, B., Ward-Smith A.J., Lane D., 1995, “The Pressure Drop And Flow Characteristics Of Wide-Angle
Screened Diffusers Of Large Area Ratio”, Journal of Wind Engineering and Industrial
Aerodynamics, Vol. 58, pp. 33-50.
Şimşek, O., 2011, Eğrisel Geniş Başlıklı Savak Üzerinden Geçen Açık Kanal Akımının Deneysel ve Teorik
Analizi, Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Adana, 93s.
Taçgün, E., 2016, Klima Santrallerinde Kullanılan V Profil Delikli Difüzörlü Hücrenin Akış Performansının
Sayısal ve Deneysel Olarak İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, İnönü Üniversitesi, Fen Bilimleri
Enstitüsü, Malatya, 191s.
Farklı Kesit Genişlemeli Geometrilerin Klima Santralleri İçin Tasarlanan
Bir Anemostat Tip Difüzörlü Boş Hücredeki Akışa Etkisinin Sayısal Olarak İncelenmesi
711
Tanyol, İ., “Klima Santrallerinde Enerji Tasarrufu ve CFD Analizi İle İç Dirençlerin Azaltılması”, I.
Ulusal İklimlendirme Soğutma Eğitimi Sempozyumu, Çağrılı Konuşma, Balıkesir, TÜRKİYE, 13-15
Eylül 2012.
Yiğit, Ş., Sungurlu, C., Çuhadaroğlu, B., “HVAC Sistemlerinde Kullanılabilecek Yeni Tip Bir Difüzör İçin
Performans İncelemesi”, 11. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, İzmir, TÜRKİYE, pp. 19-36, 1720 Nisan 2013.
Zhang, T., Lee, K.S., Chen, Q., 2009, “A Simplified Approach to Describe Complex Diffusers in
Displacement Ventilation for CFD Simulations”, Indoor Air, Vol. 19, No. 3, pp. 255-267.