Geometrical optimization of dimpled double-pipe heat exchangers for nanofluid-based natural circulation loops operating at lower temperatures
Düşük sıcaklıklarda çalışan nanoakışkan bazlı doğal taşınım döngüleri için gamzeli çift borulu ısı değiştiricilerin geometrik optimizasyonu
- Tez No: 815202
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ZİYA HAKTAN KARADENİZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Makine Mühendisliği, Energy, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İzmir Katip Çelebi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 155
Özet
Küresel enerji kaynaklarının aşırı kullanımı, olumsuz çevresel etkilere ve mevcut enerji kaynaklarının azalmasına neden olmaktadır. Bu nedenle enerji verimliliği mühendislik çalışmalarının ana konusudur. Ev tipi soğutma, binalardaki enerji tüketim oranının büyük bir kısmını oluşturduğundan, buhar sıkıştırmalı soğutma sistemlerinin enerji verimliliğini artırmak için yenilikçi teknikler geliştirilmiştir. Emiş hattı ısı eşanjörleri bu tekniklerden biri olarak kabul edilmektedir ve kompresör girişinde soğutucu akışkanın aşırı ısınması ile birlikte entalpi farkının arttırılmasının yanı sıra kompresörde sıvı bulunmasını önlemek ve emiş hattında terlemeyi önlemek için kullanılmaktadırlar. Burada, soğutucu ve ısıtıcı uçlarında çift borulu ısı eşanjörlerine (ÇBIE) sahip bir tek fazlı mini doğal taşınım döngüsü (TFmDTD), ısı değişim sürecini kontrol etmek için daha fazla dikkat gerektiren emiş hattı ısı eşanjörlerine alternatif olarak önerilmektedir. ÇBIE'lerin geleneksel soğutma çevriminin düşük ve yüksek basınç hattına yerleştirilmesi ve bunların SPNCmL'nin düşey ayakları ile bağlanması bir ısı köprüsü oluşturmakta ve esnek bir tasarımla ısı transferinin hassas kontrolünü sağlamaktadır. Doğal taşınım döngüsü destekli bir derin dondurucunun performansının değerlendirildiği endüstriyel bir projenin devamı niteliğindeki bu çalışma, çukurlu ÇBIE'ler kullanan nanoakışkan bazlı TFmDTD'nin soğutma çevrimi performansı üzerindeki etkisini araştırmayı amaçlamaktadır. Pasif ısı transferi iyileştirme teknikleri ve nanoakışkanların ÇBIE'lerin performans iyileştirmesi üzerindeki enerji verimli etkileri dikkate alınarak, bunların kombinasyonunun araştırılması amaçlanmıştır. Bu kapsamda, ÇBIE'li TFmDTD'lerin performansını farklı geometrik parametreler (merkezden kaçıklık, gamze hatvesi uzunluğu ve gamze derinliği) için araştırmak için 3B kararlı sayısal model kullanılmış ve TFmDTD destekli soğutma çevriminin termodinamik analizi Engineering Equation Solver (EES) kullanılarak yapılmıştır. TFmDTD'nin soğutma sisteminde kullanılması, ısıtıcı ucunun kondenserden sonra yer alması durumunda, kompresör gücünde %45 azalmayla birlikte %98'e kadar COP artışı (“C-out”, 70°C kompresör çıkış sıcaklığı, 1200 rpm kompresör hızı ve 45/450 kPa düşük- ve yüksek basınç değerleri) sağlamıştır. Ancak, bu koşullarda ısıtıcı ucunun kondenserden önce yerleştirilmesi (“C-in”) COP'de yalnızca %58'lik bir artış sağlamıştır. Ayrıca en yüksek aktarılabilir ısı miktarı hem“C-out”hem de“C-in”için 38 W olarak bulunmuştur (70°C kompresör çıkış sıcaklığı, 4500 rpm kompresör hızı ve 60/600 kPa düşük- ve yüksek basınç değerleri). Bu noktada COP iyileştirmesi“C-in”ve“C-out”için sırasıyla %47 ve %80 olarak bulunmuştur. Sistemin esas geometri tasarımının ön analizinden sonra (boru çapı 5,15 mm ve AR 0,8), emiş hattında bulunan soğutucu ucu için nanoakışkanların, gamzeli yüzey teknolojisinin ve merkezden kaçıklığın etkileri ayrı ayrı incelenmiştir. Ardından, gamze derinliğinin ve gamze hatvesi uzunluğunun yanı sıra merkezden kaçıklığın TFmDTD performansı üzerindeki etkileri her bir çalışma akışkanı için değerlendirilmiştir. Bu çalışmanın sonuçları, ÇBIE'nin iç borusunda gamzeli yüzey teknolojisi kullanımının Nusselt sayısını ve TFmDTD'nin etkinliğini azalttığını göstermektedir. Ayrıca hatve uzunluğu azaldıkça yani gamze sayısı arttıkça Performans Değerlendirme Kriterleri (PEC) düşmektedir. Bununla birlikte, daha düşük viskozite değerlerine sahip nanoakışkanların kullanılması, daha yüksek Nusselt sayılarına ve PEC değerlerine, ancak daha düşük etkinliğe sahiptir. Merkezden kaçıklıktaki azalma, basınç düşümü ile birlikte PEC değerlerini de düşürmektedir. Gamzelerin derinliğinin basınç düşümü üzerinde önemli bir etkisi yoktur ancak PEC değerlerini biraz düşürmektedir. Sonuç olarak, gamzeli yüzey teknolojisi ile birleştirmek yerine tek başına daha düşük viskozite değerlerine sahip nanoakışkanların kullanılması, TFmDTD'lerin ısı transfer performansını ve dolayısıyla soğutma sistemlerinde daha yüksek COP değerleri ile sonuçlanan ısı transfer kabiliyetini iyileştirmiştir.
