Yatay mikrokanatlı borularda kaynama ısı taşınım katsayısının ve basınç düşümünün araştırılması
Investigation of boiling heat transfer coefficient and pressure drop in horizontal microfin tubes
Yazar: ALİ CELEN
Danışman: DOÇ. DR. AHMET SELİM DALKILIÇ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Tek fazlı akıştaki ısı transferine kıyasla daha yüksek ısı transfer katsayılarına sahip oldukları için iki fazlı akışlar ısı değiştiricisi tasarımında tercih edilen akış tipi olmuşlardır. Buna ek olarak, akışkanların aktığı yüzeylerin alanlarının arttırılması ise pasif ısı transferi iyileştirme yöntemleri arasında en çok uygulanan yöntemlerden biridir. Artan yüzey alanı ile birlikte ısı transfer katsayısı ve basınç düşümü de artmaktadır. Bu çalışmada, kaynamalı akış şartlarında mikrokanatlı boru kullanımıyla meydana gelen ısı transferi ve basınç düşümündeki artış deneysel olarak incelenmiş olup, ısı taşınım katsayısının ve sürtünme kaynaklı basınç düşümünün tahmini için korelasyonlar geliştirilmiştir.
Altı ana bölümden oluşan tezde ilk bölümde daha önceki araştırmacılar tarafından konu ile ilgili yapılan çalışmalara ve sonuçlarına yer verilmiştir.
İki fazlı akışlarda kullanılan temel ifadelere, boyutsuz sayılara ve korelasyon geliştirme yöntemine ikinci bölümde yer verilmiştir. Bunlara ek olarak, korelasyon geliştirmek için kullanılan regresyon analizi yöntemi anlatılmış olup bu yöntemde kullanılacak parametreler tanımlanmıştır.
Deneysel düzeneğinini tasarımı, kullanılan ekipmanlar, deneylerin yapılış yöntemi, deneysel veriler için hesaplama yöntemi ve mikrokanatlı boruya ait geometrik özellikler üçüncü bölümde verilmitştir.
Sıvı R134a ile yapılan doğrulama, kaynama ısı taşınım katsayısı ve basınç düşümü deneylerine dördüncü bölümde verilmiştir. Kütlesel akının (190-381 kg/m2s1), kuruluk derecesinin (0.21-0.77), doyma sıcaklığının (15-22ᵒC) ve ısı akısının (10-15 kW/m2) kaynama ısı taşınım katsayısına ve toplam basınç düşümüne etkisi verilmiş olup, aynı şartlarda düz ve mikrokanatlı boru için yapılan deneyler karşılaştırılmıştır. Deneyler sonucunda ısı taşınım katsayısında 1.9 kata kadar artış sağlanırken basınç düşümünde ise 2.3 kata kadar artış gözlemlenmiştir. Performans değerlendirme kriteri olarak ısı taşınım katsayısı oranı, basınç düşümü oranı, birim basınç düşümü için ısı taşınım katsayısı ve iyileştirme faktörü birer performans parametresi olarak göz önüne alınmıştır. Bunlara ek olarak, bir buharlaştırıcıda düz ve mikrokanatlı boru kullanımının maliyeti hesaplanmış ve yıllık değer metodu kullanılarak değerlendirilmiştir. Deneysel sonuçlar kullanılarak düz ve mikrokanatlı borularda kaynamalı akış şartlarında kullanılmak üzere ısı taşınım katsayısı ve sürtünme kaynaklı basınç düşümünün tahmini için farklı tipte korelasyonlar geliştirilmiştir.
Deneysel olarak elde değerlere ait değerlere ait belirsizlik analizi yapılmış ve beşinci bölümde verilmiştir.
Doktora tezine ait sonuçlar ve öneriler altıncı bölümde verilmiştir.

Abstract:
Two phase flows have been preferred flow type in heat exchanger design because of their higher heat transfer coefficient compared to single phase flow. In addition, increment surface area of flow is one of the most applied techniques among the passive heat transfer enhancement techniques. The heat transfer coefficient and pressure drop increases with the increment of surface area. In this study, the increment in heat transfer coefficient and pressure drop with the usage of microfin tube was experimentally investigated for flow boiling conditions and correlations were developed in order to determine convective heat transfer coefficient and frictional pressure drop.
The thesis consists of six main chapters and the studies and results performed by previous researchers was presented in the first chapter.
The fundamental expressions, dimensionless numbers and correlation development method were mentioned in the second chapter. Moreover, regression analysis methods is presented and the parameters which is used in this analysis were identified.
Experimental setup design, measurement equipments, experimental procedure, calculation method for experimental data and geometrical specifications belonging to microfin tube were given in the third chapter.
Validation experiments carried out with liquid R134a, flow boiling heat transfer and pressure drop experiments were given in the fourth chapter. The effect of mass flux (190-381 kg/m2s1), vapor quality (0.21-0.77), saturation temperature (15-22ᵒC)  and heat flux (10-15 kW/m2) on boiling heat transfer coefficient and pressure drop is presented and the results of smooth and microfin tubes compared for the same experimental conditions. The experiments revealed that heat transfer coefficient is increased up 1.9 times and pressure drop is increased up to 2.3 times. Heat transfer coefficient ratio, pressure drop ratio, heat transfer coefficient per pressure drop and enhancement factor are considered as performance evaluation criteria. Moreover, the cost of smooth and microfin tubes usage in an evaporator was determined and evaluated by using annual cost method. Different type of heat transfer coefficient and frictional pressure drop correlations are developed for flow boiling conditions by using experimental results in this chapter.
Uncertainty analysis was performed for experimental parameters and they are given in the fifth chapter.
The conclusion and recommendations are given in the sixth chapter.