Geri Dön

Heat transfer enhancement in fin and tube heat exchangers by introducing perforations on the fins

Kanatlı borulu ısı değiştiricilerde kanatlara delikler açılarak ısı transferinin artırılması

PDF İndir

  1. Tez No: 886863
  2. Yazar: HARUN DENİZLİ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ONUR TUNÇER
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 71

Özet

Enerji, günlük yaşamımızda vazgeçilmez bir element olarak varlığımızın temelinde güçlü bir rol oynamaktadır. Her gün yaptığımız faaliyetlerin her yönünü etkiler ve modern dünyadaki en önemli kaynaklardan birisidir. Bu faaliyetlerden biri olan iklimlendirme sistemlerindeki elemanların enerji verimliliği gün geçtikçe önem kazanmaktadır. Buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminde kompresör, kondenser, evaporatör ve genleşme valfi olmak üzere dört temel bileşen bulunmaktadır. Bu bileşenlerden ikisi (kondenser ve evaporatör) ısı değiştiricisi olduğu için ısı değiştiricilerin verimi, sistem verimliliğini etkileyen en önemli parametrelerden biri olmaktadır. Isı değiştirici tasarımında yaşanan karmaşıklıklar, çeşitli akışkan özelliklerine uyum sağlama gerekliliği ile birleştiğinde, zaman zaman verimsiz düzenlemelere neden olabilir. Isı değiştiricilerin boyutlandırmasındaki hatalar ve ısı değiştircisinin tipi, performansı azaltabilir ve enerji tüketimini artırabilir. Sonuç olarak, ısı değiştiriciler, etkili ısı iletimi ve akışkan özelliklerinin korunması için çeşitli endüstrilerde hayati öneme sahiptir. İklimlendirme sistemlerinde yaygın olarak kullanılan bu cihazlar için, buhar sıkıştırmalı çevrimde enerji kullanımını verimli hale getirmek adına birçok çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalardan biri de ısı değiştiricilerin ısıl performanslarının iyileştirilmesidir. Literatürde ısı değiştiricinin boru tipi ve dizilimi, fin tipi ve hatvesi gibi birçok parametreyi değiştirerek belirli şartlar için parametrik çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmada ısı pompası olarak adlandırılan sistemlerin performansını geliştirmeye yönelik parametrik bir araştırma yapılmıştır. Isı pompaları, değişken iklim şartlarında ısı değiştiricilerin hem ısıtma hem de soğutma olarak çalışabildiği sistemlerdir. Bu sistemlerde ısı değiştiricilerin iki operasyon için de optimum düzeyde çalışabilir şekilde dizayn edilmeleri enerji verimliliği açısından çok önemlidir. Bu sistemlerdeki kritik noktalardan bir tanesi kullanılan fin tipidir. Sektörde bu tarz ürünlerde genelde herringbone wavy fin denilen bir fin tipi kullanılır. Bunun amacı düz fine göre ısı transfer yüzey alanını arttırmaktır. Bu ayrıca düz fine göre karlanma esnasında da avantaj sağlamaktadır. Fakat karlanma olmadığı durumlarda akış herringbone wavy finin kıvrımlı yüzeyleri ile temas edemez ve verimli bir ısı transferi gerçekleştirmez. Karlanma esnasında iyi performans gösteren bu finin karlanma olmadığı durum için de performansının arttırılması için literatürde fin üzerine delikler açılarak bu yüzeylerde türbülans meydana getirilmesi amaçlanmıştır. Bu türbülansların ısı transfer performansını iyileştirmesi beklenmiştir. Bu konu nümerik olarak incelenmiştir. Nümerik analiz kurulumu yapılırken finin tekrar eden en küçük parçası kontrol hacmi olarak alınmıştır. Bu analizin doğruluğunun saptanması için bir doğrulama analizi yapılmıştır. Burada literatürde kanatlı borulu ısı değiştirici deneyleri kullanılmış ve nümerik analizle karşılaştırılmıştır. Analizden önce sonucun mesh yapısından bağımsız olduğunu göstermek için farklı mesh sayılarında alınan sonuçlar karşılaştırılmış ve uygun olan bir mesh sayısı alınmıştır. Daha sonra nümerik analiz yapılıp deney sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonuçlarına göre ±%15 hata içerisinde olduğu için nümerik analiz sonuçlarının deney sonuçları ile tutarlı olduğu sonucuna varılmıştır. Daha sonra ısı pompalarında genellikle kullanılan bir ısı değiştirici geometrisi olan 32/28 geometirisi baz alınmıştır. Bu geometride ilk olarak deliksiz bir analiz yapılmış ve daha sonra parametrik olarak