Mini kanallı ısı değiştiricilerinin farklı tasarım parametrelerine göre performansının ve donma probleminin deneysel incelenmesi
Experimental investigation of performance and freezing problems according to different design parameters of mini channel heat exchangers
Yazar: ENDER GÜL
Danışman: PROF. DR. LÜTFULLAH KUDDUSİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde, klima uygulamalarında rekabetçiliği artırmak için geleneksel kanalların dışında daha küçük kanallar kullanılmak istenmektedir. Bu sayede akışkan ile borular arasında ısı transferi alanını artırmak ve sonuç olarak aynı performansı alabilecek daha küçük ısı değiştiriciler kullanmak veya aynı boyuttaki bir ısı değiştirici ile daha yüksek kapasite ve verimlilik etmek mümkündür. 
Mini kanallı ısı değiştiriciler, birçok klima üreticisi tarafından sadece soğutma yapan ürünlerinde sıklıkla kullanılmaktadır. Bununla birlikte, hem ısıtma hemde soğutma yapan ürünler kullanılmamasın nedeni ürün ısıtma modunda çalışırken ısı değiştirici üzerinde yoğuşan suyun iyi bir şekilde drenaj edilememesi sebebiyle ısı değiştirici kanatları üzerinde su birikmesidir. Biriken su, kanatlar ve hava arasında ısıl direnci artırmaktadır ve sonuç olarak ürünlerin ısıtma performansı düşmektedir. Dış ortamın aşırı soğuk ve nemli olduğu durumlarda ise, kanatlar üzerinde biriken su donmaktadır ve oluşan buz nedeniyle ısıl direnç daha da artmaktadır. Isı değiştirici üzerinde oluşan buzu eritmek için buz çözme operasyonu yapılmaktadır. Buz çözme operasyonunda ise yine ısı değiştiricilerin dreanaj performansı kötü olduğu için istenilen verim elde edilememektedir.
Bu tez çalışmasında mini kanallı ısı değiştiricilerin ısıtma modunda da çalışabilen ürünlerde kullanabilmek için, ısı değiştiricilerin sahip olması gereken özellikler belirlenmeye çalışılmıştır.  
Tez çalışması beş ana bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde; giriş, tezin amacı ve literatür araştırması kısmı yer almaktadır. Literatür araştırması bölümün birinci kısmı, mini kanallı ısı değiştiricilerin kanatlı boru tip ısı değiştiricilere göre farkları ve performansını etkileyen genel parametreler incelenmiştir. İkinci kısmında ise, mini kanallı ısı değiştiricilerde buzlanma problemiyle ilgili çalışmalar incelenmiştir.
İkinci bölümde; testlerin yapılacağı ısı değiştiriciler tanıtılmıştır, havuz testi için tasarlanan test düzeneği anlatılmıştır, hava debisi, ısıtma kapasitesi, soğutma kapasitesi ve buz çözme testlerinin yapıldığı psikrometrik tip test odaları tanıtılmıştır ve psikrometrik tip test odalarının ölçüm belirsizliği hesaplanmıştır.
Üçüncü bölümde yapılan deneysel çalışmalar anlatılmıştır. Havuz testi yapılıp sonuçları istatiski analiz programı (minitab) kullanılarak analiz edilmiştir. Hava debisi, soğutma kapasitesi, ısıtma kapasitesi ve buz çözme testleri yapılıp sonuçları analiz edilmiştir.
Dördüncü bölümde Coildesigner programı kullanılarak sayısal analiz yapılmıştır. Yapılan deneysel çalışmaların sonuçları sayısal analiz sonuçları ile karşılaştırılıp, doğruluğu kanıtlanmıştır.
Son bölümde ise tez kapsamında yapılan çalışmalar sonucunda elde edilen çıktılar özet olarak belirtilmiş  ve ileriki aşamalarda yapılabilecek çalışmalar önerilmiştir. 
