YTÜ Isı Proses Tezli YL

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

2. Kroyejenide Yalıtım Gazların saflaştırılmasında, sıvılaştırılmasında yada ayrıştırılması gibi kriyojenik sistemlerde, örneğin sıvı metan için 112 K, sıvı helyum için 4,2 K vs vs gibi sıcaklıklarla uğraşılır. Isı kazancını minumum seviyelerde tutmak için tasarım mühendislerinin optimum yalıtımı sağlaması gerekmektedir.

3. Yüksek sıcaklıktaki ortamdan bu kroyejenik akışkanların depolandığı ve taşındığı tanklara ve borulara olan ısı kazancı, soğutma için harcanan enerjiye eşit anlamına gelir.

4. Eğer yalıtım yapılmazsa, istenilen şartlarda akışkanları saklamak için dışarıdan yapılan soğutmanın, kompresörlerin harcadığı enerjinin, mekanik soğutma 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 sağlanmış olur.

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

7. Bu yöntemler, 1  6 ya kadar yalıtım performanlarının ve maliyetlerinin artışına göre listelenmiştir. • Özel bir uygulama için hangisinin uygulanacağı: • Uygulamanın kolaylığı, • sistemin ağırlığı(density), • sağlamlığı 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; • kütle yoğunluğuna, • yalıtım ortalama sıcaklığına, • köpük izolasyonu için kullanılan gaza bağlıdır. => Şekil 1 ve II de köpük yoğunluğu ve ortalama sıcaklığıyla ısıl iletkenliğin değişimi gösterilmiştit.

10. Şekil 1 Poliestren köpüğün yoğunluğu ile ısıl iletkenliğinin değişimi

11. Şekil II – Sabit Yoğunluktaki bilinen bir poliestrenin ortalama yalıtım sıcaklığıyla ısıl iletkenliğinin değişimi

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. Köpüğün belirli bir zaman ortam havasına maruz kalmasıyla, gözeneklere CO2 yerine hava dolar. Ama köpüğü, Hidrojen ve Heliumdan oluşan bir ortamda daha uzun süreli bir periyotta tutarsak, bu sefer bu gazlar voidlerin (gap, boşlukların) içine difüze olurlar ki ısıl iletkenliği 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 aralığı için Carbon çeliğinin genleşme katsayısı 0,64x10-5 ᵒF-1 dir.

16. Yani; Köpük, sıvı azot tankına çok yakın monte edilirse, soğuma esnasında içteki tanktan daha çok büzüleceğinden 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 iletkenliği, ısı iletim yollarının dolambaçlı ve süreksiz olmaması nedeniyle, genleşmeli köpüklere oranla biraz daha azdır. • Şekil III’de çeşitli türlerine göre sıcaklıkla ısıl iletkenliğin değişimleri gösterilmiştir.

20. Şekil III- Düşük sıcaklıklarda çeşitli toz ve elyaf malzemelerin ısıl iletkenliği

21. Nusselt, gas dolu tozlar ve elyaf malzemeler için ısı iletkenliğini aşağıdaki formülle ifade etmiş : • Vr , katı hacminin/ toplam hacme oranı • ks, katı malzemenin ısıl iletkenliği • kg , Yalıtım içindeki gazın ısıl iletkenliği • σ, Stefan Boltzman Sabiti (0,1714 x 10-8 Btu/hr.ft2. ᵒR4)

22. Kroyejenik sıcaklıklarda T3 ün olduğu ifade kg yi içeren terimden daha büyük olduğu için: Ve hatta: Neden dönüştü? ( Katı materyalin ısıl iletkenliği, izolasyon içindeki gazdan daha büyük )

23. Son denklemden de görüyoruz ki gas dolu tozlar ve elyafların ısıl iletkenliği, izolasyon gazın iletkenliğine yaklaşıyor. Ama bu açıklamanın, toz partikülleri arasındaki uzaklığın, gazın ortalama serbest yolundan daha da küçük olduğu çok ince tozlar için bir istisnası var. Gazların ısıl iletkenliği moleküllerin ortalama uzaklıklarıyla orantlılı olduğu için, efektive gaz ısıl iletkenliği azalır.

