Helisel kanatlı çift borulu ısı değiştiricilerinde ısı transferinin deneysel ve sayısal incelenmesi
Experimental and numerical investigation of heat transfer in concentrate heat exchanger with helical fins
- Tez No: 1012813
- Danışmanlar: PROF. DR. KADİR BİLEN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Enerji, Mechanical Engineering, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Atatürk Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Amaç: Bu çalışmanın amacı, farklı hatve aralığına sahip olan helisel kanatların ısı transferi performansına etkilerini farklı debi ve sıcaklık aralıklarında hem deneysel hem de sayısal yöntemlerle inceleyerek, ısı değiştiricilerde enerji verimliliğini artıracak optimum kanat geometrisinin belirlenmesidir. Yöntem: Bu çalışmada, helisel kanatların ısı transferi ve akış karakteristiklerine etkileri hem deneysel hem de sayısal yöntemlerle araştırılmıştır. Deneysel çalışmalar, çift borulu bir ısı değiştirici düzeneğinde gerçekleştirilmiştir. İç boru üzerine belirli adım aralıklarında (P=10 mm, P=14 mm, P=16 mm ve P=18 mm) helisel kanatlar sarılmıştır. İş akışkan olarak iç boruda su, halka boşluğunda (dış bölgede) hava kullanılmıştır. Yapılan analizlerde iç akışkan (su) debisi 7-9-11 L/dk aralığında ve giriş sıcaklığı 30-35-40–45°C aralığında değiştirilmiştir. Havanın sıcaklığı 15°C' de sabit tutulmuştur. Deneyde kullanılan iç test borusu ve tüm kanat malzemeleri, bakır malzemeden imal edilmiştir. Kullanılan test borusu 22 mm dış çapa, 19mm iç çapa sahiptir. Dış borunun iç çapı ise 74 mm' dir. Isı değiştiricisi1000 mm uzunluğa sahiptir. Test borusu, çevreye olan ısı kayıplarını minimize etmek için etrafı yalıtılmıştır. Deneyler sırasında iki boru arasında halka kısmındaki hava akışı Re=11000-33000 aralığında değiştirilmiştir. Giriş–çıkış sıcaklıkları, basınç düşüşleri ve debi değerleri hassas ölçüm cihazları ile kaydedilmiştir. Ayrıca deney borusu üzerine yerleştirilen helisel kanatların ısı transferine ve sürtünme faktörüne etkileri deneysel olarak incelenirken, sayısal olarak da simülasyonları yapılmıştır. Bulgular: Helisel kanatçıkların farklı hatve (P), sıcaklık ve debi değerlerinde çift borulu bir ısı değiştiricinin termal performansı incelenmiş; Nusselt sayısı (Nu), sürtünme katsayısı (f) ve termal performans faktörü (TPF) parametreleri değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, tüm Reynolds sayılarında helisel kanat kullanımının ısı transfer performansını artırdığını ve özellikle P = 10 mm hatve değerinde en yüksek performansın elde edildiğini göstermiştir. İç akışkan sıcaklığının artırılması durumunda Nusselt sayısında azalma eğilimi gözlenmiş olup bu durum akışkan özelliklerindeki değişimle ilişkilendirilmiştir. Buna karşılık iç akışkan debisinin artırılmasıyla Reynolds sayısının yükseldiği, türbülans şiddetinin arttığı ve buna bağlı olarak daha yüksek Nusselt değerlerinin elde edildiği belirlenmiştir. Ayrıca Reynolds sayısındaki artışla birlikte termal performans faktörünün genel olarak yükseldiği ve helisel kanatçıkların özellikle düşük hatve değerlerinde daha etkin bir termal performans sağladığı görülmüştür. Sonuç: Elde edilen sonuçlar, helisel kanat kullanımının boş boruya kıyasla Nusselt sayısını artırdığını göstermiştir. En yüksek iyileşme, P = 10 mm hatve aralığında ve Re = 32880 değerinde elde edilmiş olup, bu oran %621,45 olarak belirlenmiştir. Debi değeri arttıkça Nu sayısının arttığı görülmüştür. P= 10 mm için Re = 32880'de 11 L/dk debide TPF değeri 2,536'ya ulaşarak maksimum performansı göstermiştir. Sıcaklık artışı termo-hidrolik performans değerlerinde düşüşe neden olmuştur. En yüksek performans Re = 32880, T = 30°C sıcaklığında 9 L/dk debide TPF = 2,380 elde edilmiştir. Genel olarak küçük hatveli geometri, düşük sıcaklık ve yüksek Reynolds sayıları, sistemin termo-hidrolik performansını en avantajlı olmuştur.
