Investigation of thermal-flow performance in close circuit cooling towers
Kapalı çevrim soğutma kulelerinde termal-akış performansının incelenmesi
- Tez No: 987416
- Danışmanlar: PROF. DR. TAHSİN ENGİN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Buharlaştırarak soğutma, Evaporative cooling
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu çalışmanın temel amacı, paket tip kapalı devre soğutma kulesinde (CCCT) gerçekleşen karşı-akışlı hava–su etkileşimi ve buna bağlı ısıl davranışın daha kapsamlı bir şekilde anlaşılabilmesi için gelişmiş hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) modellerinin geliştirilmesi ve değerlendirilmesidir. Kapalı devre soğutma kuleleri hem endüstriyel proseslerde hem de HVAC uygulamalarında sürdürülebilir su yönetimi açısından kritik bir role sahiptir. Bu nedenle, bu tür sistemlerdeki karmaşık ısı ve kütle transfer mekanizmalarının doğru modellenebilmesi hem tasarım optimizasyonu hem de işletme performansının artırılması açısından büyük önem taşır. Bu çalışma kapsamında elde edilen sayısal ve deneysel bulgular, CCCT sistemlerinde sprey suyu, hava akışı ve serpantin yüzeyi arasındaki etkileşimlerin fiziksel olarak daha doğru temsil edilmesi yoluyla mevcut literatüre önemli katkılar sunmayı hedeflemektedir. Çalışmanın odak noktası, akış davranışı, özgül nem, hava ve su sıcaklık dağılımları, hava hızı profilleri, ısı transfer katsayısı, basınç kaybı ve buharlaşma kaybı gibi temel performans parametrelerinin ayrıntılı incelenmesidir. Bu kapsamda ardışık olarak iki boyutlu Mixture çok fazlı modeli, iki boyutlu Ayrık Faz Modeli (DPM) ve son aşamada üç boyutlu DPM modeli uygulanmıştır. Her bir modelin fiziksel doğruluk, çözüm süresi ve film davranışını temsil etme kabiliyeti yönünden farklı avantaj ve sınırlamaları bulunmaktadır. Elde edilen sonuçlar, bu modellerin CCCT gibi karmaşık evaporatif soğutma sistemlerinde ne ölçüde güvenilir çıktılar üretebildiğini değerlendirmek amacıyla deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Özellikle serpantin yüzeyi ile su filmi arasındaki ısı transfer katsayısı, model doğrulamasında bir referans parametre olarak kullanılmıştır. İlk aşamada, hava ve su fazlarının birlikte taşınmasını tanımlamak amacıyla, Shear Stress Transport (SST) k–ω türbülans modeli ile birleştirilmiş iki boyutlu Mixture multifaz yöntem incelenmiştir. Bu yaklaşım, genel akış davranışını başarıyla yakalayan bir yöntem olmasına rağmen, modelin doğası gereği sprey mekanizmasının fiziksel gerçekliğini temsil etmede yetersiz kalmaktadır. Mixture modeli, havanın doyma sıcaklığı altındaki buharlaşma süreçlerini ve serpantin borusu çevresindeki özgül nem dağılımını doğru şekilde modelleyememiştir. Özellikle sprey bölgesindeki buharlaşma hızının ve buna bağlı olarak sprey tarafı ısı taşınım katsayısının gerçeğe göre yüksek tahmin edildiği gözlemlenmiştir. Bu nedenle çalışma, daha ayrıntılı fizik modellerine sahip iki boyutlu bir DPM yaklaşımına yönelmiştir. 2D DPM modeli, damlacıkların tek tek izlenmesine olanak tanıdığı için sprey suyu davranışını ve buharlaşma mekanizmalarını çok daha gerçekçi şekilde temsil eder. Geliştirilen model, duvar filmi oluşumu, damlacık çarpmasıyla film kalınlığının değişimi, buharlaşma miktarı ve su buharının hava fazına difüzyonu gibi çok önemli fiziksel süreçleri kapsayacak şekilde yapılandırılmıştır. Bu doğrultuda ANSYS Fluent ortamında yaklaşık 160.000 elemandan oluşan yüksek çözünürlüklü bir ağ kullanılmış, serpantin yüzeyine ulaşan su damlacıklarının boru yüzeyine tutunabilmesi ve bir film oluşturabilmesi için duvar-film (wall-film) modeli aktif edilmiştir. Böylece 2D DPM analizleri, Mixture modeline kıyasla film dağılımını, yüzey ıslaklığını ve buharlaşma hızını çok daha gerçekçi şekilde temsil etmiş ve ısı taşınım katsayısının fiziksel olarak daha doğru hesaplanmasını sağlamıştır. Ancak iki boyutlu bir yaklaşımın doğası gereği spreyin üç boyutlu dağılım özelliklerini ve serpantin boruları arasındaki karmaşık akış yapılarının tümünü temsil etmesi mümkün değildir. Bu nedenle çalışma, son aşamada üç boyutlu bir DPM modeline genişletilmiştir. 