Isı eşanjörlerinde optimum sprey karakteristiklerinin belirlenmesi
Determination of spray characteristics for heat exchanger
Yazar: ALTUĞ KARABEY
Danışman: PROF. DR. KENAN YAKUT
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bir atomizerden belirli bir basınç ile çıkan kararsız bir sıvı kütlesi, aerodinamik direnç kuvvetlerinin ve atomizer tasarımına göre değişen çeşitli kuvvetlerin etkisiyle parçalanarak tabakalara, ligamentlere ve son olarak damlacıklara dönüşür. Sprey soğutma prosesi nozul çapı, yüzey alanı, yüzey geometrisi, kritik ısı akısı, kütle akısı, yer çekimi, spreyleme açısı, yüzey eğimi gibi pek çok parametreye bağlıdır. Sprey yapısını daha iyi analiz edebilmek için çok sayıda deney sonucuna ihtiyaç duyulmaktadır.
Dikdörtgen kanatçıklı ısı alıcı kullanılarak yapılan bu deneysel çalışmada, nozul-ısı alıcı mesafesinin nozul çapına oranı (h/d), kanat yüksekliği, kanat genişliği, kanatlar arası x doğrultusundaki mesafe, kanatlar arası y doğrultusundaki mesafe, dilimler arası x doğrultusundaki mesafe, dilimler arası y doğrultusundaki mesafe, sıvı debisi, hava debisi ve zamanın ısı ve akım karakteristiklerine etkileri Taguchi yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Belirlenen on bir parametre için L27(311) ortogonal dizisi deney planı olarak seçilmiştir. Performans karakteristiği olarak Nusselt sayısı belirlenmiştir. Optimum sonuçlar; 15 mm kanat yüksekliği, 45 mm kanat genişliği, 45° kanat açısı, 20 mm kanatlar arası x doğrultusundaki mesafe, 20 mm kanatlar arası y doğrultusundaki mesafe, 20 mm dilimler arası x doğrultusundaki mesafe, 15 mm dilimler arası y doğrultusundaki mesafe, 3.6 m3/h hava debisi, 21*10-3 m3/h su debisi, (667) nozul-ısı alıcı mesafesinin nozul çapına oranı ve 5 s spreyleme zamanı olarak tespit edilmiştir. Optimize edilmiş ısı alıcıyla yapılan deneyler sonucunda Nu sayısı, jet kalınlığı ve sprey açısı için korelasyonlar elde edilmiştir.

Abstract:
An unstable mass of liquid, flowing out of a nozzle with a given pressure, will become into sheets, ligaments and droplets respectively, due to the aerodynamic resistance forces and other forces emerging from various atomizer designs. Spray cooling process has many parameters such as extended surface, angle of inclination, effect of gravity, diameter of nozzle, angle of spray, mass flux, geometry of cooled surface, thermal performance and critical heat flux of spray etc. There is need for more experimental results to understand better the complex structure of the spray.
In these experimental study with using rectangular pin fin heat sinks, widths of the fins, angle of fins, heights of fins, spraying time, air flow rate, liquid flow rate (ALR, the ratio of air-liquid flow rate) and the ratio of the nozzle-heat sink distance to the nozzle diameter (h/d) on heat and flow characteristics have been investigated by using Taguchi experimental design method. For this reason, characteristics of flow and heat transfer are considered separately. Nusselt number considered as performance statistic, L27(311) orthogonal array has been selected as an experimental design plan for the eleven parameters mentioned above. The Nusselt number was calculated by taking into account the characteristic length of heat sink and the optimized results were found to be fin width of 45 mm, fin angle of 45°, fin height of 15 mm, x direction distance between fins of 20 mm, y direction distance between fins of 20 mm, x direction distance between slices of 15 mm, y direction distances between slices of 20 mm, air flow rate of 3.6 m3/s, liquid flow rate of 21*10-3 m3/s, spraying time of 5 s and the ratio of the nozzle-heat sink distance to the nozzle diameter (h/d) of 667. As a results of the experiments which carried out with optimized heat sink element, the Nusselt number, jet thickness and spray angle correlations were obtained.