Su ve etanol gibi birbiriyle karışabilen iki bileşenin buharı birlikte yoğuştuğunda, sıvı film içinde yalnız sıcaklık gradyenti değil konsantrasyon gradyenti de oluşur. Etanolün yüzey gerilimi sudan daha düşük olduğundan, sıvı yüzeyindeki bileşim farklılıkları yüzey gerilimi farkı yaratabilir ve sıvıyı düşük yüzey gerilimli bölgeden yüksek yüzey gerilimli bölgeye doğru harekete geçirebilir. Marangoni konveksiyonu adı verilen bu arayüz hareketi sıvı filmi bozup yenileyebilir, film termal direncini azaltabilir ve yoğuşma ısı transferini kuvvetlendirebilir.

Bu deneysel çalışmada etanol–su buhar karışımları 26,18 ve 34,46 mm iç çaplı iki düşey bakır borunun iç yüzeyinde yoğuşturulmuştur. Buhar borudan aşağı ilerlerken soğutma suyu borunun dışındaki annüler bölgeden geçirilmiş ve boru duvarının üç farklı eksenel konumunda gömülü termokupl çiftleriyle sıcaklık gradyenti ölçülmüştür. Buhar debileri 10,94–14,08 kg·h⁻¹, başlangıç etanol konsantrasyonları %0–5 aralığındadır.

Isı transfer katsayısı etanol konsantrasyonu arttıkça önce yükselmiş, %1'de maksimuma ulaşmış ve daha sonra azalmıştır. Küçük boruda maksimum katsayı 104,80 kW·m⁻²·K⁻¹, büyük boruda 78,81 kW·m⁻²·K⁻¹ olarak ölçülmüştür. Saf su buharına kıyasla maksimum iyileşme küçük boruda %89,92, büyük boruda %71,26'dır.

Bununla birlikte Marangoni iyileştirmesi boru boyunca sabit kalmamıştır. L/D=3 girişe yakın bölgede güçlü olan ısı transferi L/D=6 ve özellikle L/D=8'e doğru ciddi biçimde azalmış; maksimum attenuasyon %71'e ulaşmıştır. Çalışma böylece Marangoni yoğuşmasının yalnız “etanol eklemek” ile değil; etanol oranı, boru çapı, buhar hızı, aşırı soğuma ve eksenel konumun birlikte belirlediği dar bir çalışma penceresi içinde optimize edilmesi gerektiğini göstermektedir.

Marangoni etkisi nedir?

Bir sıvı arayüzünün farklı noktalarında yüzey gerilimi aynı değilse, yüksek yüzey gerilimli bölge çevresindeki sıvıyı daha kuvvetli çeker. Bunun sonucu yüzey boyunca düşük yüzey gerilimli bölgeden yüksek yüzey gerilimli bölgeye doğru akış gelişir. Bu akış Marangoni konveksiyonu olarak adlandırılır.

Etanol–su sisteminde etanol suya göre daha uçucu ve daha düşük yüzey gerilimlidir. Yoğuşma sırasında düşük uçuculuğa sahip su kondens içinde daha kolay zenginleşirken etanolün buhar fazından arayüze difüzyonu gerekir. Böylece sıvı film içinde konsantrasyon gradyenti oluşabilir.

Bu bileşim gradyenti sıcaklık gradyentiyle birleştiğinde arayüz boyunca yüzey gerilimi farklılıkları oluşur. Arayüzdeki sıvı hareketi film yapısını bozup yenileyerek klasik düzgün film yoğuşmasına göre daha düşük termal direnç oluşturabilir.

%1 Etanol Neden Bu Deneyde En Güçlü Isı Transferini Verdi?

Kaynak verilerinde bütün boru çapları, debiler ve ölçüm bölgeleri genel olarak aynı karakteristiği göstermektedir: etanol konsantrasyonu sıfırdan yükseldikçe ısı transfer katsayısı artar, %1 civarında zirve yapar ve %2–5'e doğru yeniden düşer. Bu davranış Marangoni kuvvetlendirmesinin optimum bir konsantrasyon aralığı bulunduğunu göstermektedir.

