Isı Transferi ve Örnek Problemler - Isı Geçişi

ÖNSÖZ
“Isı Transferi ve Örnek Problemler” kitabımı, öğrencilerime ve meslektaşlarıma sunmaktan mutluyum. Isı transferi konusu, sanayinin hemen hemen her dalında bilhassa ısıtma ve soğutma tekniğinde, iklimlendirmede, buhar kazanlarında ve çeşitli ısıl uygulamalarda karşımıza çıkar. Bu nedenle ısı transferi/geçişi dersi, makine, enerji ve tekstil mühendisliğinin vazgeçilmez bir bilim dalıdır.
Bu kitabımda daha önce basılmış olan “Örneklerle Isı Geçişi” kitabımda yer almayan bazı bölümler ve örnekler ilave edilmiştir. Anlatımda şekillere ağırlık verilerek, şekillerin daha iyi anlaşılabilmesi için düzenlemeler ve tonlamalar yapılmıştır. Baştan sona yenilenen ve gözden geçirilen bu kitabımın isminin “Isı Transferi ve Örnek Problemler/Isı Geçişi” olmasını uygun gördüm. Bu kitapta da Türkçe teknik dilin ve SI birim sisteminin kullanılmasına özen gösterildi.
Öğrenciler tarafından konunun daha iyi anlaşılabilmesi için, hemen konu bitiminde pratiğe dönük örnekler verilerek, sade bir anlatım tercih edilmeye çalışılmıştır. Ayrıca her bölümün sonunda, daha kapsamlı çözümlü problemler ve öğrencinin kendisini sınayabilmesi için çözümsüz problemler de verilmiştir. Daha ziyade, lisans öğrencileri için uygulamalı ders kitabı olarak hazırlanmış olan bu kitap, toplam sekiz bölümden oluşmuştur. Bunları kabaca sıralayacak olursak; 1. bölümde, ısı geçişi mekanizmasının tanımı ve ısı geçişinin temel kanunları; 2. bölümde, uygulamada en çok karşılaşılan düzlem, silindirik ve küresel yüzeylerdeki bir boyutlu ısı geçişi; 3. Bölümde, ısı iletiminin genel denklemi verilerek içinde ısı üretimi olan katı cisimler ve genişletilmiş yüzeyler ve 5. bölümde zamana bağlı ısı iletimi konuları; 5. 6. ve 7. bölümlerde ise sırasıyla ısı taşınımı, doğal ısı taşınımı, kaynama ve buharlaşmadaki ısı geçişi; 8. Bölümde, ısı değiştiricileri; 9. bölümde ise ısı ışınımı konusuna yer verilmiştir.
Kitabın hazırlanmasında bana sabırla destek veren eşim Dr. Serpil Halıcı’ya, kızlarım Ebru ve Tuğçe’ye yürekten teşekkür ederim. Ve ayrıca şekillerin çiziminde ve yazımda bana yardımcı olan Dr. Mehmet Gündüz’e teşekkür ederim.
Var olabilecek yazım ve basım hatalarından dolayı hoşgörünüze sığınır; okuyucularımın olumlu ya da olumsuz eleştirilerini bildirmelerini isterim. Bu kitabın öğrencilerimize ve meslektaşlarımıza yararlı olmasını dilerim.
