Mini kanallar içerisinde tek fazlı akış ve ısı taşınımının sayısal ve deneysel olarak incelenmesi
Numerical and experimental analysis of fluid flow and convective heat transfer in mini-channels
Yazar: NİHAL UĞURLUBİLEK
Danışman: YRD. DOÇ. DR. İSMAİL YALÇIN URALCAN
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2007
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Taşınım = Convection ; Tek fazlı akış = Single phase flow

Özet:
Isı degistirme cihazlarının tasarımının ekonomi ve verimdeki öneminden dolayıakademik ve endüstriyel sahadaki en önemli arastırma alanlarından biri ısı geçisiniiyilestirme olusturmaktadır. Isı geçisini iyilestirme, birim ısı geçis yüzeyinden ısı geçisoranını artırmakla mümkündür. Isı geçisini iyilestirmenin çesitli yolları vardır.yilestirme metotları ya ısı geçis yüzeyinin alanını ya türbülans seviyesini ya da akıskanparçacıkları ile yüzey arasındaki ortalama temas süresini artırmayı amaçlar. Isı geçiskatsayısının artırılmasını amaçlayan tekniklerle karsılastırıldıgında uzatılmıs yüzeylerinkullanımında oldugu gibi tek basına yüzey alanını artırmak daha çok malzemeharcaması, imalat süreci ve ısı degistirme cihazı tarafından isgal edilen alanı gerektirir.Bu çalısmada, daha uzun süreler boyunca ısı geçis yüzeyiyle temas halindeki akıskanparçacıklarını korumayı amaçlayan iyilestirme teknigi test edilmistir, bu yüzden biryandan türbülans siddeti artırılırken ısı degistiricinin boru içindeki akıskanın gergindurumu süresince daha fazla enerji degistirmesi saglanmıstır. Silindirik bir borudaki içakıs bu amacı test etmek için temel alınmıstır. Teknigin gelistirilmesinde ikinci adım,boru içine es eksenli katı silindirik bir çubuk sokulması, böylelikle boru ve çubukarasında bir halka akıs olusturulmasıdır. Bu teknigin son adımı halka içine sıkı geçmishelisel kanat eklenmesi ve dıs boru, silindirik çubuk ve helisel kanat arasında kusatılmıshelisel kanal boyunca akısı yönlendirmektir. Bu amaçlar için ilk olarak belirli çap ve etkalınlıklı bir boru kabul edilmistir. Daha sonra bes farklı çapa sahip katı silindirikçubuk bu borunun içine es eksenli olarak yerlestirilmis ve halka akıs her bir tasarım içintest edilmistir. Son olarak helisel kanat halka bölgeye eklenmis ve etkisi gözlenmistir.Helisel sargının adımı üç degisik degerde ayarlanırken kanat kalınlıgı sabit tutulmustur.Kabul edilen tüm tasarımlar FLUENT yazılım paketi kullanılarak sayısal olarak analizedilmis olup deneysel olarak ta test edilmistir. Sonuçlar mini aralıklı akıs kanalları içinsayısal ve deneysel analizler arasında iyi bir uyum oldugunu göstermistir. Kanalhidrolik çapı mikro aralıklara düsürüldügünde sayısal sonuçlar deneysel sonuçlardansapma gösterir, bu ise akıskan akısı ve ısı geçisine hükmeden fiziksel mekanizmalardakibir uyumsuzlugun isaretidir.Anahtar kelimeler: Halka Akıs, Helisel Kanal, yilestirme, Tasınım, Tek Faz.

Abstract:
Enhancement of heat transfer constitutes one of the major research fields in theacademic and industrial are due to its importance in economic end efficient design ofheat exchange apparatus. Enhancement of heat transfer is possible by means ofincreasing the rate of heat transfer through a unit heat transfer surface. There are variousmeans of enhancing heat transfer.Enhacement methods aim increasing either the area ofthe heat transfer surface, or the turbulence level, or the mean duration of contactbetween fluid particles and the surface. Increasing the surface area, i.e. the use ofextended surfaces, alone, requires consumption of more materials, more manufacturingwork, and more space occupied by the heat exchange equipment, when compared totechniques aiming the increase of heat transfer coefficient.In this study, theenhancement technique tested aims on keeping the fluid particles in contact with theheat transfer surface for longer periods, thus allowing them to exchange more energyduring this elongated stay of the fluid in the heat exchanger tube, while increasing themagnitude of turbulence, as well.Internal flow in a circular tube is considered as thebasis to test the target. The second step in the development of the technique is insertinga cylindrical solid rod concentrically in the tube, thus creating an annulus flow betweenthe tube and the insert. The last step of the technique is adding a helical fin which fitstight in the annulus and directs the flow through the helical channel confined betweenthe outer tube, the rod insert and the helical fin. Fort his purpose, a tube with specifieddiameter and wall thickness is considered first.Then solid cylindrical rods of fivedifferent diameters are inserted concentrically within the tube and annular flow is testedfor each configuration. Finally, the helical fin is added in the annular gap and itsinflence is observed. The thickness of the fin is kept constant while the pitch of helicalcoil is adjusted to three different values. All configurations considered are analysednumerically using the FLUENT software package and tested experimentally as well.Results show good agreement between numerical and experimental analysis for flowchannels of mini sizes. When the channel hydraulic diameter is decreased to microsizes, numerical results deviate from experimental values, indicating a discrepancy inthe physical mechanisms dominating fluid flow and heat transfer.Keywords:Annulus Flow, Helical Channel, Enhancement, Convection, Single Phase.