Kanatlı-borulu ısı değiştiricilerde ısı transfer performansına etki eden parametreler: Deneysel ve had yaklaşımı
Parameters affecting heat transfer performance in fin-and-tube heat exchangers: an experimental and CFD approach
- Tez No: 961596
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ZAFER GEMİCİ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Sayısal akışkanlar dinamiği, Computational fluids dynamic
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Isı Proses Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu çalışmada, ev tipi buzdolaplarının taze gıda kabininde kullanılan kanatlı-borulu ısı değiştiricilerin farklı su sıcaklığı, su debisi ve hava debisi değerlerinde ısı transferi performansı deneysel olarak araştırılmıştır. Deneysel çalışmaların yapılmasındaki amaç, kanatlı-borulu ısı değiştiricilerin geometrik tasarım parametrelerinin; kapasite, ısı transfer katsayısı, basınç düşüşü üzerindeki etkilerinin inceleneceği HAD analizi için doğrulama veri setinin oluşturulmasıdır. Deneysel altyapı; rüzgâr tüneli ile hava debisi kontrol edilen bir akış kanalı, bu akış kanalı içerisine yerleştirilmiş bir ısı değiştirici, su banyosu, veri toplama sistemi, diyafram pompa, rotametre, termokupllar, manometre ve iklimlendirme sistemi bileşenlerinden oluşmaktadır. Kullanılan akışkanlar, boru içerisinde sıcak su ve boru dışında ise havadır. Isı değiştiricisinin, sistem basınç düşüşü eğrisi 0-80 L/s debi aralığı için elde edilmiştir. Deney çalışmaları sonucunda oluşturulan veri seti, ANSYS Fluent programında oluşturulan analizler ile karşılaştırılarak deneysel ile HAD çalışmaları arasında basınç düşüşünde %12,2, ısı transferinde ise hava tarafı için %12 ve su tarafı için %17,8 hata ile analiz sonuçları elde edilmiştir. HAD analizleri sayesinde deneysel sistemde kullanılan ısı değiştiricisi için f sürtünme katsayısı ve Nusselt sayısı korelasyonları elde edilmiştir. Doğrulaması gerçekleştirilen analiz geometrisi üzerinden kanat sayısı, kanat kalınlığı, kanat tipi, boru çapı ve boru akış yönündeki aralığı geometrik parametrelerinin ısı transferi performansına ve basınç düşüşüne olan etkileri incelenmiştir. Yapılan analizler sonucunda; kanat kalınlığının artışının yarattığı ısı transferi avantajının basınç kaybına oranla daha düşük olduğunu ve bu nedenle genel ısı değiştirici performansında bir düşüşe neden olduğunu göstermiştir. Boru çapının 8,8 mm'den 10 mm'ye çıkartılması, 508>Re>1524 Reynolds sayısı aralığında genel ısı değiştirici performansını %7-7,64 oranında düşürmüştür. Borular arası dikey mesafenin artması sonucunda ısı transferi kötüleşmiş ve basınç kaybında kayda değer bir değişiklik olmamıştır. Bu durum, genel ısı değiştirici performansının düşüşüne neden olmuştur. Parçalı ve parçalı-şaşırtmalı geometrilerinin genel ısı değiştirici performansı, 450>Re>763 aralığında temel alınan geometriden sırasıyla %13,26-12,10 ve %18,43-15,99 daha iyidir. Dalgalı15° geometrisi, 450>Re>763 aralığında Eksiltilmiş2 geometrisine göre %0,94-2,38 daha iyi performans gösterirken, Dalgalı30° geometrisi ise aynı koşullarda Eksiltilmiş2'ye oranla %3,44-4,58 daha yüksek genel ısı değiştirici performansı sergilemektedir.
Özet (Çeviri)
This study experimentally investigates the heat transfer performance of finned tubular heat exchangers used in the fresh food compartment of household refrigerators under varying water temperatures, water flow rates, and air flow rates. The objective of the experimental work is to generate validation data for CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis by examining the effects of geometric design parameters—such as capacity, heat transfer coefficient, and pressure drop—on finned tubular heat exchangers. The experimental setup consists of a wind tunnel with controlled air flow rate, a heat exchanger placed within this flow channel, a water bath, data acquisition system, diaphragm pump, rotameter, thermocouples, manometer, and climate control system. The working fluids are hot water inside the tube and air outside it. The pressure drop curve of the heat exchanger was obtained for a flow rate range of 0-80 L/s. The dataset generated from the experiments was compared with analyses conducted in ANSYS Fluent, yielding results with errors of %12.2 in pressure drop, %12 in heat transfer on the air side, and %17.8 on the water side. Through CFD analysis, f friction factor and Nusselt number correlations were derived for the heat exchanger used in the experimental system. The validated analysis geometry was employed to study the effects of geometric parameters—such as fin count, fin thickness, fin type, tube diameter, and spacing along the flow direction—on heat transfer performance and pressure drop. The findings revealed that while increasing fin thickness enhances heat transfer, its advantage is outweighed by a greater pressure loss, leading to an overall decline in heat exchanger performance. Increasing the tube diameter from 8.8 mm to 10 mm resulted in a 7-7.64% reduction in overall heat exchanger performance within the Reynolds number range of 508>Re>1524. An increase in vertical spacing between tubes degraded heat transfer without significantly altering pressure drop, thereby reducing overall performance. The“Parçalı”and“ParçalıŞaşırtmalı”geometries demonstrated superior overall heat exchanger performance compared to the baseline geometry by %13.26-12.10 and %18.43-15.99, respectively, within the Reynolds number range of 450>Re>763. The“Dalgalı15°”geometry outperformed the“Eksiltilmiş2”geometry by %0.94-2.38 under the same conditions, while the“Dalgalı30°”geometry exhibited a %3.44-4.58 higher overall heat exchanger performance compared to“Eksiltilmiş2”.
Benzer Tezler
- Helisel kanatlı çift borulu ısı değiştiricilerinde ısı transferinin deneysel ve sayısal incelenmesi
Experimental and numerical investigation of heat transfer in concentrate heat exchanger with helical fins
YASEMİN KALAFAT
Doktora
İngilizce
2026
Makine MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KADİR BİLEN
- 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
HARUN DENİZLİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ONUR TUNÇER
- Experimental investigation of heat transfer performance of fin-and-tube heat exchangers for dry and wet conditions
Kanatlı borulu ısı değiştiricilerinde ısı transferi performansının kuru ve ıslak koşullarda deneysel olarak incelenmesi
OĞUZ KILIÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ÖZDEMİR
- Kompakt buhar sıkıştırmalı bir soğutma sisteminin deneysel ve matematik modelleme çalışması
Experimental and mathematical modelling studies of a compact vapor compression refrigeration system
MUHSİN CAN AKKURT
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ÖZDEMİR
- Hidrodinamik gelişmiş boru içi akışta kanatların ısı geçişi ve basınç düşüşüne etkisinin sayısal olarak belirlenmesi
Numerical investigation of the effect of fins on heat transfer and pressure drop in hydrodynamic developed in pipe flow
ALİ KÖSE
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEBİHA YILDIZ