Effect of nanomaterial on the performance of heat exchanger with insert rings and tapes
Nanomalzemenı̇n geçme halkalı ve bantlı ısı değı̇ştı̇rı̇cı̇ performansına etkı̇sı̇
- Tez No: 947947
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDULRAZZAK AHMED SALEH AKROOT
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Karabük Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 172
Özet
Bu çalışmada, ısı eşanjörü performansının iyileştirilmesi, özellikle kompakt tasarım, enerji verimliliği ve düşük işletme maliyetleri gerektiren uygulamalar için termal mühendislikte önemli bir odak noktası olmaya devam etmektedir. Bükülmüş şeritler ve sürekli halkalar gibi pasif optimizasyon teknikleri, türbülansı artırma, sınır katmanları bozma ve harici enerji olmadan konvektif ısı transferini artırma yetenekleri nedeniyle yaygın olarak araştırılmıştır. Bununla birlikte, önceki çalışmaların çoğu, entegre sürekli halkaları ve gelişmiş çalışma sıvılarını kapsamlı bir şekilde değerlendirmeden, bu teknikleri bağımsız olarak ve geleneksel geometriler kullanarak ele almıştır. Bu tez, hem su hem de Al₂O₃-Cu/su hibrit nanoakışkan kullanarak yeni iç sürekli halkalar ve bükülmüş şerit konfigürasyonlarına sahip gelişmiş bir borulu ısı eşanjörünün termo-hidrolik performansını araştırmaktadır. Çalışma üç aşamaya ayrılmıştır. İlk aşamada, türbülanslı akış koşulları altında (Re = 4000-14000) çalışma sıvısı olarak su kullanılarak ayrıntılı bir sayısal simülasyon gerçekleştirilmiştir. Oval delikler, radyal açıklıklar ve iç kanatçıklar içeren özel olarak tasarlanmış halka contalar bağımsız olarak değerlendirilmiştir. Halka contalar dört çap oranında (d/D = 0.55, 0.65, 0.75 ve 0.85) ve dört hatve oranında (P/D = 4.5, 5.5, 6.5 ve 7.5) test edilmiştir. Sonuçlar ısı transferinde önemli bir iyileşme olduğunu göstermiştir. En yüksek Nusselt sayısı, d/D = 0,75 ve P/D = 7,5'lik bir halka conta konfigürasyonu ile çalışma sıvısı olarak su kullanılarak 14.000 Reynolds sayısında elde edilmiştir. Bu koşullar altında, 0.172 sürtünme katsayısı ile 214.5 Nusselt sayısı kaydedilmiştir. Bu kombinasyon 1,15'lik maksimum termal performans faktörüne (TPF) ulaşmıştır. Optimum termal performans, çalışma sıvısı olarak su kullanılarak 4000 Reynolds sayısında, d/D = 0.65 ve P/D = 5.5 halka şeklindeki salmastra konfigürasyonuyla elde edilmiştir. Bu koşullar altında, Nusselt sayısı 184.54 ve sürtünme katsayısı 0.191 olarak kaydedilmiştir. Bu formülasyon 2,88'lik maksimum termal performans faktörüne (TPF) ulaşarak gelişmiş ısı transferi ve kabul edilebilir basınç düşüşü arasında mükemmel bir denge olduğunu göstermiştir. İkinci aşamada, hidroliz ile belirlenen optimum geometri, 5,5, 10,5 ve 15,5 büküm oranlarında bükülmüş bir bant eklenerek incelenmiştir. Nusselt sayıları ve termal performans katsayısındaki en önemli iyileşme 5.5'lik büküm oranında elde edilmiştir. Çalışmanın bu bölümünün üçüncü aşamasında, test akışkanının su yerine %0,1, %1 ve %2 hacim konsantrasyonlarında su içinde dağılmış Al₂O₃-Cu'dan (1:1) oluşan hibrit bir nanoakışkanla değiştirilmesi incelenmiştir. Bükülmüş su ilavesi bükümlü bir oranda (5,5) bant ve nanopartiküller termal iletkenliği ve termal performansı arttırmıştır. 2'lik bir konsantrasyonda, aynı giriş konfigürasyonu için sadece su içeren bir taban çizgisine kıyasla ısı transferinde %42'lik ek bir artış gözlenmiş ve basınç düşüşünde sadece orta düzeyde bir artış olmuştur. Birleşik sonuçlara dayanarak, önerilen optimum tasarım bir halka giriş konfigürasyonu (d/D = 0,65, P/D = 5,5), bükülmüş bir şerit (TR = 5,5) ve %2 Al₂O₃-Cu/su hibrit nanoakışkandır. Bu sistem en iyi termo-hidrolik performansı elde ederek kompakt ve verimli ısı eşanjörleri gerektiren endüstriyel uygulamalar için uygun hale gelmiştir. Önerilen giriş tasarımları ve akışkan bileşimleri, yeni nesil termal sistemler için güvenilir ve uygun maliyetli bir strateji sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
