Kompakt ısı değiştiricilerde kanat tasarım parametrelerin ısı değiştirici verimine etkisi
The effect of fin design parameters on efficiency of compact heat exchanger
Yazar: ZEYNEP ÇELİK
Danışman: PROF. DR. ZEKERİYA ALTAÇ
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada şofben ısı değiştiricisi üzerinde ısıl verimi artırmak için yapılan değişikliklerin etkisi incelenmiştir. Bu tasarım değişikliklerinin, ele alınan mevcut ısı değiştiricisindeki kanat sayısını, boru profilini, kanat dış boyutlarını, boru geçiş sayısı gibi parametreleri değiştirmeden, sadece kanat üzerinde yer alan yanma gazlarının akışını düzenleyen yönlendiriciler üzerinde değişiklik yapılarak verim üzerindeki etkisi incelenmiştir. FLUENT ticari yazılımı kullanılarak bu tasarım değişikliklerinin akış ve ısıl performansını belirlemek için sayısal analizler yapılmıştır. Sayısal modelleme için gerekli sınır koşullarını belirlemek için deneysel olarak ölçülen değerler kullanılarak mevcut durum öncelikle analiz edilmiştir. Toplamda altı adet yeni kanat tipi önerilmiş ve bu önerilen kanat tipine göre oluşturulan Deneme-1, -2, -3, -4, -5 ve Deneme-6 olarak adlandırılan modellerin sayısal analizi yapılmıştır. Bu modellerden ilk dört kanat tipinde, boruların arasında ikişer adet L bükümlü yönlendirici kullanılmıştır. Bu yönlendiricilerin konumları yukarı ve aşağı olarak değiştirilerek dört farklı model (Deneme-1, -2, -3 ve -4)  oluşturulmuştur. Deneme-5 ve Deneme-6 olarak adlandırılan modellerde ise iki borunun tam arasına farklı genişliklerde hava kanalı eklenmiştir. Deneme-4, mevcut durumdan daha kötü sonuç vermiştir. Diğer modellerin ısıl verimi mevcut duruma göre sayısal analizde % 3-6 arasında artarken, Deneme-2 modelinde %10,5 artış ile en iyi sonuç elde edilmiştir. Şofben baca çıkışında emisyon değerinin artmaması performans açısından bir diğer önemli kriterdir. Ortalama çıkış hızının azalması, emisyon değerini artırabilmektedir. Mevcut durumda ortalama çıkış hızı 0.48 m/s iken en iyi sonuç veren Deneme-2'de 0.4 m/s' e düşmüştür. İlk dört denemede çıkış hızı azalmaktadır. Hava kanallı Deneme-5 ve Deneme-6 kanat tipi modellerinde, mevcut tasarıma oranla sırasıyla %5 ve %6 daha iyi sonuç vermiştir.  0.478 m/s olan Deneme-5'in çıkış hızı, mevcut durumdaki çıkış hızına çok yakın olduğundan emisyonu artırmayacağı düşünülmektedir. Deneme-2 ve Deneme-5'in deneysel olarak analizlerinin de yapılarak performansının deneysel olarak teyid edilmesi gerektiği önerilmektedir.

Abstract:
In this study, the effect of the changes made to increase the thermal efficiency on the gas water heater was examined. The effects of the design changes on the thermal efficiency were examined by modifying the turbulators that regulate the flow of combustion gases only on the fins, without making any changes on the parameters such as number of fins, pipe configuration, fin outer dimensions, number of pipe passes, etc. in the current heat exchanger. Numerical analyzes were performed to determine the flow and thermal performance of these design changes using FLUENT commercial software. The present design was first analyzed by using the values measured experimentally to determine the boundary conditions necessary for numerical models. Total of six new fin types were proposed, and numerical analysis of the models so-called Trial-1, -2, -3, -4, -5 and Trial-6 were performed. A couple of L-shaped deflectors were used in the first four fin models. The four models (Trial-1, -2, -3 and -4) were formed by changing up and down positions of the couple of deflectors. In the models, named Trial-5 and Trial-6, small air ducts of different widths were added between the two tubes. Trial-3 gave worse results than the present fin design. The thermal efficiency of the other three models increased by 3-6% in the numerical analysis with respect to the present design, while the best results were obtained with a 10.5% increase in thermal efficiency in the Trial-2 model. Another important criterion for the performance of the gas water heater is that the emission value should not increase at the outlet (chimney) of the heater. Decreasing mean output velocity at the outlet can increase emission value. In the present design, the mean output velocity is 0.48 m/s, while the best result is obtained as 0.4 m/s in Trial-2. The outlet velocity is decreased in the first four trial models. In the Trial-5 and Trial-6 models where air ducts are used, these designs yielded 5% and 6% better results in comparison to the present design, respectively. It is considered that the outlet velocity of the Trial-5 with 0.478 m/s is not going to increase the emissions since it is very close to that of the velocity of the present design. It is suggested that the performance of Trial-2 and Trial-5 should be confirmed by further experimental analysis.