deliklerin bazı özellikleri değiştirilmiştir. Burada analizler 600,1200 ve 1800 olacak şekilde üç farklı Reynolds sayısı için gerçekleştirilecektir ve performans ölçütü olarak colburn faktör ve sürtünme faktörü dikkate alınacaktır. Bu faktörlerin birbirine oranı olarak adlandırılan alan verimlilik faktörü (AGF) tanımlanmış ve bu parametreye göre deliklerin performansı birbirleriyle karşılaştırılmıştır. İlk olarak deliklerin şekli, en boy oranı, dizilimi ve alanı sabit tutularak yüzey ve lokasyonuna karar verilmiştir. Herringbone wavy finlerin pozitif ve negatif eğimli olan yüzeyleri bulunmaktadır. Bu iki yüzeydede üst, orta ve altta olacak şekilde toplam 6 farklı durum için parametrik analiz yapılmıştır. Bu analizlerin sonuçları karşılaştırıldığında her bir yüzeyde merkezdeki deliğin AGF parametresi en yüksek çıkmaktadır. Pozitif ve negatif eğimli yüzeylerin merkezlerindeki deliklerin performansları karşılaştırıldığında ise, düşük Reynolds sayılarında negatif eğimli yüzeydeki deliğin AGF parametresi yüksek çıkarken, yüksek Reynolds sayılarında pozitif eğimli yüzeydeki deliğin AGF parametresi daha yüksek çıkmaktadır. Genelde ısı pompası tasarımları yüksek Reynolds sayılarında tasarlandığı için burada pozitif eğimli yüzeyin baz alınmasına karar verilmiştir. Deliklerin yüzey ve lokasyonu belirlendikten sonra deliklerin dizilimi üzerinde değişiklik yapılmıştır. Delikler sırayla ve şaşırtmalı şekilde dizilimi yapılmış ve bu dizilimlerdeki AGF parametresinin değişimi incelenmiştir. Sonuçlar incelendiğinde şaşırtmalı ve sırayla dizilimler arasında sürtünme ve colburn faktörler değişse de AGF parametresi sabit kalmaktadır. Dolayısıyla performans olarak yüksek Reynolds sayılarında daha iyi performans verdiği için ve üretim kolaylığı göz önüne alınarak sıralı dizilimin kullanılmasına karar verilmiştir. Delik dizilimine karar verildikten sonra deliklerin şeklinin performansa etkisi incelenmiştir. Şekil olarak kare, daire, üçgen, en boy oranı 2 ve 3 olan iki dikdörtgen seçilmiştir. Bu şekillerin ağırlık merkezleri merkezde ve delik alanları eşit olacak şekilde analiz edilmiştir. Farklı deliklerin farklı sürtünme ve colburn faktörleri çıksa da AGF parametreleri farklı Reynolds sayıları için aynı çıkmaktadır. Dolayısıyla delik şeklinin perfomansa bir etkisi olmadığı ortaya çıkmıştır. Burada bir sonraki çalışmada alanlar incelenirken parametrik olarak rahat incelenebilmesi için dikdörtgen şekli ile analize devam edilmiştir. Son olarak delik alanının değişimi ile performansın nasıl değiştiği incelenmiştir. Bu incelenirken AGF parametresinin değiştirilmesi gerekmektedir. Burada ısı transfer yüzey alanı delik alanı büyüdükçe küçüleceği için sürtünme faktörü düşecek, ısı transfer katsayısı sürekli yükseleceği tahmin edilmiştir. Bu da AGF parametresinin delik büyüklüğü arttıkça sürekli artması gibi bir sonuca götürmüştür. Burada performans belirlenen hacim için alınan kapasite ile ölçülmüştür. Burada AGF parametresi beklenildiği gibi delik alanı arttıkça artmaktadır fakat alınan kapasite değerlerine bakıldığında farklı durumlar ortaya çıkmaktadır. Reynolds sayısının 600 olduğu durumda %20 delik alanı olduğu durum en iyi olurken Reynolds 1200 ve 1800 de yaklaşık %15 delik alanı olduğu durum optimum durum olarak görülmektedir. Isı pompalarının tasarımları genelde Reynolds 1500-1800 civarı olduğu için delik alanının %15 olarak alınmasına karar verilmiştir. Delik alanları optimize edildikten sonra baştaki duruma göre performans iyileşmesinin incelenmesi adına aynı hacimde alınan kapasite değerlerine bakılmaktadır. Bu kapasite değerleri karşılaştırıldığında üç farklı Reynolds sayısı için yaklaşık %10' luk bir kapasite iyileşmesi olduğu görülmektedir. Basınç kaybı değerlerine bakıldığında ise maksimum %2 lik bir basınç kaybı artışı görülmektedir. Basınç kaybına görece kapasite artışı yüksek olduğu için bu tasarım kullanılabilir sonucuna varılmıştır. Akış profilleri incelendiğinde ürün üzerinde delik açıldığında wavy finin tepe noktasındaki bölgelerden de akışın geçtiğini dolayısıyla verimin bu yüzden arttığı görülmüştür.