Dr. Fethi Halıcı
Denizli, 2016

İÇİNDEKİLER
BÖLÜM 1. ISI GEÇİŞİNİN TANITIMI 1
1.1 GİRİŞ 1
1.2 İLETİM İLE ISI GEÇİŞİ VE FOURİER ISI İLETİM KANUNU 2
1.2.1 Isı iletim katsayısı 3
1.2.2 Isı geçişi problemlerinde yapılabilecek kabuller 5
1.2.3 Düzlem duvarda iletim ile ısı geçişi 5
1.3 TAŞINIM İLE ISI GEÇİŞİ VE NEWTON'UN SOĞUMA KANUNU 8
1.4 IŞINIM İLE ISI GEÇİŞİ VE STEFAN-BOLTZMANN KANUNU 10
1.4.1 Birleştirilmiş ısı taşınım katsayısı 11
1.5 ENERJİ DENGESİ 12
BÖLÜM 2. DEVAMLI REJİMDE BİR BOYUTLU ISI İLETİMİ 15
2.1 DÜZLEM DUVARDA ISI İLETİMİ 15
2.1.1 Isı geçişine ısı iletim katsayısının sıcaklıkla değişiminin etkisi 18
2.1.2 Isıl direnç tanımı 20
2.2 BİRLEŞİK DÜZLEM DUVARLARDA ISI GEÇİŞİ 22
2.2.1 Toplam ısı geçiş katsayısı 24
2.2.2 Karışık bağlı düzlem duvarlarda ısı geçişi 34
2.2.3 Temas ısıl direnci 39
2.2.4 Kirlilik ısıl direnci 40
2.2.5 Isı köprüleri 41
2.3 SİLİNDİRİK YÜZEYLERDE ISI İLETİMİ 42
2.4 BİRLEŞİK SİLİNDİRİK YÜZEYLERDE ISI GEÇİŞİ 44
2.4.1 Boru üzerine yapılan yalıtımın kritik yarıçapı 49
2.5 KÜRESEL YÜZEYLERDE RADYAL ISI İLETİMİ 54
2.6 BİRLEŞİK KÜRESEL YÜZEYLERDE ISI GEÇİŞİ 56
ÇÖZÜMLÜ PROBLEMLER 59
PROBLEMLER 113
BÖLÜM 3. ISI İLETİMİNİN GENEL DENKLEMİ 129
3.1 DİKDÖRTGEN KOORDİNATLAR 130
3.2 SİLİNDİRİK KOORDİNATLAR 132
3.3 KÜRESEL KOORDİNATLAR 133
3.4 SINIR ŞARTLAR 134
3.4.1 Yüzey sıcaklıklarının belirlenmesi 134
3.4.2 Yüzeyde ısı akısının belirlenmesi 134
3.4.3 Yüzeyin yalıtılması 134
3.4.4 Yüzeyde akışkana taşınım ile ısı geçişi 135
3.5 ISI ÜRETİMİ OLAN KATI CİSİMLERDE ISI İLETİMİ 135
3.5.1 Düzlem levha hali 136
3.5.2 Silindirik Yüzey Hali 143
3.6 GENİŞLETİLMİŞ YÜZEYLERDE ISI GEÇİŞİ 148
3.6.1 Dikdörtgen kesitli kanatta ısı geçişi 149
3.6.2 Düzeltilmiş Kanat Uzunluğu 156
3.6.3 Kanat verimi 157
3.6.4 Toplam yüzey verimi 159
3.6.5 Kanat etkenliği ve kanat kullanmanın uygunluğu 160
3.6.6 Termometre kılıfı 162
3.7 DEVAMLI REJİMDE İKİ BOYUTLU ISI İLETİMİ 170
3.7.1 Analitik çözüm 170
3.7.2 Isı iletimi biçim katsayısı yöntemi 173
3.7.3 Sonlu farklar yöntemi 177
3.7.4 Enerji dengesi ve ısı geçişi 179
ÇÖZÜMLÜ PROBLEMLER 184
PROBLEMLER 219
BÖLÜM 4. ZAMANA BAĞLI ISI İLETİMİ 225
4.1 GRİŞ 226
4.2 TOPLAM KÜTLE YAKLAŞIMI 227
4,3 BİR BOYUTLU ZAMANA BAĞLI ISI İLETİMİ 230
4.3.1 Düzlem levha hali 230
4.3.2 Levhanın her iki yüzeyine akışkan olması 233
