Geri Dön

Experimental investigation of heat transfer and pressure drop in a double tube heat exchanger with metal foam

Metal köpük içeren bir çift borulu ısı değiştiricisinde ısı geçişi ve basınç düşüşünün deneysel incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 842534
  2. Yazar: ATAKAN COŞKUN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ERSİN SAYAR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 77

Özet

Her geçen gün artan daha hızlı ve daha verimli enerji ihtiyacı dünyada bulunan neredeyse bütün sektörlerde hissedilmektedir. Özellikle ısıtma ve soğutma uygulamalarındaki verimlilik ve sürat için her an dünyanın birçok yerinde araştırmalar ve çalışmalar yapılmaktadır. Bu alanlardaki çoğu işlem ve süreç artık daha fazla ve daha hızlı ısı geçişi ve daha kompakt ısı değiştiricileri gerektirmektedir. Isı tekniği konusundaki bu gelişmeler ısı geçişi artırımının önemini fazlasıyla göstermektedir. Isı değiştiriclerinde bahsedilen niteliklere ulaşmanın yollarından biri akış kanalına gözenekli ortam yerleştirmektir. Bu olayın ısı geçişi ve akış üzerinde birçok etkisi vardır. Gözenekli ortamın varlığı akışın hidrodinamik özelliklerini değiştirerek de ısı geçişini etkiler. Akışta karıştırma etkisi oluşturur ve vorteksler ısı geçişini önemli ölçüde artırır. Fakat gözenekli ortamın ısı geçişini artırmasındaki en büyük pay şüphesiz boş kanala göre çok büyük miktarlarda artan yüzey-hacim oranına aittir. Kanaldaki akışkanın temas ettiği yüzey alanı oldukça büyüdüğü için ısı geçişi de artacaktır. Ayrıca, gözenekli ortam kullanımı ısı geçişini arttırırken aynı miktarda ısı geçişinin gerçekleşeceği boş kanala göre ısı değiştiricinin çok daha az yer kaplamasını sağlar ve bu da ısı geçişinin çok daha kompakt olması anlamına gelir. Bununla birlikte, bu iyileştirmeler gözenekli ortamlı kanalın boş kanala göre akışta çok daha fazla basınç düşüşüne neden olması gibi bir sakıncayı da beraberinde getirir. Bunun anlamı, içinde gözenekli ortam bulunan bir kanal akışı için normalden çok daha fazla bir pompalama gücü gerekmektedir. İşte bu noktada ısı geçişi kazancının basınç düşüşü kaybıyla birlikte iyi analiz edilmesi gerekmektedir. Literatürde bu konuya ilişkin çalışmalar bulunmaktadır. Bu bağlamda ısı değiştiricilerinde gözenekli ortamın kullanılmasının temel etkilerinin anlaşılması ve buna göre kapsamlı bir şekilde değerlendirilmesi bu çalışmanın ana amacı olmuştur. Dolayısıyla, bu çalışmada, gözenekli bir borudaki tek yönlü hava akışının ısı transferi ve basınç düşüşü karakteristikleri deneysel olarak incelenmiştir. Ticari olarak temin edilen metal köpük çıkarılabilir boruların iç yüzeyine lehimlidir. Böylece borunun içinde gözenekli ortam elde edilmiş olur. Deneyler, farklı kütlesel debilerde ve termostatik bir su banyosu tarafından sağlanan sabit duvar sıcaklığı koşulunda, alüminyum köpüklü farklı borular ve boş bir boru üzerinde gerçekleştirilmiştir. Metal köpüğün akış ve ısı transfer özelliklerine etkisinin gözlemlenmesi ve bunların değerlendirilmesi amaçlanmaktadır. Deney düzeneği bir emiş fanı, güç varyağı, uzun bir dairesel kanal, bir sabit sıcaklık su banyosu, test bölgesi, hava hızı ölçümleri için bir sıcak tel anemometresi, test bölgesindeki basınç düşüşünü ölçmek için bir basınç transdüseri, test bölgesi yüzey ve giriş-çıkış sıcaklık ölçümleri için bir termoeleman seti, elde edilen ölçümlerin toplandığı bir veri toplayıcı ve gelen verilerin kaydedildiği bir bilgisayardan oluşmaktadır. Deney düzeneğinin test bölümü, iç boru değiştirilerek üç farklı durumun incelendiği bir alüminyum çift borulu ısı değiştiricidir. Test bölümünün iç borusunun iç çapı, 50 mm olan kanalın çapına eşittir. Ana çalışma akışkanı olan hava emiş fanı tarafından emilir. Fan gücü bir güç varyağı yardımıyla değiştirilerek farklı debilerde ölçümler alınması sağlanır. Ortam havası, düzeneğin başında bulunan bir lüle yardımıyla düzgünce sisteme girer ve kanal içinde üniform bir akış sağlayan akış düzenleyiciden geçer. Isı değiştiricisine bir sabit sıcaklık su banyosu iki adet plastik hortum ile bağlanır ve sıcak su dahili bir pompa yardımıyla sirküle edilir. Sıcak suyun giriş sıcaklığı ve debisi termostatik su banyosu