Düşük etanol ilavesi arayüzde yeterli yüzey gerilimi gradyenti oluşturarak kondens filmini bozabilir. Ancak etanol miktarı artırılmaya devam edildiğinde yalnız yüzey gerilimi etkisi değil, buhar–sıvı kütle aktarımı ve konsantrasyon profili de değişmektedir. Sonuçta ısı transfer kazancı monoton biçimde artmamaktadır.

Bu deneyde optimumun %1 çıkması bütün etanol–su yoğuşturucuları için evrensel bir optimum değildir. Kaynak literatürde dış yüzey yoğuşmasında %0,01–0,1 gibi çok daha düşük optimum konsantrasyonların raporlandığını da belirtmektedir. Geometri ve akış koşulları optimum konsantrasyonu güçlü biçimde değiştirebilir.

Deney düzeneği

Sistem dört ana alt sistemden oluşmaktadır:

1. Etanol–su karışık buhar üretim ve dolaşım sistemi,
2. ana kondenser ve soğutma çevrimi,
3. düşey borulu deney bölümü ve bağımsız soğutma sistemi,
4. basınç, sıcaklık, debi ve elektrik gücünü kaydeden veri toplama sistemi.

Buhar jeneratöründe üç elektrikli ısıtıcı vardır. Isıtıcı gücü değiştirilerek buhar kütlesel debisi ayarlanır. Buhar deney borusuna yukarıdan girer ve düşey olarak aşağı akar. Test bölümünden sonra kalan buhar kondenserde yoğuşturulur ve kondens bir pompa yardımıyla tekrar jeneratöre gönderilir.

Kaynak PDF'nin 29–30. sayfalarındaki şema ve fotoğraf, gerçek deney tesisini; 31. sayfadaki kesit ise düşey bakır borudan aşağı akan karışık buhar ile annüler bölgede yukarı hareket eden soğutma suyunun karşı akış düzenini göstermektedir.

İki deney borusu

Boru iç yüzeyleri, karışık buhar yoğuşması sırasında daha kararlı damlacık oluşumunu desteklemek amacıyla hassas biçimde parlatılmıştır.

Duvar sıcaklığı nasıl ölçüldü?

Borunun A, B ve C olarak adlandırılan üç eksenel bölgesinde iki farklı radyal derinliğe termokupl yerleştirilmiştir. Bu iki sıcaklık arasındaki fark ve bakırın termal iletkenliği kullanılarak yerel radyal ısı akısı hesaplanmaktadır.

İç yüzey sıcaklığı \(T_w\), iki gömülü termokupl sıcaklığından radyal iletim çözümüyle elde edilmektedir. Daha sonra aşırı soğuma:

\[ \Delta T=T_v-T_w \]

şeklinde tanımlanmıştır.

Yoğuşma ısı transfer katsayısı:

\[ h=\frac{q}{\Delta T} \]

ile hesaplanmaktadır.

Deney aralıkları

Belirsizlik analizi

Aykırı deney verileri interquartile range, yani IQR yöntemiyle belirlenmiş ve dışarıda bırakılmıştır. Kalan verilerin medyanı ilgili deney durumunun temsili değeri olarak kullanılmıştır.

Aşırı Soğuma Arttığında Isı Transfer Katsayısı Neden Düşüyor?

Kaynakta hem saf su hem etanol–su karışımları için \(h\), \(\Delta T\) arttıkça monoton biçimde düşmektedir. Bunun temel nedeni aşırı soğumanın yoğuşma hızını artırarak duvar üzerindeki kondens sıvı filmini kalınlaştırmasıdır.

Film kalınlaştıkça buhar ile soğuk duvar arasındaki ısının daha kalın bir sıvı tabakasından iletilmesi gerekir. Bu nedenle toplam termal direnç yükselir.