Özet (Çeviri)

This study focuses on a parametric investigation aimed at improving the performance of heat pump systems. Heat pumps are systems capable of both heating and cooling processes under variable climatic conditions, and the optimal design of heat exchangers is crucial for energy efficiency. The type of fin used in these systems plays a critical role, with herringbone wavy fins being commonly employed in the industry due to their ability to increase the heat transfer surface area compared to flat fins. However, it is observed that herringbone wavy fins are not effective in heat transfer when frosting does not occur. To address this issue, the creation of turbulence by perforating fins has been proposed. Numerical analyses were conducted to examine the effect of these perforations. Initially, a verification analysis comparing the numerical model with experimental data was performed to ensure the accuracy of the model. Subsequently, parametric analyses were carried out for different Reynolds numbers (600, 1200, and 1800) to evaluate performance. After determining the position and arrangement of the perforations, the influence of perforation shapes on performance was investigated. Although there were variations in friction and Colburn factors among different perforation shapes, the performance parameter remained consistent for each Reynolds number. Finally, the impact of varying perforation areas on performance was investigated. As the perforation area increased, the available surface area for heat transfer decreased, leading to a decrease in friction factor and an increase in heat transfer coefficient. Consequently, the performance parameter continuously increased as the perforation area increased. However, when considering the heat exchanger's capacity as a performance criterion, it was found that the perforation area should be approximately 15% of the total surface area to achieve maximum capacity. Therefore, the optimal perforation area for achieving maximum capacity was determined to be approximately 15% of the total surface area. (about 3 m/s).

Benzer Tezler

  1. Tez No

    332912

    Yoğuşturucularda iki fazlı akış mekanizmalarının ve ısı geçişinin farklı eğim açılarında teorik ve deneysel analizi

    Theoretical and experimental investigation of two-phase flow mechanism and heat transfer in condensers under different inclination angle

    GÖKHAN ARSLAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. NURDİL ESKİN

  2. Tez No

    514961

    Nanoakışkanlı çift borulu ısı değiştiricilerin optimizasyonu

    Optimization of the double pipe heat exchangers having nanofluid

    GÜVEN ÖZÇELİK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Makine MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET SELİM DALKILIÇ

    DR. ÖĞR. ÜYESİ DENİZ YILMAZ

  3. Tez No

    766907

    Investigation on effect of pitch ratio for finned tube in cross-flow heat exchanger on fluid flow and heat transfer

    Çapraz akışlı ısı eşanjöründe kullanılan kanatlı boru için kanat açıklık oranının akış ve ısı transferine etkisinin incelenmesi

    MOHAMMED KHALID JAR AL-ISAWI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Makine MühendisliğiKarabük Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KAMİL ARSLAN

  4. Tez No

    322588

    Optimize edilmiş altıgen kanatçıklı ısı alıcılarda çarpan jet ile ısı transferinde ısı ve akım karakteristiklerinin araştırılması

    Investigation of heat and flow characteristic with impingement jet for optimized hexagonal finned heat sinks

    NURULLAH YILDIZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Makine MühendisliğiAtatürk Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KENAN YAKUT

  5. Tez No

    853610

    Isı değiştiricide üçgen profilli kanatların kullanılmasının ısı transferi ve basınç düşümüne etkilerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği ve deneysel yöntemlerle incelenmesi

    Numerical and experimental analysis of heat transfer performance and pressure drop affect of using triangular fins on the heat exchanger

    HAMDİ SELÇUK ÇELİK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine MühendisliğiEskişehir Osmangazi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LATİFE BERRİN ERBAY

    DOÇ. DR. BAHADIR DOĞAN

Geri Dön