kullanılarak sabit tutulur. Isı değiştiricisinde hava gözenekli iç borudan akar ve sıcak su iç ve dış borular arasındaki halkasal kesitte akar, böylece sıcak su gözenekli borudan geçerken havayı ısıtır. Test bölgesinden çıkan hava fandan geçerek dışarıya atılır. Test bölgesi ısı yalıtım malzemesi olan cam yünü ile kaplanmıştır. Test bölümünde ısı geçişini incelemek için toplamda 16 adet termoeleman ile sıcaklık ölçümleri yapılmıştır. Bunlardan altısı iç borunun yüzeyinde ve altı tanesi dış borunun yüzeyindedir. Bu termoelemanlar, ısı değiştiricisindeki sıcaklık dağılımını izlemeye yarar. Kalan dördünden ikisi hava giriş ve çıkışında, diğer ikisi ise su giriş ve çıkışında bulunur. Her iki akışkan için de bu termoelemanlar, test bölümüne mümkün olan en yakın giriş ve çıkışlara yerleştirilmekte ve akışkanlara aktarılan ısının hesaplanmasında kullanılmaktadır. Test bölümündeki basınç düşüşü bir diferansiyel basınç transdüseriyle ölçülür. Cihaz test bölümünün giriş ve çıkışındaki tapalara özel hortumları ile bağlıdır. Tüm sıcaklık ve basınç ölçümleri veri toplama cihazı aracılığıyla anlık olarak bilgisayara kaydedilir. Havanın hızı sıcak telli bir anemometre ile ölçülür. Anemometre, hava akışına dik olarak yerleştirilmiş bir sondaya sahiptir. Akış daimi rejime girdiğinde, belirli bir süre boyunca ölçümler alınır ve kaydedilir. Daimi hava akışının hız değeri, bu zaman aralığında ölçülen değerlerin ortalaması alınarak bulunur. Diğer ölçümlerden farklı olarak anemometre veri toplama cihazına bağlı olmadığı için hız ölçümleri bilgisayara kaydedilmez. Sıcak suyun debi ölçümü için doğrudan tartım yöntemi kullanılır. Bir tankta bir miktar su toplamak için gereken süre bir kronometre ile ölçülür ve ardından toplanan sıvının ağırlığı hassas bir teraziyle ölçülür. Suyun debisi, ölçülen su kütlesinin ölçülen zamana bölümüyle elde edilir. Deneylerde, incelenen durumlara göre ısı değiştiricisinin iç borusu değiştirilmektedir. Deneyler üç durumla gerçekleştirilir. Birinci durum metal köpüğü olmayan boş boru, ikinci ve üçüncü durum sırasıyla 20 ve 40 PPI gözenek yoğunluğuna sahip gözenekli borulardır. Borular değiştirilebilmeleri için yerlerinden sökülebilirler. Boruların iç çapları 50 mm, dış çapları 63.5 mm ve uzunlukları 323 mm'dir. 20 ve 40 PPI gözenek yoğunluğuna sahip boruların gözeneklilikleri sırasıyla %87.6 ve %88.5'tur. Çalışmada toplam 30 deney yapılmıştır. Bunlardan 14'ü boş boru için, 8'i ikinci boru ve kalan 8'i de üçüncü boru için yapılmıştır. Deneylerin ana ölçülen değişkeni, Reynolds sayısı olarak hesaplamalarda boyutsuzlaştırılan hava akış hızıdır. Deneylerdeki Reynolds sayıları yaklaşık olarak 4000 ile 17000 aralığında değişmektedir. Hava akışının deney düzeneğine giriş sıcaklığı ortam sıcaklığına eşittir. Sıcak suyun test bölgesine giriş sıcaklığı sabittir ve 60 °C'dir. Ayrıca sıcak suyun kütlesel debisi de sabit ve 0.036 kg/s'dir. Belirtilen tüm deneyler daimi koşullar altında yapılmıştır. Elde edilen ölçümler kullanılarak ilgili parametreler hesaplanmış ve amaçlanan karakteristikler incelenmiştir. Boş boruyla yapılan deneyler, deney düzeneğini doğrulamak için kullanılmıştır. Yapılan ölçümlerle ısı taşınım katsayısı ve Nusselt sayısı hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar literatürdeki ilgili Nussel korelasyonlarıyla oldukça iyi bir eşleşme göstermektedir. Maksimum sapma yaklaşık %14, ortalama sapma ise %5 civarındadır. Tüm durumların karşılaştırılmasında ise açıkça görülmüştür ki metal köpük kullanımı ısı geçişini çarpıcı biçimde artırmıştır. Nusselt sayısında maksimum 40 kat artış gözlemlenmiştir. Ayrıca beklendiği gibi basınç düşüşünü ifade eden sürtünme katsayısını da artırmıştır. Öyle ki boş boruya göre, 20 PPI gözenek yoğunluklu boruda ortalama 1600 kat, 40 PPI'lık boş boruya göre ise 2000 kat fazla sürtünme katsayısı hesaplanmıştır. Isı geçişindeki artışa karşılık basınç düşüşündeki artış daha kapsamlı bir değerlendirmeyi gerektirdiği için, burada PEC (Performance Evaluation Criterion) katsayısı tanımlanmış ve gözenekli borular için hesaplanmıştır. Yapılan analiz sonucu 20 PPI gözenek yoğunluğuna sahip ikinci borunun uygulamalar için en uygun boru olduğu sonucuna varılmıştır.