Özellikle düşük aşırı soğuma bölgesinde, yaklaşık \(\Delta T<10\,K\), \(h\) çok yüksek değerlere çıkabildiğinden \(\Delta T\)'deki küçük değişikliklerin katsayı üzerindeki etkisi daha keskindir.

Saf su örneği

Saf su buharında da aynı monoton azalma görülmüştür. Buhar debisi yükseldikçe düşük \(\Delta T\)'deki \(h\) artmış, fakat yüksek ve düşük \(\Delta T\) arasındaki mutlak fark da büyümüştür.

Küçük boruda debi 10,94'ten 14,08 kg·h⁻¹'e çıktığında \(h\)'nin azalma aralığı yaklaşık 10,13–30,78'den 9,47–31,81 kW·m⁻²·K⁻¹'e genişlemiştir.

%1 etanol örneği

%1 etanolde aynı azalma eğilimi daha güçlüdür. Küçük boruda debi arttıkça ölçülen katsayı azalmasının aralığı yaklaşık 23,48–54,38'den 29,85–69,92 kW·m⁻²·K⁻¹'e kadar genişlemiştir.

Bu durum Marangoni ile sağlanan yüksek başlangıç performansının, film kalınlaştıkça güçlü biçimde zayıflayabildiğini göstermektedir.

Boru Çapının Küçülmesi Neden Isı Transferini Artırıyor?

Aynı kütlesel debide daha küçük kesit alanı daha yüksek ortalama buhar hızı oluşturur. Kaynağın yorumuna göre yüksek hız, buhar–sıvı arayüzünde kesme etkilerini ve akış düzensizliklerini güçlendirerek kondens filmini inceltebilir.

%1 etanolde ve maksimum deney debisinde:

Bu maksimum değerlerin doğrudan farkı küçük boru lehine yaklaşık %32,98'dir.

Buna karşılık kaynakta geçen %20,58 değeri maksimum \(h\) farkı değil, iki borunun saf suya göre ısı transferi intensification ratio'ları arasındaki göreli avantajın üst sınırı olarak kullanılmaktadır.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

%1 etanolde boru boyunca ısı transferi nasıl değişti?

Birim: kW·m⁻²·K⁻¹.

En yüksek değer her zaman girişe yakın L/D=3 bölgesindedir.

Saf Suya Göre Marangoni Isı Transferi Artışı Ne Kadar?

Çalışma intensification ratio \(\varepsilon\)'yı karışık buharın yoğuşma ısı transfer katsayısının saf su buharındaki katsayıya oranı olarak kullanmıştır.

Küçük boruda %1 etanol için maksimum \(\varepsilon\), buhar debisi 10,94'ten 14,08 kg·h⁻¹'e çıktığında yaklaşık:

\[ 1.72\rightarrow1.90 \]

olmuştur.

Bu, yüksek debi ve giriş bölgesinde saf suya göre maksimum yaklaşık:

%89,92 ısı transferi artışı

anlamına gelmektedir.

Büyük boruda maksimum intensification ratio yaklaşık:

\[ 1.59\rightarrow1.71 \]

ve maksimum iyileşme:

%71,26

olarak bildirilmiştir.

Bununla birlikte kuvvetlendirme aşağı akımda belirgin biçimde zayıflamıştır. Yine de kaynak deney aralığında karışımın saf suya göre pozitif ısı transferi avantajı korunmuştur.

Isı Transferi Boru Boyunca Neden %71'e Kadar Zayıfladı?

Kaynak attenuasyon oranını belirli bir aşağı akım noktasındaki \(h\)'nin L/D=3'e göre azalması olarak tanımlamaktadır.

Eksenel konum en güçlü belirleyicidir:

Küçük boruda ortalama attenuasyon L/D=6'da %21,98'den L/D=8'de %62,88'e yükselmiştir.

Büyük boruda ise aynı değerler %29,73 ve %63,37'dir.