24. Gazla doldurulmuş elyaf malzemelerin bir dezavantajı da, buhar bariyeri (vapor barrier) kullanılmazsa, nem ve havanın izolasyon malzemesinden soğuk yüzeye difüze olmasıdır. • Sıvı- Hidrojen tankları için, helyum tasviye gazı (purge gas) olarak kullanılabilir. Ama helyumun yüksek ısıl iletkenliği, boşluk oranı helyum moleküllerinin ortalama serbest yolundan düşük olmadıkça, izolasyonun da iletekenliğini 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 soğuk iç kaba radyasyon ile vakum izolasyonlu kabın halka şeklindeki boşluğu boyunca aktarılır. (Termodinamik Analizi incelenecektir.) Vakum izolasyon (vakum alone), küçük boyutlu laboratuvar dewarlarında kullanılır.

27. İTÜ Bilim ve Teknoloji Parkı

28. İTÜ 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 eşitliği: ............... (4) • Fe , yayıcılık faktör (emissitivity factor) • T1 ve T2 sıcaklıkları sırasıyla soğuk ve sıcak yüzeyler, • F1-2 , konfigürasyon faktörü (İç kabın dış kap tarafından mahfaza edildiği kroyejenik sıvı tanklarında 1’ e eşittir.)

31. Eş merkezli silindir ve küreler için Fe : TN, en dıştaki yüzeyin mutlak sıcaklığı, T1, en içteki yüzeyin mutlak sıcaklığı

32. Işınımla ısı tranferi, sıcak ile soğuk yüzey arasına sabit olmayan / yüzer radyosyon kalkanı konarak azaltılabilir. Örneğin, en dıştaki ve en içteki yüzeylerin yayıcılıklarının e0 olduğunu düşünün ve böylece e1=e0=eN Radyasyon kalkanı olmaksızın, paralel düz plakaların yayıcılığı: Fe (kalkan yok) = e0/2-e0 olur (Ai=A1)

33. Ns adet kalkan için yada Ns+2 adet yüzey için eşitlik: e0= 0,90 ve es=0,05 olduğunu düşünelim, Yayıcılık faktörü : Fe (kalkansız) = 0,889 Fe (kalkanlı) =1/ (1,2 + 39.Ns)

34. 10 adet kalkan (shield) kullanıldığı düşünürsek; Fe (kalkansız) / Fe (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 değişir. • 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 bağımsız bir gaz molekülü, diğer gaz moleküllerine enerjisini transfer etmeksizin gaz alanı üzerinden hareket eder, çünkü onlarla çarpışmadığını söylüyor.

38. Şekil 5’ de gösterilen sırasıyla T1 ve T2 sıcaklıklarında tutulan parelel 2 levha düşünelim. Bir gas molekülü T1 sıcaklığındaki soğuk yüzeye çarptığında enerjinin bir kısmını duvara transfer eder. Molekül duvar üzerinde enerji eşitliğini kuracak kadar uzun kalmadığından dolayı, T1den az daha yüksek T1’ sıcaklığında kinetik enerjiyle ayrılır.

39. Bu T1’ sıcaklığındaki molekül vakum alanında hareket eder ve sıcak T2 duvarına çarpar. • Aynı şekilde molekül ısı dengesini kuracak kadar uzun süre kalmadığından dolayı molekül T2den az daha küçük T2’ sıcaklığında, 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 sıcaklığına ek olarak, gaz-yüzey birleşimine de bağlıdır. Tablo 1’de bazı konaklama katsayıları gösterilmiştir.

41. Tablo 1 Konaklama Katsayıları

42. Fa , konaklama faktörüdür, yayıcılık faktörü formunda ifade edilir.

43. Duvara çarpan moleküldeki birim kütle başına toplam enerji değişimi, yüzeye çarpma anındaki iç enerji değişimi ile yüzeye dik hareket edenki kinetik enerji değişimlerinin toplamıdır: • R= Spesfik Gaz sabiti • Cv= 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 yoğunluğudur. 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 gerektiğini 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 olduğu küresel bir dewarda, dıştan içe doğru toplan ısı transferini hesaplyacağız. • Dış kabuk özellikleri: Yüze sıcaklığı 80 F, yayıcılık 0,10, konaklama katsayısı 0,90 • İç kabuk ise : 140 ᵒR, yayıcılık 0,05, konaklama katsayısı ise 1 dir. • Halka şeklindeki boşluktaki gaz, 10-5 mmHg basıncındaki havadır ve 80 ᵒF’dir. • Dewar, vakumlu izolasyon yöntemiyle izole edilmiştir.

49. Öncelikle ışınımla olan ısı transferi için yayıcılık faktörü : • İç kabuk alanı = A1= 75.8 ft2 • Radyosyonla Isı transferi

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