4.3.3 Yaklaşık analitik çözümler 234
4.3.4 Grafik çözümler 235
4.4 ÇOK BOYUTLU SİSTEMLERDE ZAMANA BAĞLI ISI İLETİMİ 248
4.4.1 Sonlu silindirde zamana bağlı sıcaklık dağılımı 248
4.4.2 Prizmada zamana bağlı sıcaklık dağılımı 250
ÇÖZÜMLÜ PROBLEMLER 255
PROBLEMLER 279
BÖLÜM 5. ISI TAŞINIMI 283
5.1 TANIMLAR 283
4.1.1 Isı taşınım katsayısını hesaplama yöntemleri 284
5.2 LEVHA ÜZERİNDE DIŞ AKIŞ 285
5.2.1 Levha üzerinde zorlanmış akışta sınır tabakalar 285
5.2.2 Süreklilik ve momentum denklemleri 287
5.2.3 Isıl sınır tabaka ve enerji denklemi 288
5.2.4 Isıl sınır tabaka kalınlığı 290
5.2.5 Boyutsuzlaştırma 290
5.2.6 Sınır tabaka denklemlerinin çözüm fonksiyonları 291
5.3 LEVHA ÜZERİNDEKİ AKIŞTA ISI TAŞINIMI 291
5.3.1 Levha üzerinde laminer akışta ısı taşınımı 291
5.3.2 Boyutsuz sayıların fiziksel anlamları 294
5.3.3 Boyut analizi yöntemi 295
5.3.4 Levha üzerinde türbülanslı akışta ısı taşınımı 298
5.4 BORU İÇİNDEKİ AKIŞTA ISI TAŞINIMI 304
5.4.1 Boru içindeki akışta sınır tabakalar 304
5.4.2 Boru içinde laminer akışta ısı taşınımı 305
5.4.3 Boru içinde türbülanslı akışta ısı taşınımı 306
5.4.4 Dairesel kesitli olmayan kanallar içinde ısı taşınımı 310
5.5 BORU DIŞINDAKİ AKIŞTA ISI TAŞINIMI 312
5.5.1 Boru demetine dik akışta ısı taşınımı 313
5.5.2 Dairesel kesitli olmayan kanallar üzerine dik akışta ısı taşınımı 316
5.6 KÜRE ÜZERİNE AKIŞTA ISI TAŞINIMI 316
5.7 BASINÇ KAYIPLARI 317
5.7.1 Levha üzerindeki akışta basınç kaybı 317
5.7.2 Boru içindeki akışta basınç kaybı 317
5.8 BORU İÇİNDEKİ AKIŞTA ENERJİ DENGESİ 323
5.8.1 Sabit ısı akısında enerji dengesi 323
5.8.2 Sabit yüzey sıcaklığında enerji dengesi 324
ÇÖZÜMLÜ PROBLEMLER 331
PROBLEMLER 351
BÖLÜM 6. DOĞAL ISI TAŞINIMI 359
6.1 DÜŞEY BİR LEVHADA DOĞAL ISI TAŞINIMI 359
6.1.1 Düşey levhada laminer doğal ısı taşınımı 361
6.1.2 Düşey levhada türbülanslı doğal ısı taşınımı 362
6.1.3 Düşey levhada deneysel bağıntılar 362
6.2 YATAY LEVHADA DOĞAL ISI TAŞINIMI 365
6.3 YATAY SİLİNDİRDE DOĞAL ISI TAŞINIMI 368
6.4 PARALEL LEVHALAR ARASINDA DOĞAL ISI TAŞINIMI 370
6.4.1 Düşey kanal 370
6.4.2 Kapalı hacimlerde doğal ısı taşınımı 372
ÇÖZÜMLÜ PROBLEMLER 374
PROBLEMLER 388
BÖLÜM 7. KAYNAMA VE YOĞUŞMA 393
7.1 KAYNAMA HALİNDE ISI GEÇİŞİ 393
7.1.1 Havuz kaynama 393
7.1.2 Zorlanmış akışlı kaynama 396
7.2 YOĞUŞMA HALİNDE ISI GEÇİŞİ 397
