Helisel kanatlı boru demetlerinde ısı transferi ve basınç düşümünün hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile analizi
Analysis of heat transfer and pressure drop in helical finned tube bundles with computational fluid dynamics
Yazar: MURAT GÖRELİ
Danışman: PROF. DR. İSHAK GÖKHAN AKSOY
İnönü Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Helisel kanal = Helical channel ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Isı değiştiriciler = Heat exchangers

Özet:
Bu çalışmada Ansys-Fluent hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) paket programı kullanarak helisel kanatlı borulu bir ısı değiştiricisinin sayısal analizi yapılmıştır. Sayısal analizde boru dış yüzeyi sabit sıcaklık olarak tanımlanmış, borunun kanatcıklı olan dış tarafı dikkate alınarak akışkan olarak dış ortam havası seçilmiştir. Sayısal çalışmalarda kanat yüksekliği, boru çapı, kanat kalınlığı ve kanat adımı gibi parametrelerde değişiklik yapılarak 5000-20000 Re sayısı aralığında hesaplanan giriş hızlarıyla, elde edilen çıkış sıcaklıkları ve basınç düşümüne göre Nusselt sayısı ve sürtünme faktörü hesaplanmıştır. Ayrıca, aynı sınır şartları ve değişken parametreler kullanarak dairesel kanatlı boru demetleri için de sayısal hesaplar yapılmış, elde edilen sonuçlar helisel kanatlı boru demetleri ile karşılaştırılmıştır. Helisel kanatlı boru demetlerinde, değişken parametrelerden boru çapı ve kanat adımının artması ısı transferini artırırken, kanat yüksekliğinin ve kanat kalınlığının artması ise ısı transferini azalttığı görülmüştür. Kanat kalınlığı ve kanat adımının artması sürtünme etkisini artırırken, boru çapı ve kanat yüksekliğinin artması ise sürtünme etkisinin azaldığı görülmüştür. Ayrıca, helisel kanatlı boru demetinin dairesel kanatlı boru demetine göre ısıl performansın daha iyi olduğu görülmüş fakat basınç düşümünün daha fazla olduğu tespit edilmiştir.  Sayısal analizin doğrulaması literatürdeki helisel kanatlı boru demetlerinde yapılan deneysel sonuçlar ile karşılaştırılarak yapılmış ve sonuçlar arasında iyi bir uyum olduğu görülmüştür.

Abstract:
In this study, numerical analysis of a helical finned tube heat exchanger was performed in the Ansys-Fluent computational fluid dynamics (CFD) package program. In the numerical analysis, a constant wall temperature was defined on the outer surface of the pipe and surrounding air was used as a fluid considering the outside of the pipe with fins. In the analysis, Nusselt number and friction factor were calculated according to the obtained outlet temperatures and pressure drop, with the inlet velocities calculated in the range of 5000-20000 Re number by changing parameters such as fin height, pipe diameter, fin thickness and blade pitch in numerical studies. In addition, numerical calculations were made for circular finned tube bundles using the same boundary conditions and variable parameters, and the results were compared with helical finned tube bundles. In the helical finned tube bundles, it has been seen that increasing the pipe diameter, fin pitch increases the heat transfer, besides increasing the fin height and fin thickness decreases the heat transfer. It has been also observed that increasing the fin thickness and fin pitch increases the friction factor, besides increasing the pipe diameter and fin height decreases friction factor. In addition, it was seen that the thermal performance of the helical finned tube bundle was better than the circular finned tube bundle, but it was determined that the pressure drop was higher. The verification of numerical results was performed by compared the experimental results in the literature and a good agreement was observed between results.