Kapalı bir kabin içerisinde düz kanatlı borulu ısı değiştiricilerin ısıl performanslarının deneysel ve teorik olarak incelenmesi
Experimental and theoretical investigation of straight fin and tube heat exchangers thermal performances in a closed cabin
Yazar: ÖMER ALP ATİCİ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. SERTAÇ ÇADIRCI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Enerji üretimi ve tüketimi arasındaki ilişki birçok insan tarafından araştırma konusu olmuştur. Dünya nüfusundaki artış, gelişen teknoloji ve yenilikler sonucunda gereksinimler artmakta daha çok enerji üretme gerekliliği kaçınılmaz olmaktadır. Üretimin arttırılması için temel girdilerin başında enerji gelmektedir. Aynı zamanda üretilen ürünlerin kullanımı sırasında da enerji gereklidir. Dolayısıyla, üretimden tüketime hayatın her noktasında ihtiyaç duyulan enerji kıt bir kaynaktır. Enerji verimliliği ise dünya kaynaklarının korunması ve sürdürülebilirliği açısından önem arz etmektedir. 
Enerji tüketimi ülkemizde en çok sanayi alanında ardından meskenlerde gerçekleşmektedir. Meskenlerde en çok enerji tüketen cihazlara bakıldığında ilk sıralarda beyaz eşyalar gelmektedir. Beyaz eşyalar içinde soğutucu cihazlar, diğer beyaz eşya ürünlerine göre daha fazla çalıştıklarından enerji tüketiminde önemli bir paya sahiptirler. 
Soğutucu cihazların neredeyse tümü buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi esasına göre çalışmaktadırlar. Soğutma çevriminde kompresör, genleşme elemanı, yoğuşturucu ve buharlaştırıcı olmak üzere dört temel eleman bulunmaktadır. Yoğuşturucu ve buharlaştırıcılar ısı değiştiriciler olup, buharlaştırıcılar bulundukları ortamdan ısı geçişi yaparlar, yoğuşturucular ise bulundukları ortama ısı geçişi yaparlar.
Buharlaştırıcılar kanatlı borulu olabileceği gibi, plaka tipinde, gövde borulu ya da lamelli olabilirler. Kanatlı borulu ısı değiştiricilerin kanatlı yapıları düz, şaşırtmalı, dalgalı şekilde de olabilirler.  
Tez çalışmaları kapsamında ise soğutucularda en çok kullanılan buharlaştırıcı tiplerinden düz kanatlı borulu ısı değiştiricilerin ısıl performansları incelenmiştir. Isıl performanstan kasıt, soğutma kapasitelerinin karşılaştırılmasıdır. Bu karşılaştırmada ısı değiştiricilerin geometrik parametreleri ve soğutucu cihaz çalışma koşulları etkileri incelenmiştir.
Literatürde kanatlı borulu ısı değiştiriciler, ısı değiştirici çalışma sıcaklığına göre iki şekilde incelenmiştir. Birincisi ısı değiştiricilerin çalışma sıcaklıklarının havanın çalışma sıcaklığından daha yüksek olduğu durumlardır. Bu durum tez çalışmasında ve literatürde kuru şart olarak adlandırılmış ve incelenmiştir. İkinci durumda ise ısı değiştirici çalışma sıcaklığı, ısı değiştirici üzerinden geçen havanın sıcaklığından daha düşük olduğu durumlardır. Bu durum da ıslak şart olarak tez çalışmasında adlandırılmış ve incelenmiştir. Ancak bahsedilen bu iki durum, ısı değiştiricilerin mevcutta kullanıldığı yerlerde yapılmış çalışmalar olmayıp, genellikle rüzgâr tüneli cihazlarından kurulmuş deney düzeneklerinde, mevcutta karşılaşılmayan şartlarda yapılmış deneylerdir.