7.2.1 Düşey levha üzerinde laminer film yoğuşma 397
7.2.2 Düşey levha üzerinde türbülanslı film yoğuşma 400
7.2.3 Yatay boru üzerinde film yoğuşma 403
7.2.4 Yatay boru içinde film yoğuşma 405
ÇÖZÜMLÜ PROBLEMLER 406
PROBLEMLER 412
BÖLÜM 8. ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ 413
8.1 ISI DEĞİŞTİRİCİSİ TİPLERİ 413
8.2 ISI DEĞİŞTİRİCİLERİNDE ENERJİ DENGESİ 416
8.2.1 Toplam ısı geçiş katsayısı 416
8.3 LOGARİTMİK ORTALAMA SICAKLIK FARKI YÖNTEMİ 417
7.3.1 Çok geçişli ve çapraz akışlı ısı değiştiricilerinde Tlm 425
8.4 ISI DEĞİŞTİRİCİLERİ HESAPLARINDA ETKENLİKNTU
YÖNTEMİ (-NTU) 428
ÇÖZÜMLÜ PROBLEMLER 435
PROBLEMLER 458
BÖLÜM 9. ISI IŞINIMI 465
9.1 TEMEL TANIMLAR 465
9.2 IŞINIM ŞİDDETİ 467
9.2.1 Katı (hacimsel) açı 467
9.2.2 Işınım şiddeti ve enerjisi 469
9.3 SİYAH CİSİM IŞINIMI 471
9.3.1 Planck kanunu 471
9.3.2 Stefan-Boltzmann kanunu 471
9.3.3 Wien kayma kanunu 472
9.4 GRİ CİSİM IŞINIMI 473
9.4.1 Işınım yayma katsayısı ve gri cisim ışınımı 473
9.4.2 Kirchoff kanunu 473
9.5 YÜZEYLER ARASINDA IŞINIM 474
9.5.1 İki siyah yüzey arasında ışınım 474
9.5.2 Şekil faktörleri 476
9.5.3 Üç boyutlu şekil faktörü 478
9.6 GRİ YÜZEYLERDE IŞINIM İLE ISI GEÇİŞİ 482
9.6.1 Net ışınım yöntemi 482
9.6.2 Elektriksel benzeşim yöntemi 492
9.6.3 Işınım perdeleri (kalkanı) 506
9.7 GAZ IŞINIMI 510
9.7.1 Bear ve Kirchoff kanunları 510
9.7.2 Eşdeğer tabaka kalınlığı 511
9.7.3 Gazların ışınım yayma ve yutma katsayıları 512
9.7.4 Kapalı kap içindeki gazın ısı ışınımı 515
9.8 YÜZEYLER ARASINDA IŞINIM YUTAN GAZ OLMASI 520
9.8.1 Gazdan yüzeye ışınım ve gaz ışınım direnci 520
9.8.2 Işınım yutan ortamda yüzeyler arasında ışınım 521
ÇÖZÜMLÜ PROBLEMLER 525
PROBLEMLER 538
Semboller 551
Kaynaklar 552
EKLER: BAZI AKIŞKAN VE MADDELERİN TERMOFİZİKSEL ÖZELLİKLERİ 555
Ek. 1 Bazı metallerin termofiziksel özellikleri 556
Ek. 2 Bazı malzemelerin termofiziksel özellikleri 558
Ek. 3 Su buharının termofiziksel özellikleri 560
Ek. 4 Atmosfer basıncında havanın termofiziksel özellikleri 562
Ek. 5 Atmosfer basıncında bazı gazların termofiziksel özellikleri 563
Ek. 6 Doymuş sıvıların termofiziksel özellikleri 567
Ek. 7 Bazı soğutucu akışkanların doymuş sıvı özellikleri 568
Ek. 8 Bazı metal ve malzemelerin ışınım yayma katsayıları 569
Birimler ve Birim Dönüşümleri 570