Düz ve helisel borularda koruge yüzeylerin kullanımının ısı geçişi karakteristiklerine etkisinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of the effect of using corrugated surfaces on heat transfer characteristics in straight and helically coiled tubes
Yazar: ŞAFAK METİN KIRKAR
Danışman: PROF. DR. AHMET SELİM DALKILIÇ ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ CELEN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde enerji kaynaklarının kısıtlı ve kolay tükenir olması ile enerji verimliliği konusu önemli hale gelmiştir. Bu durum ısı değiştiricisi cihazlarının tasarımında da enerji verimliliğini ön plana çıkarmaktadır. Isı değiştiricilerinin ısıl performansını arttırmak için çeşitli ısı geçişi iyileştirme yöntemleri kullanılmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında iki ayrı pasif ısı geçişi iyileştirme yöntemi olan koruge yüzey yapısının ve helisel geometrinin birlikte kullanıldığı dairesel kesitli borulardaki tek fazlı akışta ısı geçişi karakteristikleri nümerik olarak incelenmiştir. 5,75 mm çaplı 390 mm uzunluğundaki dairesel kesitli bir borunun çap ve uzunluğu sabit olacak şekilde pürüzsüz yüzeyli düz, koruge yüzeyli düz, pürüzsüz yüzeyli helisel ve koruge yüzeyli helisel borular tasarlanmıştır. Koruge hatvesi, koruge derinliği ve helis çapının ısı geçişi ve basınç düşümüne etkisi araştırılmıştır. Koruge hatvesinin 6 mm, 12 mm ve 18 mm olduğu, koruge derinliğinin 0,6 mm, 0,8 mm ve 1 mm olduğu, helis çapının 20 mm, 30 mm, 40 mm ve 60 mm olduğu durumlar için çalışmalar yapılmıştır. Çalışma akışkanı olarak su kullanılmıştır. Sabit yüzey ısı akısı sınır şartında 25 ℃ giriş sıcaklığı olan sıvı haldeki suyun tek fazlı laminer, geçiş ve türbülanslı akış rejimleri incelenmiştir. Reynolds sayısının 480 ile 6100 arasında olduğu 20 farklı değer için çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Sabit yüzey ısı akısı laminer akış şartlarında 5500 kW/m2, geçiş ve türbülanslı akış şartlarında ise 21100 kW/m2 olarak boru iç yüzeyinden akışkana sağlanmıştır. Boru dış yüzeyine adyabatik sınır şartı tanımlanmıştır. Bütün çalışmalar nümerik olarak ANSYS Fluent 19.0 paket yazılım programında parametrik olarak analiz edilmiştir. Elde edilen nümerik sonuçlara göre laminer akış rejiminde koruge yüzeyin ve helisel geometrinin pürüzsüz düz boruya göre ısıl performansta iyileşme sağladığı görülmüştür. Türbülanslı akış rejiminde ise kayda değer bir iyileşme gözlemlenememiştir.

Abstract:
Nowadays, energy efficiency issue has become important due to the limited and easily depleted energy resources. This situation highlights the energy efficiency in the design of heat exchanger devices as well. Various heat transfer enhancement methods are used to increase the thermal performance of the heat exchangers. Within the scope of this thesis study, heat transfer characteristics of single-phase flow in circular tubes with corrugated surfaces and helical structures, which are two different passive heat transfer enhancement methods, have been numerically investigated. Circular tubes with constant diameter of 5,75 mm and length of 390 mm has been designed as straight smooth tube, straight corrugated tubes, helically coiled smooth tubes and helically coiled corrugated tubes. The effects of corrugation pitch, corrugation depth and helix diameter on the heat transfer and pressure drop have been examined. 6 mm, 12 mm, and 18 mm of the corrugation pitch, 0,6 mm, 0,8 mm, 1,0 mm of the corrugation depth and 20 mm, 30 mm, 40 mm and 60 mm of the helix diameter have been studied. Liquid water has been used as working fluid. Laminar, transitional and turbulent flow regimes of the water with the inlet temperature of 25 ℃ under the thermal boundary condition of the constant surface heat flux have been analyzed. Studies have been carried out for 20 different Reynolds numbers between 480 and 6100. Heat flux has been applied from the inner surface of the tube to the fluid as 5500 kW/m2 in laminer flow regimes and 21100 kW/m2 in turbulent flow regimes. For the outer side of the tube, adiabatic condition has been defined. All the parametric cases have been numerically investigated on ANSYS Fluent 19.0 package software program. Numerical results showed that thermal performance in the laminer flow regimes is enhanced with the corrugated surfaces and helical structures compared to the straight smooth ones. For the turbulent flow regimes, it was observed that there is no considerably difference in the thermal performance.