In this study, Improving heat exchanger performance remains a key focus in thermal engineering, particularly for applications requiring compact design, energy efficiency, and low operating costs. Passive optimization techniques, such as twisted ribbons and continuous rings, have been widely explored due to their ability to enhance turbulence, disrupt boundary layers, and enhance convective heat transfer without external energy. However, most previous studies have addressed these techniques independently and using conventional geometries, without comprehensively evaluating integrated continuous rings and advanced working fluids. This thesis investigates the thermo-hydraulic performance of an improved tubular heat exchanger with novel internal continuous rings and twisted ribbon configurations, using both water and an Al₂O₃–Cu/water hybrid nanofluid. The study is divided into three phases. In the first phase, a detailed numerical simulation was performed using water as the working fluid under turbulent flow conditions (Re = 4000–14000). Specially designed ring gaskets featuring oval holes, radial openings, and internal fins were independently evaluated. Ring gaskets were tested at four diameter ratios (d/D = 0.55, 0.65, 0.75, and 0.85) and four pitch ratios (P/D = 4.5, 5.5, 6.5, and 7.5). The results demonstrated a significant improvement in heat transfer. The highest Nusselt number was achieved at a Reynolds number of 14,000 using water as the working fluid, with a ring gasket configuration of d/D = 0.75 and P/D = 7.5. Under these conditions, a Nusselt number of 214.5 was recorded, with a friction coefficient of 0.172. This combination achieved a maximum thermal performance factor (TPF) of 1.15. Optimum thermal performance was achieved at a Reynolds number of 4000 using water as the working fluid, with an annular packing configuration of d/D = 0.65 and P/D = 5.5. Under these conditions, the Nusselt number was recorded at 184.54, with a friction coefficient 0.191. This formulation achieved a maximum thermal performance factor (TPF) of 2.88, demonstrating an excellent balance between improved heat transfer and acceptable pressure drop. In the second phase, the optimal geometry determined by hydrolysis was examined by introducing a twisted tape at twist ratios of 5.5, 10.5, and 15.5. The most significant improvement in Nusselt numbers and thermal performance coefficient was achieved at a twist ratio of 5.5. In the third phase of this part of the study, the replacement of the test fluid from water to a hybrid nanofluid composed of Al₂O₃–Cu (1:1) dispersed in water at volume concentrations of 0.1%, 1%, and 2% was investigated. The addition of twisted tape at a twisted ratio (5.5) and nanoparticles enhanced thermal conductivity and thermal performance. At a 2% concentration, an additional 42% increase in heat transfer was observed compared to a water-only baseline for the same inlet configuration, with only a moderate increase in pressure drop. Based on the combined results, the recommended optimal design is a ring-inlet configuration (d/D = 0.65, P/D = 5.5), a twisted ribbon (TR = 5.5), and a 2% Al₂O₃–Cu/water hybrid nanofluid. This system achieved the best thermo-hydraulic performance, making it suitable for industrial applications requiring compact and efficient heat exchangers. The proposed inlet designs and fluid compositions provide a reliable and cost-effective strategy for next-generation thermal systems.
Benzer Tezler
- ZnO nanomalzemelerde oluşan kusurların optik, manyetik ve elektriksel özelliklerine etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of defects in ZnO nanomaterials on their optical, magnetic and electrical properties
YUSUF KANDİL
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiMarmara ÜniversitesiElektrik-Elektronik Eğitimi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ADİL GÜLER
DOÇ. DR. CİHAT BOYRAZ
- Çeşitli nano malzeme ile güçlendirilmiş odun esaslı levhaların karakteristik özelliklerinin belirlenmesi
Determination of characteristic properties of wood- based boards reinforced with various nano material
KADİR DOĞAN
Doktora
Türkçe
2024
Ağaç İşleriKastamonu ÜniversitesiOrman Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALPEREN KAYMAKCI
- Fabrication of nanostructured metal oxide materials and their use in energy and environmental applications
Nanoyapılı metal oksit malzemelerin üretimi ve enerji ve çevre uygulamalarında kullanımı
MEHMET DURMUŞ ÇALIŞIR
Doktora
İngilizce
2020
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ KILIÇ
- Metal Nanoparçacık Dekore Nanokompozitlerin Isı Aktarımı Etkilerinin İncelenmesi Ve Metanol Oksidasyonu Uygulamaları
Investigation Of Heat Transfer Effects Of Metal Nanoparticle Decorated Nanocomposites And Its Applications In Methanol Oxidation
BÜNYAMİN ŞAHİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
EnerjiBilecik Şeyh Edebali ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA OĞUZHAN ÇAĞLAYAN
- Karbon tabanlı yeni hibrit nano-yapıların modellenmesi ve analizi
Modeling and analysis of carbon based new hybrid nano-structures
ÜNAL DEĞİRMENCİ
Doktora
Türkçe
2019
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MESUT KIRCA