İncelenen bu iki durumda görülmüştür ki ıslak ve kuru şartlarda, rüzgâr tünelinde yapılan çalışmalar soğutucu cihazlarda seçilecek ısı değiştiriciler için yeterli sonuçları vermemektedir. Bu sebeple literatürde, gerçek çalışma şartlarında diye adlandırılmış, soğutma cihazları üzerinde, soğutucu cihaz çalışma sıcaklıklarında, soğutucu cihaz hava debilerinde çalışmalar da yapılmıştır.
Tez çalışmasında da amaç, ticari evsel bir soğutma cihazında kullanılan mevcut kanatlı borulu ısı değiştirici seçiminde etkili olan geometrik parametrelerin ve soğutucu cihaz çalışma şartlarının, soğutma kapasitesi üzerinde etkisini belirlemek olmuştur. 
Isı değiştirici geometrik parametreleri ve soğutucu cihaz çalışma şartlarının etkileri incelendikten sonra, tez çalışmalarında bahsedilen soğutucu cihaz içinde kullanılabilecek ısı değiştiricileri belirlemek için deneysel olarak bulunan hava tarafı taşınım katsayılarından boyutsuz olarak Nusselt sayısı bulunmuştur ve ε-NTU yöntemi kullanılarak bir matematik model oluşturulmuştur.
Tezin ilk kısmında enerji tüketiminin sektörlere ve meskenlere göre dağılımı anlatılmış olup, enerjiyi sürdürülebilir hale getirmek için müdahale etmemiz gereken tüketim noktaları belirtilmiştir. Özellikle evsel kullanımlarda da çok yaygın olan soğutucular, enerji tüketimi olarak çok göz önünde olan cihazlardır.
Yine ikinci kısımda düz kanatlı borulu ısı değiştiricilerin geometrik özelliklerinin nasıl hesaplandığı anlatılmış, tez çalışmalarında kullanılan ısı geçişi hesapları paylaşılmış ve tez çalışmaları sonunda kurulan matematik modelde kullanılan hesaplamalar anlatılmıştır.
Tez çalışmalarının üçüncü bölümünde literatür araştırmaları sonucunda kanatlı borulu ısı değiştiriciler ile ilgili yapılan çalışmalar özetlenmiştir. Literatür özetlerinde incelenen ısı değiştiricisi parametrelerinden, bu parametrelin hava tarafı taşınım katsayısına ya da soğutma kapasitesine olan etkisi özetlenmiştir. Ayrıca tez çalışmaları kapsamında da çalışıldığı üzere, hava tarafı taşınım katsayılarını elde etmek için ortaya atılan Nusselt sayılarının ya da Colburn faktörlerinin formülleri bir çizelge halinde sunulmuştur.
Tez çalışmalarının dördüncü bölümünde tez çalışmaları kapsamında yapılan deneysel çalışmalardan bahsedilmiştir. Deneysel çalışmalar, mevcutta kullanılan bir ticari evsel soğutucu cihaz kullanılarak yapılmıştır. Bu evsel soğutucu cihazın taze gıda bölmesi soğutmasını sağlayan kanatlı borulu ısı değiştirici geometrik parametleri değişiminin ve soğutucu cihaz çalışma şartlarının soğutma kapasitesi üzerinde etkisi incelenmiştir. Bu geometrik parametreler kanatlı borunun pas sayısı, kanat aralıkları ve boruların dizilim şeklidir. Boruların dizilimi hava akışı boyunca düz ya da şaşırtmalı olabilir. Ayrıca soğutucu cihazın hava hızları değiştirilerek ve ısı değiştiricinin çalışma sıcaklıkları değiştirilerek de soğutma kapasitesi etkileri incelenmiştir.
Deney düzeneği kurulumunda ise evsel soğutma cihazın üzerinde yapısal herhangi bir değişikliğe gitmeden deney düzeneği kurulmuştur. Deney düzeneğinde herhangi bir ölçüm aletinin yeri değiştirilmemiş olup, sadece geometrik parametrelerin değişiminin incelenmesi için ısı değiştiricilerin yeri değiştirilmiştir. Isı değiştirici üzerinden geçen havanın giriş ve çıkışına ısıl çiftler ve bağıl nem sensörleri kullanılarak havanın entalpileri hesaplanmıştır. Hava hızları da annubar fark basınç ölçer cihaz ile ölçülmüştür. Bu ölçümler sayesinde havanın entalpi değerleri bulunmuştur ve soğutma kapasiteleri hesaplanmıştır.
