Helezon borulu ısı değiştiricilerinin optimizasyonu
Optimization of helically coiled tube heat exchangers
Yazar: DOĞAN AKGÜL
Danışman: PROF. DR. AHMET SELİM DALKILIÇ ; DR. ÖĞR. ÜYESİ HATİCE MERCAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Dünyanın enerji ihtiyacı her geçen gün artarken, buna paralel olarak geleneksel enerji kaynaklarının azalması, enerjiyi daha verimli kullanmanın yollarını aramaya itmektedir. Bu sebeple gıda, kimya, otomotiv sanayi, enerji santralleri, ısıtma-soğutma ve havalandırma uygulamaları gibi çok geniş bir kullanım alanına sahip olan ısı değiştiricilerinin daha verimli olması konusunda uzun zamandır çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışmada ısı transferini iyileştiren pasif yöntemlerden biri olan helezon boru,  bir hazne içinde kullanılarak; boru çapının ve buna bağlı olarak kavis oranının, Reynolds sayısının, debinin tek fazlı akışta ısı transferine ve basınç düşümüne olan etkileri incelenmiş, sonuçlar literatürde var olan çalışmalar ile karşılaştırılmıştır. Her bir kavis oranı için çalışma sırasında üstüne çıkılmaması gereken maksimum Reynolds sayıları elde edilerek optimum Reynolds sayısı grafiği oluşturulmuştur. Her bir boru için ısıl performans ve NTU analizleri yapılarak helezon borulu ısı değiştiricilerinde tek fazlı akış için en uygun boru ve debi tayini yapılmıştır. Çalışmada çapları 9-20 mm arasında değişen aynı helezon çapı, uzunluk ve sarım sayısına sahip 9 farklı helezon boru incelenmiş ve çalışma akışkanı olarak boru içinde ve dışında su kullanılmıştır. Araştırma boru içindeki Reynolds sayısının 12000-47000 aralığında olduğu türbülanslı akış rejimi koşullarında ve boru üzerine sabit 10 kW'lık ısı transferinde gerçekleştirilmiştir. Su ile yapılan çalışmalar, diğer bir pasif ısı transferi iyileştirme yöntemi olan nanoakışkan kullanımı ile tekrarlanmıştır. Çalışma akışkanı olarak literatürde ısı transferinde en çok artışa sebep olduğu belirtilen 10 farklı nanoakışkan, %0,1-0,5 aralığındaki 5 farklı derişimde kullanılmıştır. Elde edilen ısı transferi ve basınç düşümü etkileri sonuçlarına göre helezon borulu ısı değiştiricileri için en uygun nanoakışkan ve nanoakışkan derişimi tespit edilmiştir.

Abstract:
The decreasing conventional energy resources in parallel with the rising of the global requirement for energy drives to search for new ways to use energy more efficiently. Therefore, studies on improving heat transfer performance of heat exchangers that have a wide range of areas, such as food, chemical, automotive industry, power plants and HVAC applications have been carried out for a long time. In this study, helically coiled tubes, which is one of the passive heat transfer enhancement techniques are used in a shell, and the effects of tube diameter and accordingly curvature ratio, Reynolds number and flow rate on heat transfer and pressure drop in single-phase flow are investigated. For each curvature ratio, the upper limits for Reynolds numbers are obtained, and the optimum Reynolds number graph is created. Thermal performance and NTU analyses are performed for each curvature ratio and the most suitable tube and flow rate are determined for single-phase flow in helically coiled tube heat exchangers. 9 different tubes with the diameters ranging from 9-20 mm with the same coil diameter, length and number of turns are selected. Water is used both inside and outside the tube as the working fluid. The investigation is carried out under turbulent flow regime conditions with the Reynolds number in the range of 12000-47000 for the tube side, and constant heat transfer at 10 kW on tube. Studies have been repeated with the use of nanofluid which is another passive heat transfer enhancement technique. 10 different nanofluids which are stated to show the most increase in heat transfer in the literature, with the 0,1-0,5% concentrations were chosen. The optimal nanoparticle type and nanofluid volume concentration for helically coiled tube heat exchangers is determined by the heat transfer and pressure drop results.