Gövde borulu ve plakalı ısı değiştiricilerinde farklı nanoakışkanların ısıl performansa etkisinin sayısal ve deneysel araştırılması
Numerical and experimental investigation of the effect of different nanofluids on thermal performance in shell and tube and plate heat exchangers
Yazar: ÖMER KARATUTLU
Danışman: PROF. DR. GAMZE GENÇ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu tez çalışması kapsamında ısıl sistemler içerisinde büyük bir kullanım alanı olan gövde borulu ve plakalı ısı değiştiricilerinde nanoakışkan kullanılması durumunda akış hidrodinamiklerin ve termal performansın değişimi deneysel olarak araştırılmıştır. Al2O3, Fe3O4, GO, SWCNT, MWCNT ve GO–Al2O3 nanopartikülleri temel akışkan olan su içerisine farklı hacimsel oranlarda (%0.01, 0.1, 0.25 ve 0.5) karıştırılarak farklı nanoakışkanlar elde edilmiştir. Ayrıca, her bir ısı değiştiricisi ve her bir nanoakışkan için deneyler Reynolds sayısının 1250'den 6000'e değişen aralığında gerçekleştirilmiştir. Deneysel sonuçlara göre her bir eşanjörün ısıl performansı Reynolds sayısının ve nanopartiküllerin hacimsel oranının artmasıyla artmıştır ve ele alınan nanoakışkanlar arasında MWCNT en yüksek performansa sahiptir. %0.5 hacimsel oranda MWCNT nanoakışkanı ve Re=6000 için gövde borulu ısı değiştiricide ısı transferi temel akışkan suya göre yaklaşık %37 artış gösterirken, plakalı ısı değiştiricide bu artış %21'dir. Termal performans faktörü ele alınan tüm nanoakışkanlar için her bir hacimsel oranda ve Reynolds sayısında temel akışkan suya göre daha yüksektir. Deneysel çalışmalara ilave olarak gövde borulu ısı değiştiricisi, ANSYS FLUENT programı yardımı ile modellenmiştir ve sayısal çözümler her bir nanoakışkanın farklı hacimsel oranları ve üç farklı hızı için yapılmıştır. Sayısal sonuçlar ile deneysel sonuçların uyumlu olduğu görülmüştür.
Anahtar Kelimeler: Nanoakışkan, Gövde Borulu Isı Değiştirici, Plakalı Isı Değiştirici, Isıl Performans, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği, ANSYS FLUENT.

Abstract:
In this thesis study, the variations of the flow hydrodynamic and thermal performance of the Shell-tube and plate heat exchangers which have a wide usage area in thermal systems were investigated experimentally in the case of using nanofluids in heat exchangers which have a wide usage area in thermal systems. Different nanofluids were obtained by adding the nanoparticles which are Al2O3, Fe3O4, GO, SWCNT, MWCNT, and GO–Al2O3 with the different volumetric ratios (0.01, 0.1, 0.25, and 0.5%) to the base fluid water. Furthermore, experiments were carried out in the range of Reynolds numbers from 1250 to 6000 for each considered nanofluid and heat exchanger. According to experimental results, the thermal performance of each exchanger increased with increasing Reynolds number and volumetric ratio of nanoparticles, and MWCNT has the highest performance among the nanofluids considered. While the heat transfer in the shell-and-tube heat exchanger increases by approximately 37% compared to the base fluid water in the case of MWCNT nanofluid with a percentage of 0.5% and at Re=6000, this increase is 21% in the plate heat exchanger in the same case. The thermal performance factor is higher than the base fluid water at each volumetric ratio and Reynolds number for all nanofluids. In addition to the experimental studies, the shell-and-tube heat exchanger was modeled with the help of ANSYS FLUENT computer code within the scope of the thesis study, and numerical analyses were made for different volumetric ratios of each nanofluid and three different velocities. It has been observed that the numerical results and experimental results are compatible.
Keywords: Nanofluid, Shell and Tube Heat Exchanger, Plate Heat Exchanger, Thermal Performance, Computational Fluid Dynamics, ANSYS FLUENT.