Isı değiştiricide üçgen profilli kanatların kullanılmasının ısı transferi ve basınç düşümüne etkilerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği ve deneysel yöntemlerle incelenmesi
Numerical and experimental analysis of heat transfer performance and pressure drop affect of using triangular fins on the heat exchanger
Yazar: HAMDİ SELÇUK ÇELİK
Danışman: PROF. DR. LATİFE BERRİN ERBAY ; DOÇ. DR. BAHADIR DOĞAN
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışma kapsamında, serpantin borulu bir ısı değiştirici modelinde üçgen profilli kanat kullanımının ısı transferi ve basınç düşümüne olan etkileri parametrik olarak, deneysel ve Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) metoduyla incelenmiştir. İncelemelerde hava tarafı Reynolds sayısının 1250-6000 aralığında dikkate alınmıştır. Deneysel çalışmalarda, ısı değiştirici gövde malzemesi; ısıtma- soğutma, otomotiv ve havacılık gibi geniş sektörlerde kullanım koşulları, imal edilebilirlik ve termoekonomik avantajları değerlendirilerek Alüminyum 5083 sınıfı olarak belirlenmiştir. Isı değiştirici dirsek malzemesi ise eklemeli imalata uygunluğu sebebiyle geniş çalışma aralıklı termoplastik olan Polyamid 12 (PA12) malzemeden imal edilmiştir. Isı değiştiriciye ait 3 boyutlu sayısal analizler için Ansys Fluent ticari yazılımı kullanılmıştır. Sayısal analiz metodolojisi ve parametreleri, analitik ve deneysel analizler ile doğrulanmıştır. Tüm deneysel analizler Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Makine Mühendisliği Enerji Laboratuvarında yer alan, hava tüneli deney düzeneğinde gerçekleştirilmiştir. Serpantin borulu kanatsız ısı değiştirici analitik, sayısal ve deneysel çalışmalar sırasında referans model olarak kullanılmıştır. Sonuçların birbiriyle uyumlu olması sonrasında, ısı değiştirici geometrisine dikdörtgen ve üçgen profilli kanatlar eklenerek, analitik, sayısal ve deneysel analizleri aynı şekilde gerçekleştirilerek, sonuçlar kıyaslanmıştır. Dikdörtgen profil kanatlı ısı değiştiricinin, üçgen profil kanatlı modele göre toplam ısı transfer yüzey alanının %3,5 daha büyük olmasına rağmen, ısı transfer performansının %5,2 ila %8,3 daha düşük olduğu ve hava tarafı basınç kaybının %5,3 ila %17 daha yüksek olduğu anlaşılmıştır.
Sayısal analiz yöntemi doğrulandıktan sonra, üçgen profilli kanat geometrisi üzerinden tasarım performans parametreleri, kanat yüksekliği (hf), kanat genişliği (wf) ve kanat adımı (pf) olarak belirlenerek, her parametreye 3 farklı değer tanımlanmış 3 farklı hava hızı değeri için parametrik yöntemle, sayısal analizler gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın sonucunda, Nusselt sayısı (Nu) ve hava tarafı sürtünme faktörü (f) için üçgen profilli kanat üzerinden belirlenmiş tasarım parametreleri ve Reynolds sayısına bağlı olan korelasyonlar geliştirilmiştir. Geliştirilen korelasyonların ortalama sapma değerleri sırasıyla %1,4 ve %4,5 olarak hesaplanmıştır.
Anahtar Kelimeler: Üçgen profilli kanat, Kanatlı borulu ısı değiştirici, Isı transfer performansı, Sayısal analiz

Abstract:
In this study, the affection of heat transfer and pressure drop by triangular fin usage on the heat exchanger which is serpentine piped, was investigated with CFD parametric numerical analyses.as 3D geometric model under the airside Reynolds number is ranging between 1250-6000. The heat exchanger main body material is selected as Aluminum 5083 concerning, manufacturability, thermo-economical advantages and availability for wide variety of sector conditions particularly for HVAC, aviation and automotive industries. The material of elbow pipes are selected from Polyamid 12 thermoplastic concerning thermal durability and convenience of additive manufacturing technology. The numerical analyses of heat exchanger was performed by Ansys Fluent commercial software. The parameters and methodology of numerical analysis was developed and verified by analytical and experimental methods. All experimental analyses were performed with air tunnel which is located in the Mechanical Engineering Energy Laboratory of Eskişehir Osmangazi University. The unfinned serpentine piped heat exchanger was firstly analyzed as a reference simple model via analytical, numerical and experimental method accordingly with manufactured sample. The results are aligned with each other and rectangular and triangular profile fins were involved in the heat exchanger model and analytical, numerical and experimental analyses were performed and the results were also compared. Although the total surface area of rectangular finned heat exchanger is higher about 3.5% than triangular finnedone, the heat transfer performance is lower between 5.2% - 8.3%. Moreover, the airside pressure drop is higher about 5.3% - 17% than triangular finned model.
Within the numerical analysis method had been validated, the design performance parameters of triangular fins were defined as fin height (hf), fin weight (wf) and fin pitch (pf). 3 pcs different values were assigned for the each parameters and numerical analyses were performed via parametric method within airside Reynolds number ranging between 1250-6000. It was concluded that the correlations were derived for Nusselt number (Nu) and airside friction factor (f) related with Reynolds number and triangular fin design parameters. The average deviations of these correlations are 1.4% and 4.5% as follows.
Key Words: Triangular fin, Finned tube heat exchanger, Heat transfer enhancement, Numerical analysis