Kanatlı borulu buharlaştırıcılarda nem alma performansının en iyileştirilmesi
Optimizing demihumidification performance of fin and tube evaporators
Yazar: SEMİH KURULAR
Danışman: PROF. DR. SEYHAN UYGUR ONBAŞIOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Yenilikçi teknolojiler günümüzde hızla çoğalmakta, gelişen teknolojiyle birlikte ihtiyaçlarımızda hızla artmaktadır. Bu sebeple her geçen gün ihtiyaçlarımızı karşılaşayabilmek için yeni ürün gamları oluşturulmakta ve yenilikçi teknolojiler ürünlere adapte edilmektedir. Özellikle artan çevre bilinciyle birlikte, yenilikçi ürünlerin teknik özelliklerinin yanı sıra enerji tüketim değerleri de kullanıcılar tarafından kritik bir özellik olmaya başlamıştır. Bununla beraber Avrupa Birliği çerçevesinde enerji verimliliğinin arttırılması kapsamında hükümetler ve sivil toplum kuruluşlarının katılımıyla birçok yeni düzenleme ve yönergeler yayınlanmaktadır.
Tüm bu faktörlere bağlı olarak üreticiler, yasal düzenlemeleri ve müşteri beklentilerini karşılayabilmek için ürünlerin teknik özelliklerinin yanı sıra enerji verimliliği üzerine de çalışmalar başlatmıştır. Enerji verimliliğinin arttırılmasının yolu ise, enerji tüketimi açısından kritik komponentlerde yenilikçi fikirlerin, uygulamaların ve optimizasyonların geliştirilmesinden geçmektedir.
Günümüzde özellikle gelişmekte olan şehirlerde çamaşır kurutma işlemi oldukça önemli bir konu haline gelmeye başlamıştır. Çamaşır kurutma makinelerinde de enerji verimliliği açısından son teknoloji olarak ısı pompası sistemleri kullanılmaktadır. Isı pompası sistemleri kompresör, buharlaştırıcı, yoğuşturucu ve kısılma valfi gibi komponentlerden oluşmaktadır. Çamaşırdan alınan nem buharlaştırıcıya getirilmekte ve burada yoğuturularak kurutma işlemi tamamlanmaktadır. Dolayısıyla, ısı pompalı kurutma sistemlerinde en kritik komponent buharlaştırıcı olarak karşımıza çıkmaktadır.
Bu yüksek lisans tez çalışması kapsamında, ısı pompalı kurutma sistemlerinde buharlaştırıcı performansını dolayısıyla enerji verimliliğini arttırmak için, su buharı yoğuşturma işleminde buharlaştırıcıya giren havanın özellikleri, buharlaştırıcı çalışma koşulu ve buharlaştırıcı kanat sıklığının buharlaştıcı performansına etkisi incelenmiştir.
Tez çalışması yedi ana bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde çalışmanın yapılmasının nedenleri, çalışmalarda izlenilen yol ve hedeflenen sonuçlar genel olarak anlatılmıştır.
Tez çalışmasının ikinci bölümünde, bahsedilen konu ile ilgili literatür çalışması yer almaktadır. Çalışma kapsamında deneysel, matematiksel ve ististiksel çalışmalar olduğundan literatür araştırması bu üç konu özelinde ayrı ayrı yapılmıştır. Yapılan literatür araştırmalarının sonucunda çalışmaların genellikle klima sektörüne ait olduğu görülmüştür. Bu sebeple yapılan çalışmalarda buharlaştırıcı kanat tipleri genellikle düz veya kesik tiptedir. Diğer bir taraftan su buharının yoğuşturulduğu sistemlerde buharlaştırıcılar genellikle soğuk su ile şartlanırken tez çalışması
xxiv
kapsamında soğutucu akışkan ile şartlanmıştır. İstatistiksel çalışmalarda ise kullanılması planlanan Taguchi deney tasarım yöntemi üzerine yoğunlaşılmıştır.
