Optimizing heat exchanger parameters of a Joule-Thomson cryogenic cooler to improve the cooling performance
Joule-Thomson kriyojenik soğutucuları ısı değiştiricisi özelliklerinin soğutma performansını iyleştirmeye yönelik eniyilemesi
- Tez No: 531090
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HANİFE TUBA OKUTUCU ÖZYURT, DOÇ. DR. CÜNEYT SERT
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 148
Özet
Kriyo-soğutucular soğutmalı kızılötesi (IR) görüntüleme sistemlerinin en önemli bileşenlerindendir. Foton detektörlerinde algılayıcı sıcaklığı kriyojenik sıcaklıklara düşürülmediği sürece görüntü oluşturulamaz. Düşük ilk soğuma süresi, küçük boyutlar ve ağırlığın önemli olduğu dedektör soğutma uygulamalarında çoğunlukla Joule-Thomson (JT) soğutucular kullanılır. Bu çalışmanın hedefi argon gazı ile çalışan bir JT soğutucunun ısı değiştiricisini sayısal yollarla incelemek ve en uygun tasarım boyutlarını belirlemektir. Bu amaçla, Navier-Stokes ve enerji denklemlerini çözmek üzere sayısal bir model oluşturulmuştur. Sayısal model kullanılarak stokastik yöntemle eniyileme çalışması gerçekleştirilmiştir. Eniyileme çalışmasının hedefleri sistemin birim kütlede soğutma gücü en yüksek ve kabuk tarafından akan akışın basınç düşüşü en düşük olacak şekilde en uygun tasarım boyutlarının belirlenmesidir. Eniyileme çalışmasında incelenen olası tasarım boyutları toplam uzunluk, kılcal boru çapı, kılcal boru et kalınlığı, kanat sıklığı, kanat uzunluğu ve kanat kalınlığıdır. Bu boyutlardan hedeflere etkisi düşük olanların eniyileme çalışmasında incelenmemesi için öncelikle bir hassasiyet analizi yapılmıştır. Seçilen tasarım boyutları belli aralıklarda incelenmiştir. Tüm boyut kombinasyonlarının değerlendirileceği şekilde bir sonuç bulutu oluşturulmuştur. Birbiriyle çelişen iki hedefin bir arada incelenebilmesi için ağırlıklı ortalamalarının toplanması yoluyla bir eniyileme fonksiyonu oluşturulmuştur. En iyi boyutlar, oluşturulan sonuç bulutunda eniyileme fonksiyonunun en yüksek değerinin tespit edilmesi ile belirlenmiştir. Son olarak tespit edilen en iyi boyutlar ikinci bir eniyileme hesaplamasının başlangıç boyutları olarak kullanılmıştır. Bu sayede en iyi boyutlar tespit edilmiştir. Önerilen yeni boyutlar ile çalışma debisi %46 oranında azaltılabilmiştir. Bu sayede soğutucunun çalışma süresi uzayacaktır. Ayrıca kabuk akışı basınç düşüşü %90 oranında azaltılmıştır. Bu sayede soğutulmak istenen hedefin çalışma sıcaklığının düşürülmesi sağlanmıştır.
Özet (Çeviri)
Cryocoolers are one of the key components of cooled infrared (IR) imaging systems, where it is not possible to form an image in photon detectors without decreasing the sensor temperature to cryogenic temperatures. In detector cooling applications where low cool down times, small size and weight are required, mostly Joule Thomson (JT) cryocoolers are preferred. The aim of this study is to analyze the heat exchanger of a JT cryocooler operating with argon as the working gas, numerically and optimize its design parameters. For this purpose, a numerical model is built to solve Navier-Stokes and heat transfer equations. Using the numerical model, an optimization study is applied using stochastic method to maximize the specific cooling power of the cryocooler and minimize the shell side pressure drop. The possible optimization parameters are determined as total length of the heat exchanger, capillary tube diameter, capillary tube wall thickness, fin density, fin thickness and fin length. The design parameters are varied within certain limits. A result cloud is obtained using full factorial method. The two contradicting objectives are brought together by weighted averages approach and an optimization function is formed. The optimum geometry which maximizes the optimization function is searched using grid search method. Finally, a second iteration of the optimization is performed by using the optimum geometry obtained from the first iteration. An optimum geometry is obtained, where flow rate is decreased by 46%, which results in an increase of the operation time, and the shell side pressure drop is decreased by 90%, which results in a decrease of the target body working temperature.
Benzer Tezler
- Sığ kuyu toprak kaynaklı ısı değiştiricilerin tasarımında mevsimlere bağlı atmosferik koşulların etkisi
Effects of seasonal atmospheric conditions on the design of shallow ground-source heat exchangers
FERHAT CAN KOÇAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEVAN KARABETOĞLU
- Toprak kaynaklı ısı pompalı mahal ısıtma ve soğutma sisteminin scada ile kontrolü ve ısıl performansının incelenmesi
Investigation of thermal performance of a space heating and cooling system using ground source heat pump with scada control
HAKAN TUTUMLU
Doktora
Türkçe
2020
Bilim ve TeknolojiFırat ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA İNALLI
DR. ÖĞR. ÜYESİ ERKAN DUMAN
- Performance analysis of an Organic Rankine Cycle depending on heat exchanger components optimization
Isı değiştirici bileşenlerine bağlı olarak bir Organik Rankine Çevriminin performans analizi ve optimizasyonu
ABDULRAAOUF OKASH
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
EnerjiGaziantep ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RECEP YUMRUTAŞ
DR. HÜSEYİN YAĞLI
- Doğal soğutucu akışkanlı bir ısı pompası sisteminin tasarımı ve analizi
Designing and analysis of a natural refrigerant heat pump system
MUSTAFA GÜLMEZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
EnerjiGazi ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA AKTAŞ