Çeşitli iç elemanlar yerleştirilmiş bir boruda ısı geçişinin incelenmesi
The investigation of heat transfer in various ribs inserted pipe
Yazar: SİBEL GÜNEŞ
Danışman: DOÇ. DR. VEYSEL ÖZCEYHAN ; PROF. DR. TAHİR YAVUZ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Bölümü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Basınç kaybı = Pressure loss ; Isı akısı = Heat flux ; Isı geçişi = Heat transfer ; Isı geçişi katsayısı = Heat transfer coefficient ; Isı kaybı = Heat loss ; Makine mühendisliği = Mechanical engineering

Özet:
Bu çalışmada, boru içerisine yerleştirilen helisel sarılmış tellerin ısı transferi ve akış karakteristiklerine etkisi Reynolds sayısının 3514-27188 aralığında deneysel olarak araştırılmıştır. Öncelikle, boş boru deneyleri yapılarak; elde edilen sonuçların literatürdeki çalışma sonuçlarıyla uyumu incelenmiştir. Yapılan boş boru deney sonuçlarının literatürde mevcut çalışmalarla uyumlu olduğu görülmüş ve sonrasında helisel tel yerleştirilmiş boruda deneyler gerçekleştirilmiştir.Deneysel çalışmada, literatürdeki mevcut çalışmalardan farklı olarak eşkenar üçgen kesitli helisel tel boru içerisine cidardan ayrık olarak yerleştirilmiştir. Deneyler, cidardan iki farklı ayrıklık durumu (s=1mm ve s=2 mm), üç farklı hatve oranı (P/D=1, P/D=2 ve P/D=3) ve tel kesitindeki eşkenar üçgenin üç farklı kenar uzunluğu (a=4 mm, a=5 mm ve a=6 mm) için, 6 farklı helisel tel grubu (H1, H2, H3, H4, H5, H6) ile gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak 18 farklı telin sağladığı ısı transferindeki artış, basınç düşümü ve neticede sağlanan net iyileşme belirlenmiştir.Boru içerisine yerleştirilen helisel teller ile ısı transferinde ciddi artışlar sağlanmıştır. Özellikle, H3 grubuna ait (a=6mm, s=1mm, P/D=1) durumunda Nusselt sayısı boş boruya göre 3 kat artmıştır. Ancak, yerleştirilen teller ısı transferini arttırmanın yanında basınç düşümünde de kaydadeğer artışlara sebep olmuştur. En fazla basınç düşümü, ısı transferinin en çok arttığı H3 grubunda (a=6mm, s=1mm, P/D=1) görülmüştür.Helisel tellerin boru içerisine yerleştirilmesi ile akışa getirilen ilave dirençten dolayı basınç kaybında, dolayısı ile pompalama gücü gereksiniminde büyük artışlar meydana gelmiştir. Isı transferindeki net iyileşmeyi belirleyebilmek için sabit pompalama gücünde karşılaştırma yapmak gereklidir. Bu sebeple, ısı transferi artışı her bir helisel telde, aynı Reynolds sayısı ve pompalama gücünde ayrı ayrı incelenmiştir.Aynı pompalama gücüne göre yapılan performans değerlendirmesinde, en çok %50'lik net ısı transferi iyileşmesi H3 grubuna ait (a=6mm, s=1mm, P/D=1) durumu için Reynolds sayısının 4220 değerinde elde edilmiştir. İncelenen bir çok durumda, net iyileşme eğrisinin eğilimi Reynolds sayısının artmasıyla düşmekte ve yaklaşık Reynolds sayısı 15000'den sonra da hemen hemen sabit kalmaktadır.Sonuç olarak, dikkate alınan parametrelerden (a, s ve P/D) hatve oranının ısı transferi artışı üzerinde en etkili parametre olduğu görülmüştür.Bu deneysel çalışma sonucunda, endüstride yaygın olarak kullanılan ısı değiştiricilerindeki borular içerisine, ısı değiştiricisinin çalışma şartlarına göre düşük Reynolds sayılarında helisel sarılmış üçgen kesitli teller cidardan ayrık olarak küçük hatve oranlarında yerleştirilerek; ısı transferi iyileştirmesi sağlamanın mümkün olacağı gösterilmiştir.

Abstract:
In this study, the effect of the helically coiled wire inserted in a pipe on heat transfer and fluid characteristics was investigated experimentally in the range of Reynolds number 3514-27188. Firstly, the experiments were carried out with smooth pipe and then the compatibility of the obtained results with literature was examined. It was seen that the obtained results from smooth pipe shows a good agreement with the studies in the literature and then the experiments were performed with helically coiled wire.In the experimental study, differently from the studies available in the literature, equilateral triangular cross-sectioned helically coiled wires were inserted in a pipe separated from wall. The experiments were performed with 6 different helically coiled wire groups (H1, H2, H3, H4, H5, H6) for two different clearance ratios from wall (s=1 mm and s=2 mm), three different pitch ratios (P/D=1, P/D=2 and P/D=3) and three different triangle side lengths in the wire cross sections (a=4 mm, a=5 mm and a=6 mm). Consequently, the increase in heat transfer, pressure drop and overall enhancement ratio of the helically coiled wire were determined.The helically coiled wire inserted in a pipe provided a significant increase in heat transfer. Especially, in the H3 group for the case of (a=6mm, s=1mm, P/D=1), the Nusselt number increased three times than smooth pipe. However, the helically coiled wire inserted in a pipe causes considerable increase in pressure drop, as well in Nusselt number. The maximum pressure drop was observed in the case of (a=6 mm, s=1 mm, P/D=1) in which the best heat transfer increase was seen.The helically coiled wire inserted in a pipe causes an extra resistance to flow therefore an increase in the pressure drop and pumping power requirement. The comparison should be made for the same pumping power in order to determine the overall enhancement ratio. For this reason, the heat transfer enhancement was evaluated for each helically coiled wire both for same Reynolds number and pumping power.The maximum %50 overall enhancement was achieved in H3 group for the case of (a=6mm, s=1mm, P/D=1) via constant pumping power evaluation criteria at Reynolds number 4220. In many of the examined cases, the slope of overall enhancement curve decreases with increasing Reynolds number and becomes almost constant approximately after a Reynolds number of 15000.Finally, it is seen that the most effective parameter was the pitch ratio (P/D) among the parameters (a, s and P/D) considered in this study.In conclusion of this experimental study, it is showed that providing heat transfer enhancement is possible via inserting equilateral triangular cross-sectioned helically coiled wire separated from wall in the pipes of heat exchangers which are used extensively in industry related with the working conditions of heat exchangers in low Reynolds numbers with small pitch ratios.