Kanal tipi ısı değiştirici performansının 3-boyutlu had analizi ile incelenmesi
Investigation of duct type heat exchanger performance with 3-dimensional CFD analysis
Yazar: YASİN KOÇ
Danışman: PROF. DR. YAHYA DOĞU
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Makine mühendisliği = Mechanical engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, klima santrallerinde ısı geri kazanım ünitesi olarak kullanılan karşıt akışlı kanal tipi ısı değiştiricinin gerçek kullanım şartlarında oluşan ısı transferi 3-boyutlu HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) analizleri ile incelenmiştir. İç ortamların havalandırılmasında, iç ortama taze hava alınırken kış/yaz uygulamasına bağlı olarak ısıtma/soğutma yapılır. Bu ısıtma/soğutma işlemi için gerekli ısının bir kısmı dışarı atılan egzoz havası kullanılarak bir ısı geri kazanım ısı değiştiricide sağlanır ve enerji tasarrufu elde edilir. 
İncelemedeki kanal geometrisi ve çalışma şartları gelişmekte olan akış bölgeleri de dahil edilerek gerçek uygulamadan alınmıştır. Kanal duvarları üzerinden olan ısı iletimi de 3-boyutlu HAD modelinde dahil edilerek, ısı değiştiricinin gerçek uygulamadaki ısı transfer miktarı hesaplanmıştır. HAD modelinde simetri şartları dikkate alınarak bir sıcak ve bir soğuk kanalın dörtte biri ele alınarak analizler yapılmıştır. HAD analizleri kararlı rejimde ve akışkan özelliklerinin sıcaklıkla değişimi dahil edilerek gerçekleştirilmiştir. 
Elde edilen HAD analiz sonuçları, ısı değiştiriciler için analitik ısıl-akış hesap yöntemi olan logaritmik ortalama sıcaklık farkı (LMTD: Logarithmic Mean Temperature Difference) yöntemi ile karşılaştırılmıştır. Analitik hesaplamalarda literatürdeki standart hidrodinamik korelasyonlar ve Nusselt sayısı korelasyonları kullanılmıştır. Nusselt sayısı korelasyonları; sabit yüzey ısı akısı veya sabit yüzey sıcaklığı içindir ve gerçek ısı değiştirici uygulamasında yüzeydeki ısı akısı ve sıcaklık değişkendir. 
İnceleme tipik bir yaz uygulaması için yapılmıştır. Dışardan alınan sıcak taze hava sıcaklığı 35oC ve iç ortamdan dışarı atılan soğuk egzoz havası sıcaklığı 25oC alınmıştır. İncelenen ısı değiştiricinin uygulama şartlarına yönelik olarak laminer akışta Reynolds sayısı 200-2000 aralığında değiştirilmiştir. İnceleme farklı kanal en-boy oranları ve iki farklı kanal malzemesi (polipropilen ve çelik) için yapılmıştır. 
HAD analizleri hidrodinamik açıdan standart korelasyonlar ile daha uyumlu sonuçlar vermiştir. Ancak; gelişmekte olan akış bölgelerinin, kanal duvarındaki ısı iletiminin, değişken akışkan özelliklerinin ve 3-boyutlu etkilerin dahil edildiği 3-boyutlu HAD analizinden elde edilen ısı transferi miktarı standart korelasyonlara göre daha yüksek elde edilmiştir. Analitik hesaplamalarda ayrıca sabit ısı akısı kabulüyle bulunan sonuçların HAD analizi sonuçlarına daha yakın olduğu görülmüştür. HAD analiz sonuçları kullanılarak kanal tipi karşıt akışlı ısı değiştirici için Nusselt sayısı korelasyon denklemleri Reynolds sayısının ve en-boy oranının fonksiyonu olarak elde edilmiştir. Bunlara ilaveten, ısı değiştirici ısıl-akış performansı Reynolds sayısı, Nusselt sayısı ve sürtünme katsayısının bir fonksiyonu olarak incelenmiştir.

Abstract:
In this thesis, the heat transfer of the counter-flow duct type heat exchanger used as a heat recovery unit in air conditioning units was investigated by 3-dimensional CFD (Computational Fluid Dynamics) analyzes. In the ventilation of indoor environments, while fresh air is taken into the indoor environment, heating/cooling is performed depending on the winter/summer application. Some of the heat required for this heating/cooling process is provided in a heat recovery heat exchanger by using the exhaust air, and energy savings are obtained.
The channel geometry and operating conditions in the study were taken from the real application, including the developing flow regions. The heat conduction through the channel walls is also included in the 3-dimensional CFD model, and the heat transfer amount of the heat exchanger in real application is calculated. In the CFD model, analyzes were made for one quarter of one hot and one cold channel by considering the symmetry conditions. CFD analyzes were performed at steady state conditions by including the change of fluid properties with temperature.
The CFD analysis results were compared with the logarithmic mean temperature difference (LMTD) method, which is the analytical thermal-flow calculation method for heat exchangers. Standard hydrodynamic correlations and Nusselt number correlations in the literature were used in analytical calculations. While Nusselt number correlations given in literature are for constant surface heat flux or constant surface temperature, the heat flux and temperature at the surface are variable in real heat exchanger applications.
The investigation was conducted for a typical summer practice. The temperature of the hot fresh air taken from outside is 35oC and the temperature of the cold exhaust air is 25oC. The Reynolds number in laminar flow was changed in the range of 200-2000 for the examined heat exchanger in application conditions. The examination was made for different channel aspect ratios and two different channel materials (polypropylene and steel).
CFD analyzes yielded results that were more compatible with standard correlations in terms of hydrodynamics. However, the amount of heat transfer obtained from 3-dimensional CFD analysis, which includes developing flow regions, heat conduction in the channel wall, variable fluid properties and 3-dimensional effects, was obtained higher than standard correlations. In analytical calculations, it has also been observed that the results obtained with the assumption of constant heat flux are closer to the CFD analysis results. Using the CFD analysis results, the Nusselt number correlation equations for the duct type counter flow heat exchanger were obtained as a function of the Reynolds number and aspect ratio. In addition, heat exchanger heat-flow performance was investigated as a function of Reynolds number, Nusselt number and friction coefficient.