Aşağı akımda buharın bir bölümü zaten yoğuştuğu için toplam buhar debisi azalır; etanol konsantrasyonu değişir ve kondens filmi kalınlaşır. Bu üç değişim Marangoni arayüz hareketini ve klasik taşınım etkilerini aynı anda zayıflatabilir.

Etanol konsantrasyonu attenuasyonu nasıl değiştirdi?

Attenuasyonun etanolle ilişkisi de tek tepeli bir eğridir. En yüksek zayıflama %1 etanolde görülmüştür.

Küçük boruda %1 etanol ve L/D=8 için ortalama attenuasyon yaklaşık:

%67,54

olmuştur ve bu değer saf su buharına göre yaklaşık %11,8 daha yüksektir.

Büyük boruda karşılık gelen artış yaklaşık %13,1'dir.

Etanol %5'e çıkarıldığında attenuasyon tekrar saf su seviyelerine yaklaşmıştır.

Buhar Debisinin Etkisi Neden Boru Çapına Göre Tersine Dönüyor?

Küçük boruda kütlesel debi arttığında yüksek hız ve arayüz kesmesi aşağı akımdaki performans kaybını kısmen telafi etmektedir. Kaynakta debi artışı:

• L/D=6 attenuasyonunu yaklaşık %10,2,
• L/D=8 attenuasyonunu yaklaşık %4,5

azaltmıştır.

Büyük boruda ise aynı debi artışı:

• L/D=6 attenuasyonunu yaklaşık %12,1,
• L/D=8 attenuasyonunu yaklaşık %14,8

artırmıştır.

Bu çap×debi etkileşimi çalışmanın en ilginç bulgularından biridir. Ancak kaynak bunun için tam bir yerel iki-faz akış görselleştirmesi veya ayrıntılı CFD mekanizma ayrıştırması sunmadığından, ters davranışın bütün fiziksel nedeni deneysel olarak kesinleştirilmiş değildir.

Çalışmanın desteklediği sonuçlar

• Etanol–su karışımı boru içi yoğuşmada saf suya göre ısı transferini artırmıştır.
• Bu deney koşullarında maksimum performans %1 başlangıç etanol konsantrasyonunda görülmüştür.
• Isı transfer katsayısı aşırı soğuma arttıkça azalmıştır.
• Küçük çaplı boru daha yüksek yerel \(h\) üretmiştir.
• En yüksek ölçülen \(h\) 104,80 kW·m⁻²·K⁻¹'dir.
• Saf suya göre maksimum kuvvetlendirme küçük boruda %89,92'dir.
• Marangoni kuvvetlendirmesi aşağı akımda zayıflamıştır.
• Maksimum eksenel attenuasyon %71'e ulaşmıştır.
• Attenuasyon da %1 etanol civarında maksimum göstermiştir.
• Debinin attenuasyon üzerindeki etkisi iki boru çapında zıt yönlüdür.

Çalışmanın desteklemediği sonuçlar

• %1 etanolün bütün boru çapları ve bütün basınçlarda evrensel optimum olduğu gösterilmemiştir.
• Etanol arttıkça ısı transferinin sürekli artacağı gösterilmemiştir.
• 104,80 kW·m⁻²·K⁻¹ değeri bütün boru boyunca geçerli değildir; girişe yakın en yüksek yerel sonuçtur.
• %89,92 artış bütün deney noktalarının ortalama artışı değildir; en yüksek kuvvetlendirme durumudur.
• Kaynak kendi deneyinde kondens damlacıklarının zaman çözünürlüklü doğrudan görsel analizini sunmamaktadır.
• Çalışma yatay veya eğik borular için aynı optimumları doğrulamamaktadır.
• Sonuçlar endüstriyel tam boy kondenserlerin uzun dönem performansını doğrudan kanıtlamamaktadır.

Kaynak ve Yöntem Notu

Özgün başlık: Experimental Study on Marangoni Condensation Heat Transfer of Ethanol-Water Vapor Mixture in Vertical Circular Tubes

Yazarlar: Ming Sun; Huanhuan Liu; Shenhua Hu; Ruifeng Ji; Binghao Fan; Jiyu Wang; Yi An.

