Su buharı, R134a, R600a ve R1234yf’nin eşsıcaklıklı düzlemsel düşey bir yüzeydeki film yoğuşmasının teorik analizi

Yıl 2025, Cilt: 40 Sayı: 3, 1857 - 1874, 21.08.2025

Kemal Bilen , İsmail Erdoğan

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.1563105

Öz

Bu teorik çalışmada; bir faz değişimi olan ve ısıl sistemlerde sıklıkla karşılaşılan yoğuşma incelenmiştir. Çalışmada; su, R134a, R600a ve R1234yf akışkanlarının durgun ve saf buharlarının, eşsıcaklıklı düzlemsel düşey bir yüzey üzerinde laminer, dalgalı laminer ve türbülanslı film yoğuşması ayrı ayrı analiz edilmiştir. Film yoğuşmanın, hem hidrodinamik hem de ısıl bakımdan incelendiği bu çalışmada; sıvı filmi kalınlığının, birim zamanda birim genişlikte yoğuşan buhar miktarının ve yerel ısı taşınım katsayısının düşey doğrultu boyunca değişimi elde edilmiştir. Çalışmada; 42, 45, 50 ve 55 °C doyma sıcaklıkları esas alınmış olup, akışkan çeşidinden kaynaklanan doyma basıncı farklılıkları dikkate alınmamıştır. Böylece, hem doyma sıcaklığının hem de aynı doyma sıcaklığında cereyan eden film tipi yoğuşmada akışkan çeşidinin, yukarıdaki parametrelere etkisi belirlenmiştir. Çalışmada ayrıca, Nusselt çözümlemesine ilaveten; sıvı filmi içerisindeki sıcaklık dağılımının doğrusal olduğu kabulü ile elde edilen düzeltilmiş buharlaşma gizli ısısının ve Rohsenow tarafından önerilen düzeltilmiş buharlaşma gizli ısısının yukarıdaki parametrelere etkisi de belirlenmiştir. Buna göre; doyma basıncı bakımından su, diğer akışkanlara göre üstünlüğe sahip olup R134a ile R1234yf, tüm parametreler bakımından oldukça benzer davranışlar göstermiştir. Yerel ısı taşınım katsayısı bakımından yine su önemli bir üstünlüğe sahipken, soğutucu akışkanlar benzer tavırlar sergilemiştir. Son olarak; tüm parametreler bakımından, Nusselt çözümlemesi ile düzeltilmiş buharlaşma gizli ısısının kullanıldığı çözümlemeler arasında önemli bir fark olmadığı tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

Film tipi yoğuşma , Su buharı , Soğutucu akışkan , Eşsıcaklıklı düşey levha , Isı taşınım katsayısı

Kaynakça

• 1. Nusselt W., Surface condensation of water vapour, Zeitschrift des Vereins Deutscher Ingenieure, 60 (27), 541-546, 1916.
• 2. Rohsenow W. M., Heat transfer and temperature distribution in laminar-film condensation, Transactions of the ASME, 78, 1645-1648, 1956.
• 3. Rohsenow W. M., Webber J. H., and Ling A. T., Effect of vapor velocity on laminar and turbulent-film condensation, Transactions of the ASME, 78, 1637-1644, 1956.
• 4. Mills A. F. and Seban R. A., The condensation coefficient of water, International Journal of Heat and Mass Transfer, 10, 1815-1827, 1967.
• 5. Rohsenow W. M., Film condensation, Applied Mechanics Reviews, 23, 487-496, 1970.
• 6. Churchill S. W., Laminar film condensation, International Journal of Heat and Mass Transfer, 29, 1219-1226, 1986.
• 7. Sadasivan P. and Lienhard J. H., Sensible heat correction in laminar film boiling and condensation, Transactions of the ASME, Journal of Heat Transfer, 109, 545-547, 1987.
• 8. Winterton R. H. S., Simple theory for laminar natural convection heat transfer (and film boiling and film condensation) or where do the Nusselt and Rayleigh numbers come from, International Journal of Mechanical Engineering Education, 30 (1), 1-7, 2002.
• 9. Shang D.-Y. and Wang B., An extended study on steady-state laminar film condensation of a superheated vapor on an isothermal vertical plate, International Journal of Heat and Mass Transfer, 40 (4), 931-941, 1997.
• 10. Poots G. and Miles R. G., Effects of variable physical properties on laminar film condensation of saturated steam on a vertical flat plate, International Journal of Heat and Mass Transfer, 10, 1677-1692, 1967.
• 11. Chen M. M., An analytical study of laminar film condensation: Part I-flat plates, Transactions of the ASME, Journal of Heat Transfer, 48-54, 1961.
• 12. Koh J. C. Y., Sparrow E. M., and Hartnett J. P., The two phase boundary layer in laminar film condensation, International Journal of Heat and Mass Transfer, 2, 69-82, 1961.
• 13. Koh J. C. Y., An integral treatment of two-phase boundary layer in film condensation, Transactions of the ASME, Journal of Heat Transfer, 359-362, 1961.
• 14. Sparrow E. M. and Gregg J. L., A boundary-layer treatment of laminar film condensation, Transactions of the ASME, Journal of Heat Transfer, 13-18, 1959.
• 15. Yang K.-T., Laminar film condensation on a vertical nonisothermal plate, Journal of Applied Mechanics, 203-205, 1966.
• 16. Brouwers H. J. H., Film condensation on non-isothermal vertical plates, International Journal of Heat and Mass Transfer, 32 (4), 655-663, 1989.
• 17. Liu X. and Cheng P., Lattice Boltzmann simulation of steady laminar film condensation on a vertical hydrophilic subcooled flat plate, International Journal of Heat and Mass Transfer, 62, 507-514, 2013.
• 18. Si X., Zhu X., Zheng L., Zhang X., and Lin P., Laminar film condensation of pseudo-plastic non-Newtonian fluid with variable thermal conductivity on an isothermal vertical plate, International Journal of Heat and Mass Transfer, 92, 979-986, 2016.
• 19. Avramenko A. A., Shevchuk I. V., Tyrinov A. I., and Blinov D. G., Heat transfer at film condensation of stationary vapor with nanoparticles near a vertical plate, Applied Thermal Engineering, 73 (1), 391-398, 2014.
• 20. Bilen K., Erdoğan İ., Özgüç F., Overview of the literature on condensation, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 40 (1), 713-748, 2024.
• 21. ASHRAE Handbook-Fundamentals (SI), Chapter 29: Refrigerants, ASHRAE, Georgia, 2021.
• 22. ASHRAE Handbook-Fundamentals (SI), Chapter 30: Thermophysical Properties of Refrigerants, ASHRAE, Georgia, 2021.
• 23. Internet, 2023, NASA, Steamy relationships: how atmospheric water vapor amplifies earth’s greenhouse effect, https://climate.nasa.gov/explore.
• 24. Bilen K., Dar kanallarda yoğuşma, Doktora Tezi, İTÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Türkiye, 2007.
• 25. Genceli O. F., Çözümlü Isı Taşınımı Problemleri, Birsen Yayınevi, İstanbul, 2002.
• 26. Çengel Y. A., Isı ve Kütle Transferi: Pratik bir yaklaşım, (Üçüncü basımdan çeviri, Çevirenler: Tanyıldızı V., Dağtekin İ.), Güven Bilimsel Yayıncılık, İzmir, 2011.
• 27. Incropera F. P. ve DeWitt D. P., Isı ve Kütle Geçişinin Temelleri, (Dördüncü basımdan çeviri, Çevirenler: Derbentli T. vd.), Literatür Yayıncılık, İstanbul, 2001.