Sonuç olarak; D tipi mini kanallı ısı değiştirici soğutma, ısıtma ve buz çözme performansı olarak bütün diğer mini kanallı ısı değiştiricilerden daha iyi sonuçlar elde etmiştir. Referans olarak belirlenen dalgalı tip kanatlı boru ısı değiştiriciden performansı daha kötü değildir. Ayrıca belirlenen bütün deklarasyon değerlerini müşteri memnuniyeti için belirlenen kriterleri karşılamıştır.
Buz çözme ve ısıtma performansı testinde en başarılı olan ürünler, havuz testinde de başarılı olduğu gözlenmiştir. Dolayısıyla havuz testinde etkili olan parametereler; ısı değiştiricinin ürüne açılı yerleştirilmesi ve kanat profili olduğu belirlenmiştir. Buz çözme testinde en başarılı numune olan D tipi ısı değiştirici de olduğu gibi; ısı transferini artırmak için kanatların kanal içerisinde kalan kısmı patlatmalı ve dreanajı artırmak için çıkıntılı kısmı dalgalı hibrit kanat profile sahip ısı değiştiriciler, ısıtma ve buz çözme testinde daha başarılı olabilmektedirler.

Abstract:
Today, in order to increase competitiveness in air conditioning applications, it is desirable to use smaller channels than conventional channels. In this case, it is possible to increase the heat transfer area between the fluid and the pipes and consequently to use smaller heat exchangers which can have the same performance or to have higher capacity and efficiency with a heat exchanger of the same size.
Mini-channel heat exchangers are frequently used by many air conditioners in cooling only products. However, it is not used heat pump product. Because, while the product is operating in heating mode, the condensing water on the heat exchanger can not be drained well. The accumulating water increases the thermal resistance between the fins and the air, and as a result the heating performance of the products decreases. When the outside is extremely cold and high relative humidity, the water that accumulates on the fins is freezing and the thermal resistance is further increased by the ice that forms. Defrost operation is performed to dissolve the ice that formed on the heat exchanger. In the defrost operation, however, the desired performance is not achieved because the heat exchanger has poor drainage performance.
In this thesis, it was tried to determine the properties that the heat exchangers should have in order to use mini channel heat exchangers in products which can also work in heating mode.
The thesis has five main sections. In the first chapter; it contains introduction, thesis purpose and literature search. In the first part of the literature search, the differences in the mini channel heat exchangers versus the finned tube heat exchangers and the general parameters affecting to mini channel heat exchangers' performance have been examined. In the second part, studies on the problem of icing in mini channel heat exchangers has been examined.
In the second chapter; The heat exchangers which will be tested are described, the new designed test module which pool test will be done is described, the psychometric type test chambers where the air flow, the heating capacity, the cooling capacity and the defrosting tests will be performed are introduced and the measurement uncertainty of the psychometric type test chambers is calculated.
In the third chapter; experimental studies are explained. The pool test was performed and the results were analyzed using a statistical analysis program (Minitab). Air flow, cooling capacity, heating capacity and defrosting tests were performed and the results were analyzed.
In the fourth chapter, numerical analysis was done by using 'coildesigner' program. The results of the experimental studies are compared with the results of the numerical analysis and the accuracy is proved.
In the last part, the outputs obtained as a result of the studies made within the scope of the thesis are summarized and studies that can be done in the future are proposed.

As a result of the studies;
•	In the pool test, it is seen that the wavy finned-tube type heat exchanger with the minimum water for the unit fin area.
•	S1 and S2 heat exchangers are the best drainage performance within mini-channel heat exchangers. The reason for this is the angular placement of heat exchangers. Therefore, in order to improve the drainage performance, it is conceivable to design the heat exchangers angled assembly into the products.
•	When Y1 and Y2 heat exchangers are scored, it has been seen that the heat exchanger's wings are only protruded without changing their profiles, which does not increase the drainage performance.
•	When the literature search and pool test results are examined, it is determined that the most important factors affecting the drainage performance are the angled placement of the heat exchangers on the product and the profile of the fins.
•	Compared to air flow rate tests, it gave the best performance D type heat exchanger. Although the wing density of the D type heat exchanger (24) is higher than the wavy type finned-tube heat exchanger (17), the fin profiles are different, so the air flow is high.
