Gövde-helis sarmal borulu ısı değiştiricilerde ısıl performansın iyileştirilmesi
Thermal performance enhancement of shell and helically coiled tube heat exchangers
Yazar: ALPER GÜNGÖR
Danışman: PROF. DR. ADNAN SÖZEN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Benzetim = Simulation ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Isı değiştiriciler = Heat exchangers ; Isı geçişi = Heat transfer

Özet:
Bu çalışma kapsamında, aynı temel geometrik ölçüler kullanılarak farklı özellikte Gövde Helis Sarmal Borulu Isı Değiştiricileri (GHSBID) tasarlanmış, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) simülasyonları ve ısı değiştiricilere özgü eşitliklerden faydalanılarak bu tasarımların ısıl performans analizleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca performans iyileştirmesi amaçlı farklı uygulamalar için analizler tekrarlanarak sonuçlar klasik ısı değiştirici tasarımı ile kıyaslanmıştır. İlk olarak aynı temel ölçülerde olmak üzere dikey ve yatay yerleşime sahip olarak tasarlanan iki ısı değiştiricinin performansı incelenerek bu iki tasarım birbiri ile kıyaslanmıştır. Tez çalışmasında ele alınan yatay GHSBID, dikey tasarımdan daha iyi performans vermiştir. Daha sonra literatürde az çalışılmış, GHSBID'lerde ise çalışılmamış bir hibrit nanoakışkan olan Al2O3-TiO2/su nanoakışkanının, tasarlanan yatay ve dikey ısı değiştiricilerdeki kullanımının etkisi incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar su kullanılarak elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmış, hibrit nanoakışkan kullanımı ile ortalama ısı transferi miktarlarında %8-8,5 iyileşme olduğu hesaplanmıştır. Bir sonraki adımda yine temel ölçüleri aynı olmak kaydıyla farklı bir giriş yeri ve gövde geometrisine sahip özgün bir tasarımın ısıl performans analizleri gerçekleştirilmiştir. Son bölümde daha iyi performans verdiği görülen yatay GHSBID'ye, halka ve disklerden oluşan engeller yerleştirilmesiyle elde edilen özgün tasarımın ısıl performansı incelenmiştir. Tasarlanan engelli GHSBID laboratuvar ortamında imal edilerek deneysel olarak da incelenmiştir. Deneysel sonuçlar simülasyon sonuçları ile yakın olmuştur. Engelli ısı değiştirici tasarımı ile yatay ısı değiştiriciye göre ortalama ısı transferi miktarlarında %7,1 artış olduğu hesaplanmıştır.

Abstract:
Within the scope of this work, Shell and Helically Coiled Tube Heat Exchangers (SHCTHEX) with different specifications were designed using the same basic geometric dimensions, then thermal performance analyses of these designs were carried out by using the Computational Fluid Dynamics (CFD) approach and the equations specific to the heat exchangers. Also, the analyses were repeated for different performance enhancement techniques and the results were compared with the conventional design. First, the performance of two heat exchangers designed with the same basic dimensions, one with horizontal; one with vertical orientation, were examined and these two designs were compared with each other. Horizontal SHCTHEX evaluated in the thesis, outperformed the vertical design. Then, the effect of the use of Al2O3-TiO2/water nanofluid in the designed horizontal and vertical heat exchangers was analyzed. That fluid is a hybrid nanofluid and has been little studied in the literature and not studied in SHCTHEXs. The results obtained were compared with the results obtained using water and it was calculated that there was an 8-8.5% improvement in the average heat transfer amounts with the use of hybrid nanofluid. In the next step, thermal performance analyzes of an original design with the same basic dimensions, but with a different inlet position and body geometry, were carried out. In the last section, the thermal performance of the original design obtained by placing baffles consisting of rings and discs in the horizontal SHCTHEX, which is seen to have better performance, was examined. The designed baffled SHCTHEX was also manufactured in laboratory environment and examined experimentally. Experimental results were close to the simulation results. It has been calculated that there is a 7.1% increase in the average heat transfer amounts with the baffled heat exchanger design compared to the horizontal heat exchanger.