Deneysel çalışmalar sonunda soğutma kapasitelerinin hesaplanması ardından, ısı değiştiriciye giren çıkan antifriz su sıcaklıkları da ölçülerek logaritmik fark formulü ile hava tarafı taşınım katsayıları belirlenmiştir. Bu taşınım katsayıları ile geometrik parametrelerini inceleyemediğimiz ısı değiştiricilerin de soğutma kapasitelerini belirlemek için hava tarafı taşınım katsayıları ile Nusselt bağıntısı elde edilmiştir. Bu Nusselt bağıntısı ile ε-NTU yöntemiyle diğer soğutma kapasitelerinin elde edildiği matematik model oluşturulmuştur.
Tez çalışmalarının beşinci bölümünde ise deney sonuçları incelenmiştir. Öncelikli olarak ısı değiştirici geometrik değişimlerinin soğutma kapasitelerine olan etkileri incelenmiştir. Deneysel çalışmalar sonunda pas sayısı arttığında soğutma kapasitesinin arttığı gözlemlenmiştir. Kanat aralıkları azaldığında soğutma kapasitesinde yine artış görülmüştür. Bu iki parametrede soğutma kapasitesinin artırma sebebi olarak ısı geçişi alanının artması olduğu tespit edilmiştir.
Isı değiştiricilerin geometrik değişimlerinde başka bir parameter olan boru dizilimleri incelendiğinde, akış boyunca şaşırtmalı boru dizilimli ısı değiştiricilerin, düz boru dizilimlerine göre soğutma kapasiteleri daha yüksek olmuştur. 
Isı değiştirici geometrik parametreleri dışında soğutucu cihazın çalışma şartları incelenerek de soğutma kapasiteleri incelenmiştir. Soğutma cihazı hava hızı değişiminde ise hava hızı arttıkça soğutma kapasitesinde artış gözlenmiştir. Ayrıca ısı değiştirici çalışma sıcaklıkları değişiminin soğutma kapasitesine etkisi incelenmiştir. Isı değiştirici sıcaklığı azaldıkça soğutma kapasitesinde artış gözlenmiştir.
Tez çalışmasının beşinci bölümünde deneysel parametrelerin teker teker incelendiği durum haricinde ikili etkileri de incelenmiştir. Parametrelerin tekil etkilerinde en baskın parametre olarak su sıcaklığı bulunmuştur. Ardından hava hızı soğutma kapasitesi üzerinde en baskın parametre olarak bulunmuştur. Boruların dizilim yapısı ise soğutma kapasitesi üzerinde üçüncü en baskın parametre olarak bulunmuştur. Pas sayısı ise dördüncü en baskın tekil parametredir. Isı değiştirici çalışma sıcaklığı ve pas sayısının ikili etkisi, ikili etmenler arasında en baskın parametredir. Ardından pas sayısı ve kanat aralıklarının ikili etkisi, ikili parametreler içinde soğutma kapasitesini en çok etkileyen parametredir. İncelenen kanat aralıkları ise soğutma kapasitesine en az etkiyi yapmıştır.
Deney sonuçlarında parametreler incelendikten sonra, son olarak deneysel çalışmalarda incelenmeyen ısı değiştiricilerin de soğutma kapasitesini bulmak için Nusselt bağıntısı bulunmuştur. Bu bağıntı literatür çalışmalarında olduğu gibi deneysel çalışmalarda kullanılan ısı değiştiricilerin geometrik sınır şartlarına ve ısı değiştirici üzerinden geçen hava hızına bağlı olup, soğutma kapasitesi üzerinde önemli etkenlerdir. Elde edilen bu Nusselt bağıntısı ile soğutma kapasitesi çözümünde ε-NTU yöntemi kullanılmıştır. ε-NTU yönteminin kullanılması gerekliliği ısı değiştiriciden çıkan akışkanların çıkış sıcaklıkları bilinmemesinden kaynaklanmaktadır. Yöntemde akışkanların çıkış sıcaklıkları itere edilerek bulunmaktadır ve bu sayede soğutma kapasiteleri hesaplanmıştır.