•	The heat exchanger Y1 has a higher airflow than the heat exchanger S2 with the same FPI and fin profile, but with larger fin surface area. The reason is Y1 heat exchanger is one row,  and S2 heat exchanger is designed in two rows.
•	Compared to S2 heat exchanger which conventional mini channel fin type and the wavy type finned-tube heat exchanger (both is two rows and fin surface areas in close proximity to each other), 22% more airflow is measured with wavy type finned tube heat exchanger.
•	When we compared the fin types according to air flow rate, it is seen that the best is D heat exchanger fin type, the second is wavy type finned-tube heat exchanger fin type and the worst is the conventional mini-channel heat exchangers' fin type.
•	The most important parameters affecting air flow are; fin  type, number of rows and fin density (FPI).
•	When examining the cooling capacity test results, the only mini-channel heat exchanger that achieves the specified capacity value in the reference product is type D, which has the highest performance in the airflow test too.
•	Y2 heat exchanger which meets the declaration value 99% is using 31.6% less refrigerant compared to the reference model. This supports the thesis that the amount of refrigerant required for products can be reduced by using mini channel heat exchangers, which is encountered in the literature research.
•	When examining the heating capacity test results, it is the only mini channel heat exchanger that achieves the specified capacity value in the reference product is D type heat exchanger that exhibits the highest performance in the airflow and cooling capacity tests.
•	The only difference between the design parameters of heat exchangers Y1 and Y2 is the width of the fins. Y1 heat exchanger with better drainage performance has better heating performance is measured even though the cooling performance of is lower than Y2 heat exchanger. Because, if the condensing water on the heat exchangers is not sufficiently well drained, the heat transfer to the air will be adversely affected. Because, the water on the surfaces of the fins increases the pressure drop on the air side as well as the heat transfer resistance.
•	When the defrost test result is examined, the S1 heat exchanger does not meet the highest blowing temperature (must be at least higher than 38⁰C) and the lowest blowing temperature criterias (at least higher than 33⁰C). In the other hand, all samples meet the heating operation ration comfort criteria of 80%.
•	The heat exchanger D is the most successful in the defrost test.
•	The Y1 heat exchanger defrosting test performance is higher than the Y2 heat exchanger as it was in the heating performance test.
•	During the defrost test, the defrosting operation periods must be long enough to prevent performance degradation between cycles. For this reason, it must be ensured that the temperature sensors which produces datas to algorithm which decides to start and finish the defrost operations placed at the best point on the heat exchanger.
•	The most successful products in the defrost tests have been observed to be successful in pool tests and heating capacity tests. Therefore, the parameters which are effective in the pool tests are valid in the defrost tests.
•	The most successful products in the defrosting and heating performance tests were also found to be successful in pool test. Therefore, the parameters that are effective in pool testing are; angled assembly of heat exchangers to the product and a fin profile. As well as the most successful sample in the defrosting test is the D type heat exchanger which has hybrid fin profile as the part of the fin which is in the channel has louver profile to increase the heat transfer and the remaining part has wavy profile to increase the drainage, can be more successful in the heating and defrost test. 
•	Capacity values found in the numerical analysis result; maximum 6,13% and average 2,62% in cooling conditions, maximum 6.30% and average 4,37% in heating conditions, respectively. The fact that the difference between numerical and experimental study results is low and consistent indicates that the tests made are trusted.
Proposals that may be the continuation of the studies within the scope of this thesis;
•	Drain and defrost performance of heat exchangers with different coatings can be investigated
•	A new pool design can be made and a pool test can be performed to measure drainage performance of the angled placement of the heat exchangers on the product. Numerical and experimental studies can be carried out to measure the pressure loss due to angled placement and performance and defrost tests can be carried out on the product.
•	While numerical analysis is being done, since there are no hybrid fins in the model sets, the D type heat exchanger is considered as if it has a louver profile and has been analyzed. However, since hybrid profile fins have important role to solve drainage issue, the studies can be conducted on correlations that can solve the problems with these fins.