Kompakt plakalı ısı değiştiricilerde grafen esaslı nanoakışkanların akış ve ısı transferinin hesaplamalı akışkanlar dinamiğiyle incelenmesi
Computational fluid dynamics investigation of flow and heat transfer of graphen based nano fluids in compact plate heat exchangers
Yazar: EREN GÜRKAN EROL
Danışman: DOÇ. DR. BARIŞ GÜREL
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Grafen = Graphene ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Isı değiştiriciler = Heat exchangers ; Nanoakışkanlar = Nanofluids

Özet:
Isı değiştiriciler, günümüzde, ısıtma, soğutma, iklimlendirme, gıda, havacılık ve uzay sektörlerinde bile kullanılmaktadır. Plakalı ısı değiştiriciler, ısı değiştiricilerin önemli ve en çok kullanılan çeşitlerinden bir tanesidir. Son yıllarda, eklemeli imalat yöntemiyle plakalı ısı değiştiricilerin kompakt ve özgün geometrilerde üretilmesine olanak sağlanmış ve böylece daha küçük hacimlerde yüksek ısı transferi sağlayan kompakt plakalı ısı değiştiriciler tasarlanmış ve üretilmektedir.  Bu çalışmada kompakt plakalı ısı değiştiricilerde farklı hacimsel oranlarda grafen kullanılarak elde edilen su bazlı nanoakışkanların ısı transferi ve plaka içerisindeki basınç düşüşü değişimlerinin sayısal olarak incelenmesi amaçlandı. KPID geometrisi üzerinde deneysel doğrulama ve dört farklı y+ sayısına göre analizler yapıldı. Analizlerin sonucuna göre sayısal ağ eleman yapısı özellikleri seçildi. Isı transferi ve basınç düşüşü açısından optimum y+ değeri belirlendi. Yapılan analiz sonuçlarına göre y+=10 sayısına karşılık gelen mesh eleman büyüklüğü diğer özgün kompakt plakalı ısı değiştiriciler için analizlerde kullanıldı.
KPID ve iki özgün kompakt plakalı ısı değiştiricide ısı transferi ve akış karakteristikleri üç farklı Re sayısı için su ve üç farklı nanopartikül hacimsel oranına sahip grafen bazlı nanoakışkan kullanılarak sayısal olarak hesaplandı ve sonuçlar tablolar halinde oluşturularak yorumlandı. Bu değerlendirme sonucunda; silindirik kanatçık yapısına sahip özgün kompakt ısı değiştiricide en yüksek ısı transferi 2691 W, sinusoidal akış dağılımına sahip özgün kompakt ısı değiştiricide en düşük ısı transferi 328 W, silindirik kanatçık yapısına sahip özgün kompakt ısı değiştiricide en yüksek basınç düşüşü 22437 Pa, sinusoidal akış dağılımına sahip özgün kompakt ısı değiştiricide en düşük basınç düşüşü 52 Pa gerçekleşmiştir. 
Yapılan analizlerin sonuçları değerlendirildiğinde Reynold sayısı, geometri değişimi ve nanoakışkan hacimsel oranının ısı transferinde ve basınç düşüşü üzerinde etkili olduğu görülmüştür. Bu faktörlerin etki sıralaması büyükten küçüğe: Reynold sayısı, geometri değişimi ve nano akışkan hacimsel oranı şeklindedir. Ayrıca yüksek ısı transferine sahip silindirik kanatçık yapısına sahip özgün kompakt ısı değiştirici geometrisinde maksimum basınç düşüşü olduğu ortaya çıkmıştır. Bu sebeple nanoakışkan kullanımı sırasında geometrinin uyumlu olup olmaması dikkat çekmektedir. Isı transferini arttırmak için nanoakışkan hacimsel oranını sürekli arttırmanın, sadece belirli bir sınıra kadar doğru olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
Heat exchangers are nowadays used in the heating, refrigeration, air conditioning, food, aerospace and even aeronautics sectors. Plate heat exchangers are one of the most important and widely used types of heat exchangers. In recent years, additive manufacturing has enabled the production of plate heat exchangers in compact and unique geometries, and thus compact plate heat exchangers that provide high heat transfer in smaller volumes are designed and manufactured.  In this study, it was aimed to numerically investigate the heat transfer and pressure drop changes in the plate of water-based nanofluids obtained by using graphene at different volumetric ratios in compact plate heat exchangers. Experimental verification on the KPID geometry and analysis for four different y+ numbers were performed. According to the results of the analyses, numerical mesh element structure properties were selected. The optimum value of y+ was determined in terms of heat transfer and pressure drop. According to the results of the analysis, the mesh element size corresponding to the number y+=10 was used in the analysis for other unique compact plate heat exchangers.
The heat transfer and flow characteristics of the KPID and the two original compact plate heat exchangers were numerically calculated for three different Re numbers using water and graphene-based nanofluid with three different nanoparticle volume fractions and the results were tabulated and interpreted. As a result of this evaluation; the highest heat transfer in the original compact heat exchanger with cylindrical fin structure was 2691 W, the lowest heat transfer in the original compact heat exchanger with sinusoidal flow distribution was 328 W, the highest pressure drop in the original compact heat exchanger with cylindrical fin structure was 22437 Pa, and the lowest pressure drop in the original compact heat exchanger with sinusoidal flow distribution was 52 Pa. 
When the results of the analyzes are evaluated, it is seen that Reynolds number, geometry change and nanofluid volume fraction are effective on heat transfer and pressure drop. The order of influence of these factors is: Reynolds number, geometry variation and nanofluid volume fraction. It was also found that the unique compact heat exchanger geometry with cylindrical fin structure with high heat transfer has maximum pressure drop. For this reason, the compatibility of the geometry during the use of nanofluid draws attention. It was found that continuously increasing the nanofluid volumetric ratio to increase heat transfer is correct only up to a certain limit.