Deneysel sonuçların son bölümünde de birbiri yerine kullanılabilecek alternatif ısı değiştiriciler belirlenmiştir. Daha yüksek çalışma sıcaklıklarında ya da daha az hava hızı ile çalışabilecek ısı değişiriciler belirlenmiştir.

Abstract:
The relationship between energy production and consumption has been the subject of much research by many people. As the world population increases, developing technologies and innovations increase, the necessity of generating more energy is inevitable. Energy is at the forefront of basic inputs to increase production. At the same time, energy is also required when using the products produced. Therefore, the energy required from every point of life is a scarce resource. Energy efficiency is also important for the preservation and sustainability of world resources.
Energy consumption in industrial areas and in residential areas has the largest share in the total energy consumption of our country. When you look at the most energy-consuming devices in the houses, home appliances come first. Cooling appliances in home appliances have a significant share of energy consumption because they work more than other home appliances products.
Almost all of the refrigerating appliances operate on the basis of the vapor compression refrigeration cycle. In the refrigeration cycle, there are four basic elements: compressor, expansion element, condenser and evaporator. The condenser and the evaporator are heat exchangers, the evaporators make heat transfer from the medium where they are, and the condensers make the heat transfer when they are present.
Evaporators may be finned tubular, plate type, shell and tube or lamellar. The finned structures of finned tube heat exchangers can also be flat, staggered, wavy.
Within the scope of these thesis, the thermal performances of flat-finned tube heat exchangers have been examined from the most used evaporator types in household cooling appliances. Thermal performance is the comparison of cooling capacities. In this comparison, the geometrical parameters of the heat exchangers and the operating conditions of the refrigerating device were investigated.
In the literature, finned tube heat exchangers have been investigated in two ways according to the heat exchanger operating temperature. The first is where the operating temperatures of the heat exchangers are higher than the operating temperature of the air. This has been called and studied as a dry condition in the thesis study and in the literature. In the latter case, the heat exchanger operating temperature is lower than the temperature of the air passing through the heat exchanger. This condition was named and examined in the thesis study as a wet condition. However, these two cases are not experiments where heat exchangers are used in the present, but they are experiments which are made in conditions that are not available in the current experimental apparatus, which are generally constructed from wind tunnel apparatus.
These two cases have been observed in wet and dry conditions, work in the wind tunnel does not give enough results for the heat exchangers to be selected in the cooling devices. For this reason, in the literature, it has been worked on household cooling devices, which are named under real working conditions, at the operating temperatures of the refrigerating device and in the air coolers.
The aim of the thesis work was to determine the geometrical parameters that are effective in selecting the existing finned tube heat exchanger used in a real domestic cooling device and the effect of cooling device operating conditions on the cooling capacity.
After examining the effects of heat exchanger geometric parameters and refrigerant operating conditions, Nusselt number was determined dimensionless from the air side heat transfer coefficients which are experimentally found to determine the heat exchangers that could be used in the refrigerating apparatus mentioned in the thesis studies. At the end mathematical model was developed using the ε-NTU method.
In the first part of the thesis, the distribution of energy consumption by sectors and occupations is explained and the points of consumption which should not be intervened in order to make energy sustainable are mentioned. Coolers, which are very common especially in domestic use, are devices that make the most energy consumption.
In the second part of the thesis, heat exchangers are generally mentioned. Within the scope of the thesis studies, evaporator types are mentioned and the flat finned tube heat exchangers examined in the thesis studies.
In the second part, it is explained how geometric properties of flat finned tube heat exchangers are calculated, heat transfer equations used in thesis studies are explained, and calculations using mathematical models established at the end of thesis studies are explained.
