Sabit ve hareketli türbülatörlerin ısı transferine etkisinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of the effect of fixed and moving turbulators on heat transfer
Yazar: İLKER FIRAT
Danışman: DOÇ. DR. ŞENDOĞAN KARAGÖZ
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Basınç düşmesi = Pressure drop ; Isı geçişi = Heat transfer ; Sürtünme = Friction ; Türbülatör = Turbulator

Özet:
Amaç: Bu çalışmadaki amaç, literatürde daha önce çalışılmamış, dairesel şekilli boru içerisine yerleştirilen üç farklı açı ve sayıdaki kanatçıklı türbülatörlerin, sabit ve hareketli (kendi ekseni etrafında serbestçe dönen) durumlarının ısı transferi ve sürtünme faktörü açısından incelenerek, en iyi termal performansa sahip türbülatörün deneysel ve sayısal analizi (Ansys-Fluent 19.0) yapılarak belirlenmesidir.
Yöntem: Bu çalışmada, sürtünme faktörüne rağmen destekli boş boruya göre, ısı transferinin arttırılması, türbülanslı akış koşullarında sabit veya hareketli türbülatörler ile gerçekleştirilmiştir. Deney sisteminde iş akışkanı olarak su kullanılmıştır. Test borusuna, güç kaynağı ile 488,04 W (294 A ve 1,66 V) değerinde sabit olarak ısı verilmiştir. İş akışkanı, test bölgesinden sıcaklığı artmış olarak çıkmıştır. Deneyler 7007-13982 arasında değişen Reynolds (Re) sayılarında gerçekleşmiştir. Deneyde kullanılan dairesel şekilli test borusu, paslanmaz çelik olan Cr-Ni malzemeden imal edilmiştir ve 0,02537 m iç çapa ve 1,01 m uzunluğa sahiptir.  Test borusu, çevreye olan ısı kayıplarını minimize etmek için yalıtılmıştır. 
Veriler, 1 adet giriş ve 1 adet çıkış akışkan sıcaklığı, 8 adet yüzey sıcaklığı, giriş ve çıkış bölgesindeki basınç düşüşü ile birlikte zorlanmış taşınıma tabi tutularak alınmıştır. Veri okumaları, boş boru, destekli boş boru, sabit ve hareketli türbülatörlü durumlar için 6 farklı debide (1000 L/sa, 900 L/sa, 800 L/sa, 700 L/sa, 600 L/sa ve 500 L/sa) gerçekleşmiştir.
Ayrıca deney borusu içerisine yerleştirilen sabit veya hareketli türbülatörlerin ısı transferine ve sürtünme faktörüne etkileri deneysel olarak incelenirken, Ansys-Fluent 19.0 ile de simülasyonları yapılmıştır. 
Bulgular: Deney borusu içerisinde kullanılan tüm türbülatör modellerinin Nusselt (Nu) sayılarının, destekli boş boruda elde edilen Nu sayılarından daha yüksek olduğu ve benzer olarak tüm türbülatör modellerine ait sürtünme faktörlerinin (f), destekli boş boruda elde edilen sürtünme faktöründen daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Hem hareketli hem de sabit durumlarda, kanatçık açısı ve türbülatör sayısının artmasına bağlı olarak Nu sayısı ve sürtünme faktörünün arttığı görülmüştür. Aynı şekilde sabit türbülatör verilerinden elde edilen Nu sayısı ve sürtünme faktörü grafikleri, tüm Re sayılarında hareketli türbülatörlerin üzerinde de elde edilmiştir. Sabit türbülatörler, hareketli türbülatörlerden daha fazla ısı transferi ve sürtünme meydana getirmişlerdir.
Sonuç: Sabit türbülatörler arasında en düşük termal performans faktörü (TPF); 800 L/sa debide 700 kanatçık açılı 1 adet türbülatörlü deneylerden 1,208 ve en yüksek TPF ise; 900 L/sa debide 800 kanatçık açılı 3 adet türbülatörlü deneylerden 1,542 olarak elde edilmiştir. Hareketli türbülatörler arasında en düşük TPF; 1000 L/sa debide 600 kanatçık açılı 1 adet türbülatörlü deneylerden 1,137 ve en yüksek TPF ise; 1000 L/sa debide 800 kanatçık açılı 3 adet türbülatörlü deneylerden 1,424 olarak bulunmuştur. Bu çalışma ile elde edilen veriler göre en uygun türbülatör modelinin, 800 kanatçık açılı 3 adet sabit türbülatör olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Purpose: The aim of this study is to analyze the fixed and moving (freely rotating around its own axis) states of finned turbulators with three different angles and numbers placed in a circular shaped pipe, which has not been studied before in the literature, in terms of heat transfer and friction factor, and to determine experimentally and numerically analysis (Ansys-Fluent 19.0) the turbulator with the best thermal performance. 
Method: In this study, the increase of heat transfer compared to the supported plain pipe despite the friction factor was achieved with fixed or moving turbulators under turbulent flow conditions. Water was used as the working fluid in the experimental system. The test tube was continuously heated to 488,04 W (294 A and 1,66 V) with the power supply. The working fluid exited the test zone with its temperature increased. The experiments were carried out at Reynolds (Re) numbers varying between 7007-13982. The circular shaped test tube used in the experiment is made of stainless steel Cr-Ni material and has an inner diameter of 0,02537 m and a length of 1,01 m. The test tube is insulated to minimize heat losses to the environment.
The data were obtained by subjecting to forced convection with 1 inlet and 1 outlet fluid temperature, 8 surface temperatures, pressure drop in the inlet and outlet region. Data readings at 6 different flow rates (1000 L/h, 900 L/h, 800 L/h, 700 L/h, 600 L/h and 500 L/h) for plain pipe, supported plain pipe, fixed and moving turbulator situations has taken place.
In addition, while the effects of fixed or mobile turbulators placed in the test tube on heat transfer and friction factor were experimentally investigated, simulations were made with Ansys-Fluent 19.0.
Findings: It has been determined that the Nusselt (Nu) numbers of all turbulator models used in the test pipe are higher than the Nu numbers obtained in the supported empty pipe, and similarly, the friction factors (f) of all turbulator models are higher than the friction factor obtained in the supported empty pipe. It has been observed that the Nu number and friction factor increase depending on the increase in the blade angle and the number of turbulators in both moving and stationary situations. Likewise, Nu number and friction factor graphs obtained from the fixed turbulator data were also obtained on the moving turbulators at all Re numbers. Fixed turbulators produced more heat transfer and friction than movable turbulators.
Results: Lowest thermal performance factor (TPF) among fixed turbulators; among the experiments with 1 turbulator with 700 blade angle at 800 L/h flow rate, 1,208 and the highest TPF is; it was obtained as 1,542 from the experiments with 3 turbulators with 800 blade angles at a flow rate of 900 L/h. Lowest TPF among moving turbulators; among the experiments with 1 turbulator with 600 blade angle at 1000 L/hr flow rate, 1,137 and the highest TPF is; it was found to be 1,424 from the experiments with 3 turbulators with 800 blade angles at a flow rate of 1000 L/h. According to the data obtained from this study, it was concluded that the most suitable turbulator model is 3 fixed turbulators with 800 blade angles.