Özet (Çeviri)
Purpose: The aim of this study is to determine the optimum helical fin geometry that enhances energy efficiency in heat exchangers by experimentally and numerically investigating the effects of different fin pitch distances on heat transfer performance under various flow rates and temperature conditions. Method: In this study, the effects of helical fins on heat transfer and flow characteristics were investigated experimentally and numerically. The experiments were conducted in a double-pipe heat exchanger. Helical fins with pitches of P = 10, 14, 16, and 18 mm were wrapped around the inner tube. Water flowed through the inner tube, while air flowed in the annular region.The water flow rate was varied between 7–11 L/min, and the inlet temperature ranged from 30 to 45°C. The air temperature was kept constant at 15°C. The inner tube and fins were made of copper. The inner tube had 22 mm outer and 19 mm inner diameters, while the outer tube had a 74 mm inner diameter. The heat exchanger length was 1000 mm and insulated to minimize heat loss.Air flow in the annulus corresponded to Re = 11,000–33,000. Inlet–outlet temperatures, pressure drops, and flow rates were measured precisely. The effects of the helical fins on heat transfer and friction factor were evaluated both experimentally and through numerical simulations. Findings: The thermal performance of the double-pipe heat exchanger with different helical fin pitches (P), temperatures, and flow rates was analyzed in terms of Nusselt number (Nu), friction factor (f), and thermal performance factor (TPF).The results showed that the use of helical fins enhanced heat transfer performance at all Reynolds numbers, with the highest performance obtained at P = 10 mm. Increasing the inlet temperature of the inner fluid resulted in a decreasing trend in the Nusselt number, which was associated with changes in fluid properties. Conversely, increasing the flow rate raised the Reynolds number and turbulence intensity, leading to higher Nusselt values.It was also observed that the thermal performance factor generally increased with Reynolds number and that helical fins were more effective at lower pitch values. Results: The results demonstrated that the use of helical fins significantly increased the Nusselt number compared to the plain tube. The highest enhancement was achieved at P = 10 mm and Re = 32,880, with an improvement rate of 608.59%. As the flow rate increased, the Nusselt number increased accordingly. For P = 10 mm, the maximum TPF value of 2.492 was obtained at Re = 32,880 under a flow rate of 11 lt/min. However, increasing temperature led to a decrease in thermo-hydraulic performance values. The highest overall performance (TPF = 2.351) was achieved at Re = 32,880, T = 30°C, and a flow rate of 9 lt/min.In general, smaller pitch geometry, lower inlet temperature, and higher Reynolds numbers provided the most advantageous thermo-hydraulic performance.
Benzer Tezler
- Toprak kaynaklı ısı pompası ve tprak ısı değiştiricilerinin optimizasyonu ve geliştirilmesi
Ground source heat pump optimization and development of ground heat exchangers
HAKAN DEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2006
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GALİP TEMİR
- Üç kanatlı helisel Savonius rüzgâr türbinlerinin aerodinamik performansına merkezden kaçıklığın ve faz açısının etkisi
The effect of off-center and phase angle on aerodynamic performance of three-bladed helical Savonius wind turbines
MERNUŞ GÜL
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiKahramanmaraş Sütçü İmam ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ERDEM ALIÇ
- Helisel kanatlı ısıtıcı bulunan silindirik kapta faz değiştiren madde ile ısıl enerji depolanmasının deneysel incelenmesi
Experimental investigation of thermal energy storage with phase change material embedded with helical finned heater inside a cylindrical container
TOLGA ALTINOLUK
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ÖZDEMİR
- Helisel kanatlı boru demetlerinde ısı transferi ve basınç düşümünün hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile analizi
Analysis of heat transfer and pressure drop in helical finned tube bundles with computational fluid dynamics
MURAT GÖRELİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine Mühendisliğiİnönü ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSHAK GÖKHAN AKSOY
- Helisel sarılı ısı değiştiricilerde farklı geometrik özelliklerin ısı transferine etkisinin deneysel ve sayısal olarak araştırılması
Experimental and numerical investigation of the effect of different geometrical properties on heat transfer in helical coiled heat exchangers
MUSTAFA CANER
Doktora
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiSivas Cumhuriyet ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERTAN BUYRUK