Çelik Bilyelerden Oluşturulmuş Spiral Paket Yataklarda Akış Rejimleri

Abstract

Paket yataklarda ve eğrisel kanallarda basınç düşüşü ile ısı geçişi üzerine uzun yıllardır çalışmalar yapılmaktadır. Kanala kavis verildiğinde veya kanal içerisine gözenekli ortam yerleştirildiğinde basınç düşüşü arttığı bilinmektedir. Kanalın hem eğrisel hem de gözenekli olma durumunda basınç düşüşünün nasıl etkilendiği yeni araştırma konularından biridir. Bu çalışmada, Arşimet spiral eğrilerinden oluşan spiral paket yataklarda basınç düşüşü deneysel olarak incelenmiştir. 2.00, 2.38 ve 3.17 mm çapında bilyelerden oluşturulan paket yatakların gözeneklilik değerleri sırasıyla %41.4, %41.4 ve %42.0 olup özgül yüzey alanları düşük bilye çapından yükseğe olacak şekilde 1759, 1475 ve 1095 m-1 olarak hesaplanmıştır. Akışkan olarak hava kullanılmış ve deneyler sürekli rejimde yapılmıştır. Her bir bilye çapına göre akış rejimleri belirlenmiş ve literatüre en yakın değerlerle kıyaslanarak spiralliğin etkisi yorumlanmıştır. Her bir akış rejiminde geçirgenlik, Forchheimer katsayısı ve Ergün sabitlerine karşılık gelen katsayılar belirlenmiştir. Ayrıca bütün deney verileri için de bu değerler hesaplanmıştır. Geçirgenliğe göre hesaplanmış Reynolds sayısı ile sürtünme faktörü arasındaki ilişki verilmiştir. Literatürle karşılaştırıldığında, bu çalışmanın sonuçlarının, düz paket yataklardaki basınç düşüşü hakkındaki mevcut verilerin farklılığına katkıda bulunduğu görülmektedir. Ayrıca, akış rejimlerini belirlemek, ısı geçişi ve basınç düşüşünün daha iyi yorumlanmasına ve anlaşılmasına yardımcı olabilir.

Keywords

• Hava akışı
• Geçirgenlik
• Akış rejimleri
• Spiral paket yatak
• Sürtünme faktörü

Flow Regimes in Spiral Channel Packed with Steel Balls

Abstract

Studies have been carried out for many years on pressure drop and heat transfer in packed beds and curved channels. It is known that the pressure drop increases when the channel is curved or porous media is placed inside the channel. How the pressure drop is affected when the channel is both curved and porous is one of the new research topics. In this study, pressure drop in spiral packed beds is investigated experimentally. The porosity values of the packed beds formed from balls with 2.00, 2.38 and 3.17 mm diameters are 41.4%, 41.4% and 42.0%, respectively, and their specific surface areas are calculated as 1759, 1475 and 1095 m-1 with a higher than low ball diameter. Experiments are carried out air flow at steady-state. Flow regimes are determined according to each ball diameter and the effect of spirality is interpreted by comparing with the literature. In each flow regime and all experimental data, permeability, Forchheimer coefficient and the coefficients corresponding to Ergün constants are determined. Compared to the literature, the results of this study appear to contribute to the variation of the available data on pressure drop in packed beds. In addition, determining flow regimes can help in better interpreting and understanding of heat transfer and pressure drop.

Keywords

• Airflow
• Permeability
• Flow regime
• Spiral packed bed
• Friction factor.

References

1. [1] S. Ergun, A.A. Orning, Fluid Flow through Randomly Packed Columns and Fluidized Beds, Ind. Eng. Chem. 41 (1949) 1179–1184. https://doi.org/10.1021/ie50474a011.
2. [2] S. Ergün, Fluid flow through packed columns, Chem. Eng. Process. 48 (1952) 89–94.
3. [3] M.Y. Gökaslan, M. Özdemir, L. Kuddusi, Experimental study on laminar air flow through spiral channel packed with steel balls, Heat Mass Transf. Und Stoffuebertragung. (2021). https://doi.org/10.1007/s00231-021-03023-y.
4. [4] A.M. Norouzi, M. Siavashi, A.R. Soheili, M. Khaliji Oskouei, Experimental investigation of effects of grain size, inlet pressure and flow rate of air and argon on pressure drop through a packed bed of granular activated carbon, Int. Commun. Heat Mass Transf. 96 (2018) 20–26. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2018.05.019.
5. [5] Ö. Bağcı, N. Dukhan, M. Özdemir, Flow Regimes in Packed Beds of Spheres from Pre-Darcy to Turbulent, Transp. Porous Media. 104 (2014) 501–520. https://doi.org/10.1007/s11242-014-0345-0.
6. [6] Ö. Bağcı, N. Dukhan, M. Özdemir, Various Flow Regimes and Permeabilities for Packed-Spheres Porous Media, Defect Diffus. Forum. 364 (2015) 1–8. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/DDF.364.1.
7. [7] I. Kececioglu, Y. Jiang, Flow Through Porous Media of Packed Spheres Saturated With Water, J. Fluids Eng. 116 (1994) 164–170. https://doi.org/10.1115/1.2910229.
8. [8] D. Seguin, A. Montillet, J. Comiti, F. Huet, Experimental characterization of flow regimes in various porous media—II: Transition to turbulent regime, Chem. Eng. Sci. 53 (1998) 3897–3909. https://doi.org/10.1016/S0009-2509(98)80003-1.

9. [9] M.Y. Gökaslan, M. Özdemir, L. Kuddusi, Bilye Doldurulmuş Spiral Kanalda Basınç Düşüşünün Deneysel İncelenmesi, 22. Ulus. Isı Bilim. ve Tek. Kongresi, Kocaeli. (2019) 844–852.
10. [10] R.S.. Figliola, D.E. Beasley, Theory and Design for Mechanical Measurements, 6th ed., John Wiley & Sons, New York, 2015.
11. [11] P.P.C. Avontuur, D. Geldart, A quality assessment of the Ergun equation, Chem. Eng. (1996) 994–996.
12. [12] E. Ozahi, M.Y. Gundogdu, M.Ö. Carpinlioglu, A modification on Ergun’s correlation for use in cylindrical packed beds with non-spherical particles, Adv. Powder Technol. 19 (2008) 369–381. https://doi.org/10.1163/156855208X314985.
13. [13] I.F. Macdonald, M.S. El-Sayed, K. Mow, F.A.L. Dullien, Flow through Porous Media—the Ergun Equation Revisited, Ind. Eng. Chem. Fundam. 18 (1979) 199–208. https://doi.org/10.1021/i160071a001.
14. [14] Ö. Bağcı, N. Dukhan, M. Özdemir, Flow Regimes in Packed Beds of Spheres from Pre-Darcy to Turbulent, Transp. Porous Media. 104 (2014) 501–520. https://doi.org/10.1007/s11242-014-0345-0.
15. [15] A. Cioncolini, L. Santini, An experimental investigation regarding the laminar to turbulent flow transition in helically coiled pipes, Exp. Therm. Fluid Sci. 30 (2006) 367–380. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2005.08.005.
16. [16] M. Ghobadi, Y.S. Muzychka, A Review of Heat Transfer and Pressure Drop Correlations for Laminar Flow in Curved Circular Ducts, Heat Transf. Eng. 37 (2016) 815–839. https://doi.org/10.1080/01457632.2015.1089735.