Experimental investigation of the effects of simultaneous use of a helical screw-rod with core-rod and plate fins on the thermal performance of a liquid–air double-tube heat exchanger
Helikal bir vida-çubuk, çekirdeği ve plaka kanatçıklarının eş zamanlı kullanımının sıvı-hava çift borulu ısı değiştiricisinin ısıl performansı üzerine etkilerinin deneysel olarak araştırılması
- Tez No: 970731
- Danışmanlar: Prof. Dr. MEHMET ÖZKAYMAK, Assoc. Prof. Dr. FARUK KILIÇ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Energy
- Anahtar Kelimeler: Enerji aktarımı, Enerji performans analizi, Enerji sistemleri, Isı performansı, Energy transfer, Energy performance analysis, Energy systems, Heat performance
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Karabük Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Enerji Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Fosil yakıtların artan kullanımı; çevre kirliliği, küresel ısınma ve ısınma sistemlerinin maliyetlerinde artış gibi çevre üzerinde olumsuz etkiler yaratmaktadır. Bu durum, ısıtma ve iklimlendirme sistemlerinde kullanılan ısı eşanjörleri gibi bileşenlerin verimliliğinin artırılmasının ne kadar önemli olduğunu ortaya koymaktadır. Bu çalışmada, iç boruya yerleştirilen çekirdek çubuklu helezonik vida çubuğu (HSR-CR) ile dış borudaki (halka boşluğu) alüminyum plaka kanatçıklarının (PF) eşzamanlı kullanımıyla, eşmerkezli çift borulu ısı eşanjörünün performansını artırmak amaçlanmıştır. Bu eşzamanlı kullanımın, çift borulu ısı eşanjörlerinin boru tarafındaki toplam ısı transfer katsayısı, Nusselt sayısı, sürtünme katsayısı ve termal performans katsayısı üzerindeki etkisi deneysel olarak incelenmiştir. Bu deneysel çalışmada, çapı 23 mm olan çekirdek çubuklu helezonik vida çubuğu (HSR-CR), sıcak su akışı içinde iç boruya gevşek şekilde yerleştirilmiş olup, boru duvarı ile arasında 1.5 mm boşluk kalacak şekilde monte edilmiştir ve 4.826'lık bir bükülme oranına sahiptir. Ayrıca, alüminyumdan yapılan plaka kanatçıklar (PF), dış boruya (halka boşluğu) soğuk hava akışı içinde gevşek şekilde yerleştirilmiş, halka boşluğu duvarına olan mesafe 8 mm olacak şekilde ayarlanmıştır. Bu kanatçıklar, iç borunun dış çevresi boyunca 30 halka olacak şekilde dağıtılmış ve her halka 90°'lik açıyla yerleştirilmiş 14 adet, yüksekliği 30 mm olan plaka kanatçık içermektedir. Deneyler, 40 °C ve 50 °C olmak üzere iki farklı sıcaklıkta, iç borudaki sıcak su için 0.2, 1.0 ve 2 lpm olmak üzere üç farklı debide (236 ≤ Re < 3000) ve sabit 1250 lpm karşı akışlı soğuk hava debisinde gerçekleştirilmiştir. Yapılan analiz, iç boruya yerleştirilen (HSR-CR) ile halka boşluğa yerleştirilen (PF) bileşenlerinin birlikte kullanımının, düz ısı eşanjörüne ve bu bileşenlerin tekil kullanımına kıyasla, termal özellikleri önemli ölçüde artırdığını ortaya koymuştur. Buna göre, toplam ısı transfer katsayısı %204.54 ile %293 arasında, Nusselt sayısı ise %85.9 ile %275 arasında artmıştır. Ayrıca, iç boruda (HSR-CR) yerleştirilmesi, sürtünme katsayısını düz boruya göre 1.323 ile 1.817 kat artırmıştır. Hem (PF) hem de (HSR-CR) bileşenlerinin kullanıldığı durumda, 40 °C'de elde edilen maksimum termal performans faktörü (TPF) değerleri, Reynolds sayılarının sırasıyla 0.2, 1 ve 2 lpm akış hızlarına karşılık geldiği noktalarda sırasıyla 1.69, 2.614 ve 3.07 olarak ölçülmüştür. 50 °C'de yapılan deneylerde ise aynı akış hızlarına karşılık gelen Reynolds sayılarında TPF değerleri sırasıyla 1.775, 2.65 ve 2.974 olarak belirlenmiştir.
