İçerisine sekman yerleştirilmiş bir boruda akış ve ısı transferinin deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of flow and heat transfer in a rib inserted pipe
Yazar: VEYSEL ÖZCEYHAN
Danışman: DOÇ.DR. ORHAN BÜYÜKALACA
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2002
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Akış = Flow ; Borular = Pipes ; Isı geçişi = Heat transfer ; Sekmen = Step

Özet:
in İÇERİSİNE SEKMAN YERLEŞTİRİLMİŞ BİR BORUDA AKIŞ VE ISI TRANSFERİNİN DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ ÖZET Bu çalışmada içerisine cidardan ayrık olarak yerleştirilen sekman grupları ile boru içerisindeki akışta ısı transferi iyileştirmesi Reynolds sayısının 3940-50125 aralığı için deneysel olarak araştırılmıştır. İlk aşamada, boş boru deneyleri yapılmıştır. Deney sonuçlan literatürde yaygın olarak kullanılan eşitliklerle iyi bir uyum göstermiştir. Daha sonra 4 adet farklı dizilişe sahip sekman grupları kullanılarak ısı transferi artışı her bir sekman grubu için ayrı ayrı incelenmiştir. Bu sekman grupları sekmanlar arası mesafe (h), sekmanın boru iç cidarı ile arasındaki mesafe (a) ve sekmanın dış çapı (So)'mn farklı olmasıyla birbirlerinden ayrılmaktadır. Sekman yerleştirilmesi ile akışa getirilen ilave dirençten dolayı basınç kaybında ve dolayısıyla pompalama gücü gereksiniminde büyük artışlar meydana gelmiştir. Isı transferindeki net artışı belirleyebilmek için eşit pompalama gücünde karşılaştırma yapmak gereklidir. Dolayısıyla, ısı transferi artışı her bir sekman grubunda hem eşit Reynolds sayısı için hem de eşit pompalama gücü için ayrı ayrı incelenmiştir. Çalışmada öncelikle ısıl olarak tam gelişmiş bölgede yer alan ve x/d=45.5, 48.2 ve 50.8'e yerleştirilmiş bulunan ısıl eleman çiftlerinden elde edilen sonuçlar dikkate alınmış daha sonra ise diğer ısıl eleman çiftlerinden elde edilen sonuçlar da incelenmiştir.IV Sekman yerleştirilmesi ile ısı transferinde ciddi artışların olduğu açıkça görülmüştür. Hem eşit Reynolds sayısında hem de eşit pompalama gücünde en yüksek ısı transferi artışı (h=56 mm, a=l mm ve So=54 mm) ölçüleriyle Sİ nolu sekman grubundan elde edilmiştir. İkinci en iyi ısı transferi artışını S3 nolu sekman grubu (h=56 mm, a=2 mm ve So=52 mm) vermiştir. Sekman grubu S2 (h=112 mm, a=l mm ve So=54 mm) ile S4 (h=112 mm, a=2 mm ve So=52 mm) hemen hemen aynı ısı transferi artışını sağlamışlardır. Bu sekman gruplarının sağladığı ısı transferi artışı diğerlerinden daha azdır. Isıl olarak tam gelişmiş bölgede Sİ nolu sekman grubu ile yapılan deneylerde eşit Reynods sayısında, boş boru ile karşılaştırıldığında ısı transferi katsayısında %105 ile %93 arasında artış sağlanmıştır. Eşit pompalama gücü için, düşük Reynolds sayılarında yaklaşık % 34 civarında ısı transferi artış oranı elde edilmiş ve bu değer yüksek Reynolds sayılarında %20'ye kadar düşmüştür. Diğer eksenel mesafelerde de benzer sonuçlar elde edilmiş ve Sİ nolu sekman grubunun en büyük ısı transferi artış oranına sahip olduğu görülmüştür. Sonuçta, dikkate alınan parametrelerden (a, h ve So) sekmanlar arası mesafenin ısı transferi artışı üzerinde en etkili parametre olduğu görülmüştür. Bu çalışma sonucunda, endüstride yaygın olarak kullanılan ısı değiştiricilerdeki boruların içerisine, ısı değiştiricinin çalışma şartlarına göre optimum fiziksel özellikteki iç sekman gruplarının yerleştirilmesi ile daha kopmak ısı değiştiricileri tasarlamanın ve enerji tasarrufu sağlamanın mümkün olacağı gösterilmiştir. Anahtar kelimeler: Isı transferi iyileştirmesi, borularda zorlanmış akış, borularda basınç düşümü, borulardaki akışta iç eleman kullanımı

Abstract:
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF FLOW AND HEAT TRANSFER IN A RIB INSERTED PIPE ABSTRACT In this study, convective heat transfer enhancement was experimentally investigated for the Reynolds number 3940 to 50125 in a horizontal pipe with wire ring inserts displaced seperated from the pipe wall. Firstly, experiments were conducted without inserting rings (empty pipe) and the result of these experiments showed a good agreement with the widely used equations available in the literature. After the empty-pipe exeriments, 4 different ring insert groups (SI, S2, S3, S4) were used seperately to investigate the heat transfer enhancement. The distance between the two rings (h), the distance between the rings and the inner wall of the pipe (a) and outer diameter of the rings (So) were different in each group. Inserting the rings in the pipe causes an extra resistance to flow therefore, the pressure drop also increases. This increased pressure drop means extra pumping power requirement. To determine the net heat transfer enhancement, the comparison should be made for the equal pumping power. In the study, heat transfer enhancement was evaluated for each ring group both for equal Reynolds number and equal pumping power. In this work, the results obtained from thermocouples placed into the thermally developed region (x/d=45.5, 48.2 ve 50.8) were considered firstly. Later, the results obtained from the other thermocouples were also analysed. Remarkable heat transfer increase was observed as a result of ring inserts displaced seperated from the wall. Maximum heat transfer increase was obtained from the ringVI group SI for both the same Reynolds number and equal pumping power. The ring group S3 followed the group SI. The groups S2 and S4 produced nearly the same heat transfer increase. These two ring groups produced lower heat transfer increase than the other two (SI and S3). The ring group (SI) is produced a heat transfer enhancement of 105 % and 93 % with respect to the empty-pipe for the same Reynolds number. When the results are considered for equal power, the same group (SI) provided approximately 34 % and 20 % heat transfer enhancement at high and low Reynolds numbers, respectively. It was seen that among the parameters considered in this study (a, h and So), the most important parameter for the heat transfer enhancement in convective heat transfer is the distance between two rings (h). At the result, the possibility of both the energy saving and the more compact heat exchanger design has been shown in a horizontal pipe with wire ring inserts displaced from the wall in heat exchanger. Keywords:Heat transfer enhancement, forced concevtion in pipe, pressure drop in pipe, using inner ribs inside the pipe