Çalışmanın üçüncü bölümünde, tez çalışmasının deneysel aşamasında kullanılan deney tesisatı anlatılmıştır. Deney tesisatındaki kapalı ve açık hava çevrimi, ölçüm için kullanılan ekipmanlar ve deneyler esnasında yapılan işlemler açıklanmıştır. Son olarak yapılan ölçümlere ait ölçüm belirsizliği analizi tamamlanıp dördüncü bölüme geçilmiştir.
Dördüncü bölümde, tez çalışması kapsamında yapılmış olan deneysel çalışmalar incelenmiştir. Deneysel çalışmalarda değerlendirme kriterleri detaylı olarak açıklanmış ve söz konusu kriterler her bir parametre özelinde ayrı ayrı değerlendirilmiştir.
Beşinci bölümde gelecek çalışmalarda da kullanılmak üzere ıslak durum hava tarafı ısı taşınım katsayısının ve Colburn j faktörün hesaplanabilmesi için bir matematiksel hesaplama yöntemi oluşturulmuştur. Sonrasında oluşturulan hesaplama yöntemiyle elde edilen sonuçlar literatürdeki benzer çalışmalarla doğrulanarak kullanılabilir hale getirilmiştir.
Altıncı bölümse ise, tez çalışması kapsamında bir istatistiksel model kurulmuş ve en iyileştirme çalışmaları anlatılmıştır. Bu kapsamda literatürden Taguchi deney tasarımı yöntemi seçilmiş ve uygulanmıştır. Sonrasında deney parametrelerinin buharlaştırıcı performansı üzerine etkileri istatistiksel olarak analiz edilmiş ve sonuçlar paylaşılmıştır.
Son olarak yedinci bölümde tez çalışmasından elde edilen sonuçlar derlenmiş ve değerlendirmeler paylaşılmıştır.

Abstract:
Nowadays innovative technologies increase rapidly and our needs raise with developing technology. For this reason, new product lines to meet our needs being created and innovative technologies are adapted to the product. Especially with the increasing environmental awareness, in addition to the technical properties of the products as well as energy consumption, it is becoming a critical feature for users. However, new regulations and guidelines are published with the participation of governmental and civil society organizations within the scope of improvement of energy efficiency in the European Union.
Manufacturers with respect to these factors, has begun work on the regulatory and product specifications to meet customer expectations as well as energy efficiency. Improving energy efficiency will be possible by the innovative ideas and optimizations in the development of critical components.
At the present time washing drying process was started to become very important in developing cities and heat pump systems are used in tumble dryers as the latest technology in terms of energy efficiency. Heat pump systems contain compressor, evaporator, condenser and throttling valve. In the heat pump dryers, moisture is removed from the laundry and it is brought to the evaporator. Therefore, the most critical component is evaporator in the heat pump system.
In this study, for increasing the performance of evaporator dehumidifiying system, the effects of the evaporator temperature, air inlet conditions and FPI value are investigated with respect to energy efficiency.
This thesis study is composed of seven main chapters. In chapter one, motivation and aim of this study were explained in general terms as an introduction.
A literature search was performed and represented in the second chapter. Literature research were outlined three different type of examination and these are experimental, analytical and statistical analysis. The results of the literature research were generally considered to belong to the air conditioning industry. For this reason, evaporators fin types are used in these studies as plate or slit. On the other hand, the evaporators is generally conditioned with cold water in the literature, however in this thesis evaporator is conditioned with R134a refrigerant. Taguchi experimental design method was outlined in the statistical analysis section of literature research.
In chapter three, the experimental setup used in the study is described in detail. Furthermore, sensors and equipments were used in this setup are explained. At the end of the chapter, the air flow rate correlation and uncertainty analysis were detailed.
xxvi
In the fourth chapter, experimental anaylsis were done within this thesis were described. The effects of evaporator temperature, air inlet conditions and FPI value on the dehumidifying performance were investigated.
The result of the experimental studies were evaluated according to three criteria. These are ECR (energy condensation ratio), latent - sensible heat transfer ratio and dimensionless condensation rate.
In chapter five, air side wet condition heat convection coeffient and Colburn j factor correlations were investigated with respect to be used in future studies. The results obtained by the calculation method has become established after verifying be used with similar studies in the literature.