3D model, film dağılımının gerçekçi şekilde yakalanmasını sağlayan daha ayrıntılı akış alanları içermektedir. Bu model, 2D modele kıyasla film sıcaklığı, buharlaşma miktarı ve ısı akısı açısından daha fiziksel olarak gerçekçi sonuçlar sağlamıştır. Bu durum, CCCT gibi karmaşık sistemlerde üç boyutlu DPM modellerinin doğruluğunu önemli ölçüde artırmaktadır. Sayısal yaklaşımı desteklemek amacıyla, 10 sıralışaşırtmalı serpantin içeren bir CCCT sistemi üzerinde gerçek atmosfer koşullarında deneysel bir çalışma gerçekleştirilmiştir. Deneylerde giriş ve çıkış proses sıcaklıkları kaydedilmiş, sprey suyu sıcaklıkları ölçülmüş ve sistem kararlı hale geldikten sonra tüm verilerin bir saatlik ortalaması alınmıştır. Dış boru yüzeyi ile su filmi arasındaki ısı transfer katsayısı, deneysel korelasyonlar ve ısıl direnç esaslı hesaplamalar kullanılarak belirlenmiştir. Bu deneysel veriler, CFD modelinin doğrulamasında kullanılmış ve sayısal sonuçlarla karşılaştırılarak modelin hava-su etkileşimini ve ısı-kütle transferini ne ölçüde doğru temsil ettiği değerlendirilmiştir. Deneysel verilere göre, giriş havasının kuru termometre sıcaklığı 29°C ve yaş termometre sıcaklığı 19,7°C olarak ölçülmüştür. Proses suyu kuleye 34,9°C sıcaklıkla girmiş ve çıkışta 25,9°C'ye kadar soğutulmuştur. Sprey sıcaklığı ise 24,7°C olarak elde edilmiştir. Elde edilen“sıcaklık farkı”ve“yaklaşım”değerleri sırasıyla 6,97°C ve 6,17°C olarak hesaplanmıştır. Dış boru yüzeyi ile su filmi arasındaki ısı transfer katsayısı, deneysel korelasyonlar, literatür tabanlı film ısıl direnç modelleri ve ölçülen sıcaklık farkları kullanılarak 1163 W/m²·K olarak elde edilmiştir. Deneysel olarak gözlemlenen toplam buharlaşma kaybı ise 0.54 m³/h'tir. Ancak, simülasyon sonuçlarına göre bu değer yaklaşık 1526 W/m²·K olarak bulunmuştur. Simülasyon sonuçları, deneysel bulgularla kısmi bir, uyum göstermiş ve ısı transfer katsayısında yaklaşık %30'luk bir fark tespit edilmiştir. Bu durum, su filmi ile dış boru yüzeyi arasındaki ısı transferinin 3D modelde yeterli doğrulukta yakalandığını göstermektedir. Bu çalışma kapsamında elde edilen bütün deneysel ve sayısal bulgular birlikte değerlendirildiğinde, kapalı devre soğutma kulelerinde gerçekleşen çok fazlı ısı ve kütle transferinin son derece karmaşık, güçlü biçimde bağlaşık ve üç boyutlu karaktere sahip bir süreç olduğu açıkça görülmüştür. Gerçek sistem davranışının, özellikle su filmi dağılımı, damlacıkların serpantinle etkileşim dinamikleri, yerel buharlaşma bölgeleri ve akış yönüne bağlı ıslanma süreksizlikleri gibi karmaşık fiziksel mekanizmalara duyarlı olduğu ortaya çıkmıştır. Sayısal analizler, bu mekanizmaların doğru temsil edilmesinin yalnızca fazlar arası etkileşimlerin ayrıntılı bir biçimde modellenmesiyle mümkün olabileceğini, özellikle de sprey-su/film-su ilişkilerinin serpantin geometrisi boyunca homojen olmayan bir yapı sergilediğini göstermiştir. Bu çalışma hem deneysel yaklaşım hem de gelişmiş CFD yöntemleri aracılığıyla, CCCT sistemlerinde su filmi, damlacık hareketi ve hava akışı arasındaki çok yönlü etkileşimlerin fiziksel doğasına ilişkin kapsamlı bir çerçeve sunmuştur. Elde edilen sonuçlar, kapalı devre soğutma kulelerinde tasarım optimizasyonu, performans iyileştirmesi ve daha güvenilir mühendislik hesaplamaları açısından değerli bir referans niteliği taşımakta; bundan sonraki çalışmalara ise tam ölçekli 3D çözümler, zamana bağlı analizler ve daha gelişmiş damlacık-film etkileşim modellerinin dâhil edilmesi yönünde net bir yol haritası oluşturmaktadır.
