Atık ısı geri kazanımında kullanılacak olan plakalı-kanatçıklı ısı değiştiricisinin had analizi ile termal ve hidrolik karakteristiğinin incelenmesi
Investigation of thermal and hydraulic characteristics of plate-fin heat exchanger to be used in waste heat recovery system with cfd
Yazar: DİREN DENİZ ÇİÇEK
Danışman: PROF. DR. ŞENOL BAŞKAYA
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Plakalı-kanatçıklı ısı değiştiricileri atık ısı geri kazanım sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Özellikle gaz-gaz akışkan çiftinin olduğu sistemlerde gaz tarafında ısı transfer katsayısı düşük olduğundan arttırılmış yüzeylere ihtiyaç duyulmaktadır ve plakalı-kanatçıklı ısı değiştiricileri bu soruna uygun bir çözüm sunmaktadır. Bu yüzden plakalı-kanatçıklı ısı değiştiricilerinin termal ve hidrolik performansının incelenmesi önem kazanmaktadır. Yapılan bu çalışmada öncelikle plakalı-kanatçıklı ısı değiştiricileri için bir tasarım prosedürü literatürdeki çeşitli korelasyonları ve bağıntıları kullanarak geliştirilmiştir. Ardından geliştirilen bu analitik metodun doğrulanması için FloEFD ortamında HAD analizleri yürütülmüştür. Bu sayede analitik ve nümerik sonuçlar mukayese edilmiştir ve tasarım prosedürü doğrulanmıştır. Sonrasında ise plakalı-kanatçıklı ısı değiştiricilerinde farklı kanatçık tiplerinin termal ve hidrolik karakteristiği tam boyutlarda yapılan analizler sonucunda incelenmiştir ve kaydırılmış eksenli ve deliklere sahip kanatçıkların yüksek bir performans sergilediği sonucuna varılmıştır. Bunun neticesinde literatür araştırmaları da göz önüne alınarak literatürde bu tarz kanatçıklar için Colburn faktörünü ve sürtünme faktörünü veren korelasyonların daha önceden sunulmadığı sonucuna varılmıştır. Yapılan çalışmanın devamında ise yüksek bir termo-hidrolik performans sergileyen kaydırılmış eksenli ve deliklere sahip kanatçıklar için Colburn faktörü ve sürtünme faktörünü veren korelasyonlar farklı Reynolds sayılarında ve kanatçık parametrelerinde gerçekleştirilen parametrik HAD analizleri ve non-lineer regresyon analizleri neticesinde literatüre kazandırılmıştır.

Abstract:
Plate-fin heat exchangers are widely used in waste heat recovery systems. Especially where both working fluids are gaseous, there is a need for extended heat transfer surface areas, since the heat transfer coefficients at the gas sides are lower and plate-fin heat exchangers provide a suitable solution for this problem. That is why it is important to investigate thermal and hydraulic characteristics of plate fin heat exchangers. In this study, first of all a design methodology for plate-fin heat exchangers has been developed by using several correlations and formulas available in the literature. Then, in order to validate the design procedure CFD simulations are conducted in a FloEFD environment. As a result, analytical and numerical results are compared and the design procedure has been validated. After that, plate-fin heat exchangers with different fin configurations have been analyzed at full scale analysis with the help of CFD, and it is concluded that offset strip fins with holes perform a higher thermal and hydraulic performance. In the light of this result and also considering the literature survey it was concluded that Colburn factor and friction factor correlations have not been studied before. In the continuation of the study, Colburn factor and friction factor correlations for offset strip fins with holes, which results in  higher thermal and hydraulic performance, has been presented to the literature with the help of a parametric CFD analysis, in which fin parameters and Reynolds numbers had various values and with the help of non-linear regression analysis.