Özet (Çeviri)

In most heating and cooling applications, nowadays many processes require more rapid heat transfer and compact heat exchangers. These elements of rapidity and compactness have become crucial. One of the ways to achieve these features in channel flow is to place porous medium in the duct where heat transfer occurs. While the use of porous medium increases the heat transfer, it also enables the heat exchanger to occupy much less space than the empty channel where the same amount of heat transfer would take place. However, these improvements come with a drawback such that porous media causes much more pressure drop in the channel than of empty one. Understanding and evaluating the main effects of using porous medium in heat exchangers has been the major motive of this study. In the present study, heat transfer and pressure drop characteristics of unidirectional air flow in porous tubes are investigated experimentally. Commercially provided aluminium foams are used to obtain the porous medium in detachable tubes where metal foam was brazed to the inside surface. The test section of the experimental setup is a concentric tube heat exchanger where the porous aluminium tube is set as the inner tube. In the heat exchanger, air flows at the porous inner tube and hot water flows inside the annulus between the inner and outer tubes so that the hot water heats the air as it flows through the porous tube. The heat transfer characteristic of the process is examined by measuring the inlet and outlet temperatures of the air flow and hot water flow with thermocouples. The pressure drop of air flow between the inlet and outlet of the test section is also measured with a pressure transducer. Air flow is driven with a vacuum fan and its velocity is measured with a hot wire anemometer. Fan power is varied such that Reynolds number is in a range of approximately 4000-17000 which corresponds to transition region and turbulent flow. The experiments are performed on two tubes with metal foam having 20 and 40 PPI (Pores Per Inch) of pore density and one tube without metal foam. These three cases are compared with each other and evaluated in terms of heat transfer, pressure drop and overall heat exchanger performance by calculating the friction factor and Nusselt number values with the obtained data. Empty tube case is also compared with the correlations in the literature. It is seen that experimental results are in a good agreement with the correlations. Both heat transfer and pressure drop greatly increase when metal foam is present in the tube. Increasing the Reynolds number results in higher heat transfer as well as higher pressure drop. The PEC (Performance Evaluation Criterion) number is calculated for the porous tubes and it is concluded that the porous tube with 20 PPI of pore density gives the optimal results.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    306808

    İçerisine bükülmüş şeritler yerleştirilmiş bir boruda ısı geçişi ve basınç düşümünün deneysel olarak incelenmesi

    The experimental investigation of heat transfer and pressure drop in a tube with twisted tape inserts

    HALİT BAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Makine MühendisliğiErciyes Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. VEYSEL ÖZCEYHAN

  2. Tez No

    302508

    Ara soğutucu amaçlı kullanılan ısı değiştiricilerin karakteristiklerinin teorik ve deneysel incelenmesi

    Theoretical and experimental investigation of heat exchanger characteristics used for intercooler purposes

    EYÜB CANLI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Makine MühendisliğiSelçuk Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUAMMER ÖZGÖREN

    YRD. DOÇ. DR. SELÇUK DARICI

  3. Tez No

    482513

    Parametric study of heat transfer and pressure drop characteristics in a tube using different types of inserts

    Farklı türde uçlar kullanan bir tüpte ısı aktarımı ve basınç düşmesi özelliklerinin parametrik incelemesi

    LUAY BADR HAMAD AL-DOORI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Makine MühendisliğiTürk Hava Kurumu Üniversitesi

    Makine ve Uçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. HABIB GHANBARPOURASL

  4. Tez No

    609178

    Gözenekli ortamda darbeli hava akışı durumunda ısı geçişinin deneysel incelenmesi

    Experimental investigation of heat transfer in pulsating air flow with a porous medium

    ALİ MURAT BİNARK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA ÖZDEMİR

  5. Tez No

    815766

    Experimental investigation of heat transfer and friction factor characteristics of surfactant solutions

    Sürfaktan çözeltilerinin ısı transferi ve sürtünme faktörü karakteristiklerinin deneysel incelenmesi

    BON AVENTURE ARMAND RAMAMONJISOA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Kimya MühendisliğiBursa Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OSMAN NURİ ŞARA

Geri Dön