Özet (Çeviri)
The main aim of this study is to investigate computational fluid dynamics (CFD) models to better understand the counter-current air–water interaction and thermal behavior in a packaged-type closed-circuit cooling tower (CCCT). The objectives of the study include examining key parameters such as flow behavior, specific humidity, water and air temperature, air velocity, heat transfer coefficient, pressure drop, and evaporation rate. To this end, both the Mixture multiphase method and the Discrete Phase Model (DPM) were implemented in two dimensions, while a three-dimensional DPM model was also developed to capture more realistic film distribution. The CFD results were validated by comparing the heat transfer coefficient between the water film and the outer tube surface with experimental data, aiming to provide a deeper understanding of heat and mass transfer mechanisms in CCCTs. Initially, a two-dimensional CFD model using the Mixture multiphase method combined with the Shear Stress Transport (SST) k–ω turbulence model was tested to represent the air–water interface. However, this approach tended to overpredict evaporation and the spray-side heat transfer coefficient. Therefore, a more advanced two-dimensional DPM model was developed, which incorporated wall film boundary conditions, evaporation–condensation mass transfer, and species transport for water vapor diffusion. Simulations were performed in ANSYS Fluent using a structured mesh of approximately 160,000 elements, and the spray water was directed toward the coil surfaces to capture realistic film formation and evaporation dynamics. Finally, the analysis was extended to a three-dimensional DPM model to overcome the uniform distribution assumption inherent in 2D simulations. The 3D approach was able to capture more detailed flow structures which strongly affect local heat and mass transfer. This model provided more physical fidelity in terms of film temperature, evaporation rate, and heat flux compared to the 2D model. To support the numerical approach, an experimental study was conducted using a CCCT equipped with 10 rows of staggered serpentine tubes under real atmospheric conditions. During testing, inlet and outlet air temperatures were recorded to evaluate the cooling performance of the system. The heat transfer coefficient between the falling water film and the outer tube surface was determined using empirical correlations and resistance-based calculations. These experimentally obtained values were then used to validate the CFD model by comparing the numerical results with measured data, ensuring that the simulation accurately captured the air-water interaction and coupled heat-mass transfer processes within the cooling tower. In terms of experimental data, the dry and wet bulb temperatures of inlet air were recorded as 29°C and 19.7°C, respectively. The process water entered the tower at 34.9°C and was cooled to 25.9°C at the outlet. Data were averaged over one hour under steady-state conditions to ensure accuracy. The range and approach values were calculated as 6.97°C and 6.17°C, respectively. Based on appropriate thermal resistance calculations, the spray heat transfer coefficient was determined to be 1163 W/m²·K. The total evaporation loss observed in experiment was 0.54 m³/h. However, spray heat transfer coefficient was found to be around 1526 W/m²·K based on the simulation results. Simulation results showed slight agreement with experimental findings, with the heat transfer coefficient exhibiting an error margin of approximately 30%, which indicates that the heat transfer between the water film and the outer tube surface is adequately captured in the 3D model.
Benzer Tezler
- Gemi kargo tanklarında doğal taşınımla olan ısı geçişinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi
Numerical and experimental investigation of natural convection heat transfer in ship cargo tanks
KORAY ŞAHİN
Doktora
Türkçe
2022
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELMA ERGİN
- Enerji iletim sistemlerinde 3-faz-6-faz dönüşümlerinin iletim kapasitelerine etkilerinin incelenmesi
Study of the 3-phase-6-phase conversion effects on power transfer capabilities in energy transmission systems
FATMA GÜL BAĞRIYANIK
Doktora
Türkçe
2000
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. H. NUSRET YÜKSELER
- Boru içerisine yerleştirilen farklı tip türbülatörlerin ısıl performans karakteristiklerinin sayısal ve deneysel incelenmesi
Numerical and experimental investigation of the thermal performance characteristics of different types of turbulators placed in the pipe
TAHA TUNA GÖKSU
Doktora
Türkçe
2022
Makine Mühendisliğiİnönü ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RASİM BEHÇET
DOÇ. DR. İBRAHİM HALİL YILMAZ
- Synthesis and characterization of strain sensitive multi-walled carbon nanotubes/epoxy based nanocomposites
Gerilmeye duyarlı çok duvarlı karbon nanotüp/epoksi esaslı nanokompozitlerin sentezi ve karakterizasyonu
ABDULKADİR ŞANLI
Doktora
İngilizce
2018
Polimer Bilim ve TeknolojisiTechnısche Unıversıtat Chemnıtz (tuc)Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OLFA KANOUN
- Hidrolik pompalarda cuo nanopartikül kullanımının enerji performansına etkisinin araştırılması
Investigation of the effect of cuo nanoparticle usage on energy performance in hydraulic pumps
HALİL ASLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
EnerjiUşak ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ABDULLAH YILDIZ