Özet (Çeviri)
Excessive use of global energy sources causes negative environmental impacts and a reduction in the available energy resources. Therefore, energy efficiency is the main scope of engineering studies. Since household refrigeration accounts for a large portion of the energy consumption rate in buildings, several innovative techniques have been developed to improve the energy efficiency of vapor compression refrigeration systems. Suction line heat exchangers are considered one of these techniques and they are used to avoid the presence of liquid at the compressor and to prevent sweating on the suction line, as well as increasing enthalpy difference together with superheating the refrigerant at the compressor inlet. Here, a single-phase natural circulation mini loop (SPNCmL) with double pipe heat exchangers (DPHX) at cooling and heating-ends, has been proposed as an alternative to suction line heat exchangers which requires more attention to control the heat exchange process. Locating DPHXs at the low-pressure side and high-pressure sides of a conventional refrigeration cycle forms a thermal bridge with connecting these by vertical legs of the SPNCmL and provides precise control of the heat transfer with a flexible design. As a continuation work of an industrial project, in which the performance of a natural circulation loop-assisted deep freezer was evaluated, this study aims to investigate the effect of nanofluid-based SPNCmL using dimpled DPHXs on the performance of the refrigeration cycle. Considering the energy-efficient effects of passive heat transfer improvement techniques and nanofluids on the performance improvement of DPHXs, their combination is aimed to be investigated here. Within this scope, a 3D steady numerical model is used to investigate the performance of SPNCmLs with DPHXs for different geometrical parameters (eccentricity, dimple pitch length, and dimple depth), and thermodynamic analysis of the SPNCmL-assisted refrigeration cycle is conducted by using Engineering Equation Solver (EES). Utilization of SPNCmL in the refrigeration system results in COP enhancement up to 98% with a reduction of compressor power by 45% if the heating-end is located after condenser (“C-out”, compressor discharge temperature of 70°C, compressor speed of 1200 rpm and low- and high-pressures of 45/450 kPa). However, locating the heating-end before the condenser (“C-in”) at these conditions provides only a 58% enhancement in COP. Moreover, the amount of the maximum transferrable heat is found as 38 W for both“C-out”and“C-in”for the case for both cases of“C-in”and“C-out”at compressor discharge temperature of 70°C, compressor speed of 4500 rpm and low- and high-pressures of 60/600 kPa. At this point, COP improvement is found as 47% and 80% for“C-in”and“C-out”, respectively. After the preliminary analysis of the system's main geometry design (pipe diameter of 5.15 mm and AR of 0.8), effects of nanofluids, dimpled surface technology, and eccentricity were investigated individually for the cooling-end which is located at the suction line. Then, the effects of dimples' height and pitch length as well as eccentricity on the SPNCmL performance have been evaluated for each working fluid. Results of this study show that utilization of dimpled surface technology at the inner pipe of the DPHX decreases the Nusselt number and effectiveness of the SPNCmL. Moreover, as the pitch length decreases which means the number of dimples increases, the Performance Evaluation Criteria (PEC) decreases. However, using nanofluids with lower viscosity values has higher Nusselt numbers and PEC values, but smaller effectiveness. A reduction in eccentricity also decreases the PEC values with pressure drops. The dimples' height has no significant effect on the pressure drop in SPNCmL but decreases the PEC values slightly. To conclude, utilization of only nanofluids with lower viscosity values instead of combining them with dimpled surface technology improved the SPNCmLs heat transfer performance, and thus their heat transfer capability in refrigeration systems resulting in higher COP values.
Benzer Tezler
- Plato honlanmış silindirlerin tribolojik özelliklerinin deneysel incelenmesi
Experimental investigation of plateau honed cylinder bore tribological characteristics
DORUKHAN GÜNGÖR
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGEN AKALIN
- Numerical and experimental analysis for comparison of square, cylindrical and plate fin arrays in external flow
Dış akıştaki kare, silindir ve plaka kanatçık dizilerinin sayısal ve deneysel karşılaştırılması
AYKUT BARIŞ İNCİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZGÜR BAYER
- Geometrical optimization of the broaching tools by leveling of the cutting forces
Kesme kuvvetlerinin seviyesini ayarlayarak broş takımlarının geometrik optimizasyonu
ARASH EBRAHIMI ARAGHIZAD
- 6 serbestlik dereceli asimetrik paralel robotların çalışma uzayı eniyilemesi ve benzetim yazılımının gerçekleştirilmesi
Workspace optimization and a simulation software development for 6-dof asymmetrical parallel robots
METİN TOZ
Doktora
Türkçe
2013
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolKocaeli ÜniversitesiElektronik-Bilgisayar Eğitimi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERDAR KÜÇÜK
- Investigation of thermodynamic properties of favipiravir and ribavirin molecular structures used in the treatment of Covid-19 and their interaction with dna bases by DFT
Covıd-19 tedavisinde kullanılan favipiravir ve ribavirin moleküler yapılarının termodinamik özelliklerinin ve dna bazları ile etkileşiminin DFT ile araştırılması
MUSTAFA FAWZI DAWOOD AL-OBAIDI
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Fizik ve Fizik MühendisliğiÇankırı Karatekin ÜniversitesiFen Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÇİĞDEM YÜKSEKTEPE ATAOL