Çapraz akışlı (HRV) sisteminde farklı kanatçıkların ısı ve akışın deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of the heat and flow in a cross-flow (HRV) heat exchanger system
Yazar: MANSOUR NASIRI KHALAJI
Danışman: DOÇ. DR. İSAK KOTCİOĞLU
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Yapılan bu tez çalışmasında, dikdörtgen kesitli düzgün sıralı ve kaydırılmış levha düzeninde kanal içerisine yerleştirilmiş içi borulu silindirik, altıgen ve kare kanatçıklı ve kanatçıksız (CHSF) geometriye sahip yönlendiriciler içeren HRV özelliklerinde tasarlanmış çapraz akışlı ısı değiştiricisinde akış ve ısı transferi analizi deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Bu yönlendiriciler ısı değiştiricisi içerisinde alt ve üst plakalarına periyodik ve akışa dik olarak düzgün sıralı ve kaydırılmış levha düzeninde yerleştirilmiştir. Düzgün sıralı ve kaydırılmış diziler düzeninde yerleştirilmiş olan farklı yönlendiriciler kanal boyunca sistemdeki basınç düşüşü ve ısı transfer karakteristikleri farklı Reynolds sayısı aralıklarında deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Deneylerde her iki akışkanın birbirine karışmadığı deneysel çalışmada, sıcak akışkan olarak hava (?=1.164 kg/m3 ve Pr sayısı = 0.7), soğuk akışkan olarak su (?=999.98 kg/m3 ve Pr=2) seçilmiş ve farklı sıcaklık ve akışkan debilerinde alınarak ölçümler gerçekleştirilmiştir. Deneyler; su için sabit kütlesel akış debisi (6,9,12,15,ve 18) gr/s ve hava için hava hızı (2,3,5,7 ve 9) m/s aralıklarında yine sisteme giren sıcak havanın giriş sıcaklık değerleri (35,40,45,50 ve 55)o C ve farklı Reynolds sayısı aralıkların da (5000-25000) gerçekleştirilmiştir. Yine bu çalışmada Taguchi metodu kullanılarak HRV sistemindeki tasarım parametrelerinin optimum değerleri belirlenmeye çalışılmış ve buna göre [L25(53)] ortogonal deneysel plan seçilmiştir. Deneylerden elde edilen datalar bu çalışma için yazılmış olan MATLAB programında hesaplanarak gerekli analizler yapılmıştır. Sayısal akışkanlar dinamiği (CFD) ile ANSYS-FLUENT version 14.0 paket programı kullanılarak, nümerik çalışma, çapraz akışlı ısı değiştiricisinde akış ve ısı transfer karakteristikleri, üretilen vorteksler, enerji ve Navier-Stokes denklemleri çözülmek suretiyle analiz edilir. Isı değiştiricilerinde akış alanı üzerinde türbülans dalgalanmalarını modellemek, sıcaklık ve hız alanı ile türbülans ısı transfer karakteristiklerini simule için satandart türbülans modeli kullanılmıştır. CFD kodları kullanılarak hız, sıcaklık ve basınç profillerini elde etmek için çözümler gerçekleştirilmiştir. Her bir kanat geometrisi için ısı transfer ve basınç düşüşünün etkileri Reynolds sayısının fonksiyonu olarak Nusselt sayısı, sürtünme faktörünü (f), Colburn faktörü ( j) ve ısı transfer artış faktörünü (Nu/Nuo) veren korelasyonlar elde edilmiştir. Yine her bir ısı değiştiricisinin ısıl performans faktörü ( ) ve ısıl artış faktörleri (TEF) ile birlikte etkenlik ( ) ve tersinmezlik dağılım oranı nin çeşitli değerleri için entropi analizi yapılarak entropi üretim sayıları (N) Termodinamiğin I ve II kanununa göre analizler yapılarak belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar literatürle karşılaştırılmış ve literatürle uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Burada ısı transferi ve basınç düşüşü açısından en uygun geometrik modelin, kaydırılmış levha düzeninde altıgen ve kare açılı kanat modeli olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
In this thesis, the analysis of a cross flow heat exchanger having built in rectangular cross-section, inline and staggered duct with cylindrical, hexagonal and square pin-fins (CHSF) designed for the heat recovery ventilation were experimentally and numerically investigated. These pin-fins are placed as inline and staggered normal to flow and periodic to the bottom and top plates within the heat exchanger. The different pin-fins placed as inline and staggered arrays together with the pressure drop in the system along the duct/channel and the heat transfer characteristics are investigated experimentally and numerically for different Reynolds numbers steps. In the performed experiments, both of the fluids are assumed to be unmixed, where air (?=1.164 kg/m3 and Pr number = 0.7) is used as hot fluid and water (? =999.98 kg/m3 and Pr = 2) is used as cold fluid and the measurements are undertaken for the various mass flow rate and temperatures. The experiments are performed for a constant mass flow rate (6, 9, 12, 15 and 18) g/sec for water, for the speed intervals of air (2, 3, 5, 7 and 9) m/sec according to the value of air temperature entering the system (35, 40, 45, 50 and 55o C) and various Reynolds numbers (5000-25000). Also in this work, the optimum values of the design parameters of the heat recovery system were determined by using Taguchi method, where [L25(53)] orthogonal experimental plan was chosen for the optimization. The required analysis is performed based on the data which are calculated with program written in Matlab obtained in the experiments. In order to model the turbulence fluctuations over the flow field in the heat exchangers and simulate temperature and flow field together with the turbulence heat transfer characteristics the standard k-? turbulence model was used. By using computational fluid dynamics together with ANSYS-FLUENT version 14.0 package program, in this numerical work, flow and heat transfer characteristics in the cross-flow heat exchanger and generated vortices are analyzed through solving energy and Navier-Stokes equations. In order to obtain speed, temperature and pressure profiles the solutions are rationalized by using computational fluid dynamics codes. For each of fin geometry the correlations were obtained for the effect of the heat transfer and pressure drop, Nusselt number as a function of Reynolds number, friction factor (f), Colburn factor (j), heat transfer enhancement factor (Nu/Nuo) are obtained. In addition, the thermal performance factor ( ), the thermal enhancement factor (TEF), together with the various values of the effectiveness ( ) and irreversibility distribution rate ?o, the entropi generation numbers (N) are determined by using the first and second laws of the thermodynamics through the entropi analysis. The obtained results are compared with the literature and a good agreement was observed. As a result of this thesis work, based on the agreement between the experimental and numerical results, the most suitable geometric model was found to be the staggered hexagonal and square angle fin from the heat transfer and pressure drop points of view.