In the sixth chapter, a statistical model were investigated and optimization studies were published. Taguchi experimental design method was selected from the literature as statistical model. The effects on dehumidification performance of evaporator following experimental parameters were analyzed statistically and the results were published.
The highest air side wet condition heat convection coeffient and Colburn j factor value has been demonstrated in the best working conditions.
In the final chapter results of this study have been evaluated and suggestions have proposed.
As a summary of this thesis;  Air inlet relative humidity ratio has major effects on the ECR, latent - sensible heat transfer ratio and dimensionless condensation rate. Depending on the increase of the relative humidity decreased ECR value. In this case the increase in relative humidity means that less energy is used to condense water vapor. On the other hand, the latent – sensible heat transfer ratio was increased with increasing amount of relative humidity. The latent – sensible heat transfer ratio was defined as the ratio of energy used to condense water vapor and energy used to cool air in this study. For this reason, increasing relative humidity cause of a greater portion of the capacity of total evaporator capacity is used to condense water vapor. The last parameter is the dimensionless condensation rate increased with increasing relative humidity.  When examining the impact of the air inlet temperature depending on the increase of the air inlet temperature decreased ECR value. Evaporator capacity is increasing due to the air inlet temperature and the air transport more water vapor with increasing air inlet temperature with respect to the same relative humidity value. As a result more water vapor transport means more condensation. The latent – sensible heat transfer ratio and dimensionless condensation rate was increased with increasing air inlet temperature.  Evaporator temperature has minor effects on the evaporator dehumidification performance. ECR values were increased with increasing evaporator temperature. Due to the fact that increasing evaporator temperature is caused reducing the amount of condensed water vapor. The latent – sensible heat transfer ratio was not affected by the change of evaporator temperature. In this case dimensionless condensation rate was decreased with increasing evaporator temperature.  By looking at the result of evaporator air inlet flow rate, it can be inferred that the increase in evaporator air inlet flow rate results decrease in ECR. The
xxvii
latent – sensible heat transfer ratio is reduced while ECR values increased. As an additional information, the amount of water vapor condensation has blocked the fin intervals in some cases of high FPI value situations. Dimensionless condensation rate were positively affected by the increasing air inlet flow rate in the general sense.  Because of the decrease in ECR values by evaporator with the increase of FPI values. The latent – sensible heat transfer ratio was not affected by the change of evaporator FPI value. Dimensionless condensation rate was increased with increasing evaporator FPI values.  Air side wet condition heat convection coeffient and Colburn j factor correlations were investigated. Correlations were compared with similar studies in the literature. Comparison of results; Pirompugd et al [1] calculations were shown compliance with this study values in the 11% maximum error.  Colburn j factor (jh) with increasing value of relative humidity has increased in a way close to linear. The effect on the evaporator temperature jh has been negative. Increasing the evaporator temperature decreased jh values. Jh were positively affected by the increasing air inlet flow rate, air inlet temperature and FPI values was increased.  Statistical analysis were compared with BALIOĞLU [7] 2k experimental design method. In comparison, the highest wet condition convection heat transfer coefficient was obtained with the same parameter combination.  The least effective parameter was evaporator temperature while, the most effective parameter was relative humidity on the wet condition heat convection coefficient. As well as the combination in which the maximum wet condition convection heat transfer coefficient was 15,9 FPI value, 35 °C air inlet temperature, 50 l/s air inlet flow rate, 25 °C evaporator temperature and % 90 relative humidity.  The ineffective parameter was air inlet flow rate while, the most effective parameter was relative humidity on the Colburn j factor. As well as the combination in which the maximum Colburn j factor value was 12,7 FPI value, 38 °C air inlet temperature, 50 l/s air inlet flow rate, 25 °C evaporator temperature and % 90 relative humidity. As a continuation of this study is thought to be useful in the following proposals:  The critical issue, working on the two - phase refrigerant side heat transfer coefficient calculation will improve the accuracy of all calculation.  The calculations in the literature that frequently occurs in a similar structural experimental parameters used to be described as a test matrix and new validation experiments performed with thesis calculation method will be useful.  The statistical method which used in thesis can be compare with other statistical methods in the literature.