Dairesel kanatlı boru demetlerinde farklı kanat profillerinin ısıl ve akış analizi
Thermal and flow analysis of different fin profiles in annular finned tube bundles
Yazar: EKREM TAÇGÜN
Danışman: PROF. DR. İSHAK GÖKHAN AKSOY
İnönü Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Boru demeti = Tube bundle ; Isı değiştiriciler = Heat exchangers ; Kanat = Wing

Özet:
Atık ısıdan enerji elde etmek enerji verimliliği açısından oldukça önemlidir. Geri ısı kazanım üniteleri endüstride atık ısı enerjisinden faydalanmak için sıklıkla kullanılmaktadır. Çapraz akışlı ısı değiştiricileri ise geri ısı kazanım ünitelerinin önemli bir parçasıdır. Bu bağlamda son yıllarda enerji ekonomisi açısından çapraz akışlı ısı değiştiricileri ile ilgili çalışmalar araştırmacılar tarafından oldukça ilgi görmektedir. 
Bu çalışmada içerisinde dairesel kanatlı boru demeti bulunan bir çapraz akışlı ısı değiştiricisi esas alınmıştır. Dairesel kanatlı boru demeti için farklı kanat geometrilerinin ısı transferine ve akış sürtünmelerine olan etkisi araştırılmıştır. Çalışma boyunca düz, delikli düz, kesikli ve delikli kesikli olmak üzere dört farklı dairesel kanat geometrisi sayısal olarak incelenmiştir. Tüm sayısal çalışmalar Ansys-Fluent paket programında üç boyutlu ve zamandan bağımsız olarak gerçekleştirilmiştir. Sayısal analizlerin bir temele dayanıp doğrulanması adına her bir geometri için ayrı ayı doğrulama çalışması yapılmıştır. Düz, delikli düz ve kesikli kanat geometrileri için literatürdeki benzer çalışmalar ile delikli kesikli kanat geometrisi için ise deneysel doğrulama çalışması yapılmıştır.  Deneysel doğrulama çalışması için delikli kesikli dairesel kanatlı boru demeti üretilip çapraz akışlı bir ısı değiştiricisi modeli içerisinde ısı transferi ve basınç düşümü deneyleri yapılmıştır. Sayısal analizler için doğrulama çalışmasına bağlı olarak uygun türbülans modeli seçilmiş ve analizlerde SST k-ω türbülans modeli kullanılmıştır. Sayısal analizler 5000 ile 25000 aralığında beş faklı Re sayısında gerçekleştirilmiştir. Düz kanatlar için dört, kesikli kanatlar için ise altı farklı değişken geometrik parametre belirlenmiştir. Bu dairesel kanatlı boru demeti geometrilerinin farklı değişken parametrelerdeki ısı transferi ve akış sürtünmeleri incelenmiştir. Isı transferi için boyutsuz Nu sayısı, akış sürtünmeleri için ise sürtünme faktörü olan boyutsuz Eu sayısı elde edilmiştir. Ayrıca değişken parametrelerin etkisi ile beraber kanat geometrilerinin ısı transferi ve basınç düşümü sonuçları da karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Obtaining energy from waste heat is very important in terms of energy efficiency. Recycle heat recovery units are frequently used in industry to benefit from waste heat energy. Cross-flow heat exchangers are an important part of heat recovery units. In this context, studies on cross-flow heat exchangers in terms of energy economy have attracted a lot of attention by researchers in recent years.
In this study, a cross-flow heat exchanger with a annular finned tube bundle is considered. The effects of different fin geometries on heat transfer and flow frictions for the annular fin tube bundle were investigated. At this study, four different annular fin geometries, solid, perforated solid, serrated and perforated serrated, were numerically investigated. All numerical studies were carried out in three dimensions and time-independent in the Ansys-Fluent package program. In order to validate the numerical analyzes on a basis, a separate verification study was carried out for each geometry. Solid, serrated and perforated solid fin geometries were validated with similar studies in the literature. In addition experimental validation work was carried out for the perforated serrated fin geometry. For experimental validation, perforated serrated annular finned tube bundles were produced and heat transfer and pressure drop experiments were carried out in a cross-flow heat exchanger model. For numerical analysis, the appropriate turbulence model was selected depending on the validation study and the SST k-ω turbulence model was used in the analysis. Numerical analyses were carried out in the range of five different Reynolds number 5000 to 25000.  Four different variable geometric parameters were determined for solid fin and six different variable geometric parameters for serrated fin. The heat transfer and flow frictions of these annular finned tube bundle geometries at different variable parameters were investigated. Dimensionless Nu number for heat transfer and dimensionless Eu number, which is friction factor, was obtained for flow friction. In addition, the heat transfer and pressure drop results of the fin geometries with the effect of variable parameters were also compared.