Özet (Çeviri)
The extensive reliance on fossil fuels has resulted in several adverse environmental consequences, including increased pollution, global warming, and elevated operational costs for heating systems. These challenges underscore the necessity of improving the efficiency of critical components such as heat exchangers employed in heating, ventilation, and air conditioning systems. In the present study, the performance of a concentric double-tube heat exchanger was enhanced through the simultaneous deployment of a helical screw-rod with core-rod (HSR-CR) within the inner tube and aluminum plate fins (PF) installed in the annular section. The combined effect of these inserts on the overall heat-transfer coefficient, Nusselt number, friction factor, and tube-side thermal performance factor (TPF) was systematically investigated through experimental measurements. In the experimental setup, the HSR-CR insert, with a diameter of 23 mm, was loosely fitted inside the inner tube carrying hot water, maintaining a 1.5 mm clearance from the tube wall and a twist ratio of 4.826. Simultaneously, the PF inserts were loosely positioned within the annulus containing cold air, leaving an 8 mm clearance from the annular wall. The fins were arranged in 30 circumferential rings around the inner tube, with each ring containing 14 fins of 30 mm height, forming a 90° angular spacing along the outer perimeter. Experiments were performed at hot water temperatures of 40 °C and 50 °C, and at three flow rates (0.2, 1.0, and 2.0 L/min) corresponding to Reynolds numbers in the range of 236 ≤ Re < 3000, while maintaining a constant airflow of 1250 L/min in a counterflow configuration. The results indicate that the combined use of HSR-CR in the inner tube and PF in the annulus markedly improves the thermal performance relative to the smooth heat exchanger or configurations employing only one type of insert. Specifically, the overall heat-transfer coefficient and Nusselt number exhibited enhancements ranging from 204.54 % to 293 % and 85.9 % to 275 %, respectively, compared to the smooth heat exchanger. Additionally, the presence of HSR-CR in the inner tube increased the friction factor by a factor of 1.323 to 1.817. The thermal performance factor (TPF) achieved maximum values of 1.69, 2.614, and 3.07 at 40 °C for the three flow rates, while corresponding values at 50 °C were 1.775, 2.65, and 2.974. These findings demonstrate the synergistic effect of using HSR-CR and PF inserts simultaneously, providing a significant enhancement in heat transfer while managing friction losses effectively.
Benzer Tezler
- Investigation of the effects of alternative fuel use on performance and emissions in a compression ignition (CI) diesel engine
Sıkıştırmalı ateşlemeli bir dizel motorda alternatif yakıt kullanımının performans ve emisyon değerleri üzerindeki etkilerinin araştırılması
FERHAT EKİN
Doktora
İngilizce
2024
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN AZMİ ÖZSOYSAL
DR. ÖĞR. ÜYESİ HİKMET ARSLAN
- Desellülarize sinir grefti ile periferik sinir defektlerinin onarımında wharton jeli kaynaklı mezenkimal kök hücre, condıtıoned medıum ve cerrahi anjiyogenezin sinir rejenerasyonu üzerindeki etkinliğinin araştırılması: Deneysel çalışma
Investigation of the effects of wharton's jelly-derived mesenchymal stem cells, conditioned medium, and surgical angiogenesis on nerve regeneration in peripheral nerve defects using decellularized nerve grafts: An experimental study
OĞUZ EKER
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2024
Plastik ve Rekonstrüktif CerrahiSelçuk ÜniversitesiPlastik Rekonstrüktif ve Estetik Cerrahi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZEKERİYA TOSUN
- Investigation of the growth kinetics and morphology transitions during porous anodization of titanium in ethylene glycol based electrolytes
Etilen glikol bazlı elektrolitlerde titanyumun gözenekli anodizasyonu sırasında oluşan oksidin büyüme kinetiği ve morfolojik geçişlerinin incelenmesi
EREN SEÇKİN
Doktora
İngilizce
2022
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN
- Fotovoltaik termal (FV/T) sistemlerde nanoakışkanlı ısı borusu ve faz değiştiren madde (FDM) kullanımının deneysel olarak araştırılması
Experimental investigation of using both nanofluid-filled heat pipe and phase change material (PCM) in photovoltaic thermal (PV/T) systems
MELİSA ERGENE
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
EnerjiFırat ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ESEN
- Rulmanlarda sürünme riskinin deneysel olarak incelenmesi ve rulman tasarım parametrelerinin sürünme üzerine etkisinin analizi
Experimental investigation of creep risk on bearings and analysis of bearing design parameters for creep
AHMET HAKAN BOZKURT
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OSMAN TAHA ŞEN