In the third part of the thesis studies, literature studies have summarized studies on finned tube heat exchangers. The effect of this parameter on the air side heat transfer coefficient or cooling capacity is summarized from the heat exchanger parameters examined in the literature summaries. In addition, the formulas of the Nusselt numbers or the Colburn factors introduced to obtain air-side heat transfer coefficients are presented in a table, as also studied in the thesis studies.
In the fourth part of the thesis studies, experimental studies made within the scope of thesis studies are mentioned. Experimental studies have been carried out using an existing domestic cooling device. The variation of the geometric parameters of the finned tube heat exchanger, which provides fresh food compartment cooling, and the variation of cooling device operating conditions on the cooling capacity of this household cooling device have been examined. These geometric parameters are the rust number of the tubes, the spacing of the fins and the arrangement of the tubes. The arrangement of the tubes may be inline or staggered during the air flow. In addition, the cooling capacity effects have been examined by changing the air flow of the cooling device and changing the operating temperatures of the heat exchanger.
In the experimental setup, the experimental setup was installed without any structural changes on the domestic cooling device. No measuring instrument is replaced in the test setup and only the heat exchangers are replaced to inspect the variation of the geometric parameters. The enthalpy of the air is calculated by using thermocouples and relative humidity sensors to the inlet and outlet of the air passing through the heat exchanger. The air flow is also measured with the annubar differential pressure gauge. With these measurements the enthalpy values of the air are found and the cooling capacities are calculated.
After the calculation of the cooling capacities at the end of the experimental studies, the antifreeze water temperatures entering the heat exchanger were also measured and the logarithmic temperature difference formula and the air side transport coefficients were determined. Mathematical model developed to predict the cooling capacities of the heat exchangers which we cannot examine these convection coefficients and geometric parameters, the air side heat transfer coefficients and Nusselt numbers are obtained. This mathematical model was obtained by using ε-NTU method with Nusselt relation and other cooling capacities.
In the fifth part of the thesis studies, the experimental results are examined. Firstly, the effects of heat exchanger geometric changes on cooling capacities are investigated. At the end of the experimental studies, it is observed that the cooling capacity increases when the number of tubes increases. As the fin spacing decreased, the cooling capacity again increased. In these two parameters, it has been determined that the heat transfer area increases due to the increase of the cooling capacity.
When the tube arrangement investigated, another parameter in the geometric changes of the heat exchangers, are examined, the cooling capacities of the staggered tube array heat exchangers are higher than the straight tube arrays along the flow.
Apart from the geometric parameters of the heat exchanger, the operating conditions of the refrigerating device were examined and the cooling capacities were examined. When the air flow of the cooling device is changed, the cooling capacity is increased as the air flow increases. In addition, the effect of changing the heat exchanger operating temperatures on the cooling capacity has been investigated. An increase in the cooling capacity was observed as the heat exchanger temperature decreased.
In the fifth section of the thesis study, the dual effects were examined except for the case where the experimental parameters were examined one by one. Water temperature is the most dominant parameter in the singular effects of parameters. Then the air flow was found as the second dominant parameter to the cooling capacity. The arrangement of the pipes was found to be the third most dominant parameter in the cooling capacity. The number of tubes is the fourth most dominant singular parameter. The dual effect of heat exchanger operating temperature and tube number is the most dominant parameter of the two factors. The dual effect of the number of tubes and fin spacing is the parameter that most influences the cooling capacity within the binary parameters. The fin spacings examined have the least effect on the cooling capacity.
After examining the parameters in the test results, the Nusselt correlation was found to calculate the cooling capacity of the heat exchangers, which were not examined in the experimental works. This relation depends on the geometric boundary conditions of the heat exchangers used in the experimental works as in the literature studies, and the air flow direction also has an important influence on the Nusselt relation. The ε-NTU method was used to solve the cooling capacity with this Nusselt correlation obtained. The necessity of using the ε-NTU method is because the outlet temperatures of the heat exchanging fluids are unknown. In the method, the output temperatures of the fluids are iterated and the cooling capacities are calculated.
At the end of the thesis work, alternative heat exchangers which can be used instead of each other have been determined. Heat exchangers have been identified that can operate at higher operating temperatures or with less airflow.