Sorumlu yazar: Ming Sun.

Kurumlar: School of Electrical Engineering, Xinjiang University; Engineering Research Center of Northwest Energy Carbon Neutrality, Ministry of Education; School of Control Science and Engineering, Dalian University of Technology.

Kaynak türü: SSRN preprint.

SSRN Abstract: 6920620.

Hakemlik durumu: Kaynak PDF açık biçimde “This preprint research paper has not been peer reviewed” ve “Preprint not peer reviewed” ibarelerini taşımaktadır.

Temel deney: Etanol–su karışık buharının iki farklı iç çaptaki düşey bakır boruda aşağı akışlı iç yoğuşması.

Boru çapları: 26,18 mm ve 34,46 mm.

Etkin test uzunluğu: 223,8 mm.

Buhar debileri: 10,94; 12,53; 14,08 kg·h⁻¹.

Etanol konsantrasyonları: %0; %0,5; %1; %2; %5.

Kaynakta verilen doymuşluk sıcaklığı: 371,65 K.

Ölçüm bölgeleri: L/D≈3, 6 ve 8.

Veri işleme: Duvar içindeki iki radyal sıcaklık ölçümünden Fourier iletimiyle \(q\) ve \(T_w\) hesaplama; \(h=q/(T_v-T_w)\); IQR ile aykırı veri temizleme ve kalan verilerin medyanının kullanılması.

Isı transfer katsayısı belirsizliği: ±%7,07.

Finansman: Major Science and Technology Special Project of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Grant 2023A01005-1; Fundamental Research Funds for the Universities of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Grant XJEDU2025J003; National Undergraduate Innovation and Entrepreneurship Training Program, Grant 202510755019.

Çıkar çatışması: Yazarlar finansal veya kişisel çıkar çatışması bildirmemektedir.

Veri erişilebilirliği: Verilerin talep halinde sağlanacağı belirtilmiştir.

Kaynak içi basınç tutarsızlığı: Table 3'te 94,5 kPa yer alırken Results başlangıcında 84,5 kPa yazmaktadır; birçok sonuç grafiğinde yaklaşık 85 kPa kullanılmıştır. Bu Verianla metni bu değerleri tek bir basınca zorla dönüştürmemektedir.

Kaynak içi boru kalınlığı tutarsızlığı: Measurement points metninde iki boru için yaklaşık 2,91 ve 3,81 mm duvar kalınlıkları ifade edilirken Table 2 başlığında her iki boru için 2,969 mm görünmektedir. Geometrik hesapların ayrıntılı \(\alpha\) ve \(\delta\) verileri ayrıca tabloda verilmiştir.

Kaynak içi %20,58 notu: Özet, küçük borunun ısı transfer katsayısını büyük borudan %20,58 yüksekmiş gibi ifade etmektedir. Results bölümünde maksimum \(h\) değerleri 104,80 ve 78,81 kW·m⁻²·K⁻¹ olup doğrudan fark yaklaşık %32,98'dir. %20,58 değeri Section 4.3'te intensification ratio'nun çap küçülmesiyle göreli artışının üst sınırı olarak açıklanmıştır.

Görsel doğrulama sınırı: PDF'nin test kesiti şemasındaki kondens film/damlacık gösterimi yazarların belirttiği üzere Reference [43]'teki gözlemlere dayanılarak çizilmiştir. Bu çalışmanın esas ölçümleri sıcaklık, basınç, debi ve türetilmiş ısı transfer katsayılarıdır.

Görsel yeniden çizim notu: Verianla için en uygun özgün bilimsel görsel; düşey bakır boruda aşağı ilerleyen etanol–su buharını, duvardaki kondens filminde Marangoni yüzey akımını, %1 optimum konsantrasyonu, 26,18/34,46 mm çap farkını ve L/D=3→6→8 boyunca zayıflayan ısı transferini birlikte gösterebilir.