Düşey kanallarda farklı kanat düzenlemelerinde doğal taşınımla ısı geçişinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of natural convection heat transfer in vertical channels with different fin arrangements
Yazar: KAAN KISA
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ TURGUT YILMAZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
İnsanlar, tarih boyunca özellikle soğuk mevsimlerde iç mekanları daha konforlu ve yaşanabilir hale getirmek için sürekli olarak farklı ısıtma sistemleri geliştirmişlerdir. Bu ısıtma sistemlerinden birisi de, sıcak sulu ısıtma sistemlerinde kullanılan, karşılıklı iki panel duvarının üzerine kanatçıklar monte edilerek oluşturulan,  panel-kanat-kanat-panel tipi radyatörlerdir. PKKP tipi radyatörlerde ısı transferi doğal taşınım yoluyla gerçekleşmektedir. Doğal taşınımla ısı transferi, sıcaklık farkından dolayı oluşan yoğunluk farkı kaynaklı akışkan hareketi sonucunda gerçekleşir. Akışkan sıcaklığı arttıkça yoğunluğu azalır ve kaldırma kuvvetinin etkisiyle dikey yönde akışkan hareketi gerçekleşir, bu şekilde ısı transferi gerçekleşir. Ayrıca, PKKP tipi radyatörlerde ışınımla ısı transferi de gerçekleşmektedir. Literatürde, PKKP tip radyatörlerde doğal taşınımla ısı transferini arttırmaya yönelik bir çok çalışma yer almaktadır. Bu çalışmalar arasında, sınır tabakayı kırarak yeniden oluşumunu sağlamak ve çeşitli geometrik düzenlemeler yaparak doğal taşınımla ısı transferini arttırmaya çalışmak en etkili yöntemler arasındadır. 

Bu çalışmada, ilk olarak, literatürde doğal taşınımla ısı transferini arttırmak için yapılan çalışmalar incelenmiş ve raporlanmıştır. Bu çalışmanın asıl amacı, düşey bir kanalda, karşılıklı duvarlara monte edilen finlerden oluşan kanallarda, fin, yani kanatların yamukluk oranını ve düşey finler arası mesafenin doğal taşınımla ısı transferine etkisini incelemektir. Farklı şekil ve kanat düzenlemelerinin doğal taşınımla ısı transferine etkisini incelemek için dört farklı kanat yamukluk oranı, 1 (düz kanat), 0.75, 0.5 ve 0.25 incelenmiştir. Aynı zamanda, kanatlar arası mesafenin 0 mm, 2.5 mm, 3.5 mm ve 5 mm olduğu koşullar her farklı yamukluk oranı için incelenmiştir. İkinci bir başlık olarak, kanal genişliğinin kanal boyuna oranının 0.1, 0.15 ve 0.3 olduğu koşullarda doğal taşınımla ısı transferi incelenmiş, ısı geçişi korelasyonları elde edilmiştir. Bu geometrik şekillerin ve düzenlemelerin etkisini incelemek için, üç boyutlu HAD analizleri akışın sıkıştırılamaz ve laminar olduğu, viskoz etkilerin ve ışınımla ısı transferinin olmadığı kabulleriyle birlikte yapılmıştır. Kullanılan paket program, HAD analizlerini sonlu hacimler ayrıklaştırması yaparak çözümlemektedir.  Parametrik çalışmalardan önce, sayısal analizler için en uygun sayısal ağ yapısını ve sayısını bulmak adına sayısal ağ bağımsızlığı çalışması yapılmıştır. Yapılan parametrik çalışmalarda sınır koşulu olarak duvar sıcaklığı  80 °C olarak kabul edilmiş, aynı zamanda kanatlar arası boşluk etkisini farklı ısıl koşullarda incelemek için duvar sıcaklığının 60 °C ve 40 °C olduğu koşullar ayrıca ele alınmıştır. 

Çalışma sonuçları, 2.5 mm düşey kanatlar arası mesafeye sahip ve yamukluk oranı 1 olan (düz kanat) geometrik koşullarda ısıl performansın maksimum olduğunu göstermektedir. Yamukluk oranının 1 olduğu, kanatlar arası boşluğun olmadığı durumlar ile karşılaştırıldığında duvar sıcaklığının 80 °C olduğu şartlarda, 2.5 mm kanat boşluğun olduğu durumda çıkış sıcaklığı 8 °C artmıştır, dikeyde ısı geçişinde artış gözlemlenmiştir.
Sonuçlar genel olarak incelendiğinde, yamukluk oranının 1 olduğu ve kanatlar arası boşluğun 2.5 mm'den fazla olduğu koşullarda sınır tabakanın rahatsız edilerek yeniden oluşması, toplam yüzey alanındaki azalmayı kompanse edemediği için ısıl performansta düşüş gözlemlenmektedir. Ek olarak, yamukluk oranının 1'den düşük olduğu diğer koşullarda kanatlar arası boşluk olan tüm koşullarda, sınır tabakaların karışarak etkinliklerinin düştüğü ve sınır tabakanın kırılarak yeniden oluşmasının toplam yüzey alanında azalmayı kompanse edemediği ve kanatlar arası boşluk bırakılan tüm koşullarda ısıl performansın düştüğü gözlemlenmiştir. Duvar sıcaklığının 60 °C ve 40 °C olduğu şartlarda yapılan çalışmalar, duvar sıcaklığının farklı olmasının ısıl performans artışında bir etkisinin düşük olduğunu göstermektedir. Yamukluk oranının 1 olduğu ve kanatlar arası mesafenin 2.5 mm olduğu şartlarda, farklı Rayleigh sayılarında, literatürdeki simetrik dikey içi boş kanal çözümleriyle karşılaştırılma yapılmıştır ve ısı geçişi korelasyonları elde edilmiştir.

Ek olarak, kanal genişliğinin kanal boyuna oranı 0.1, 0.15 ve 0.3 olduğu durumlar incelenmiş ve literatürdeki saptırılmış kanatlar ve simetrik dikey içi boş kanal çözümleri ile karşılaştırılmıştır. Kanal genişliğinin kanal boyuna oranlarının farklı olduğu koşulları elde etmek için kanal genişliği sabit tutulmuş, farklı kanal boyları 200 mm, 400 mm ve 600 mm olduğu koşullar değerlendirilmiştir. Kanal boyu arttıkça çıkış sıcaklığında ve Nusselt sayısında artış gözlenmiştir. Ayrıca, farklı kanal boylarının incelendiği şartlarda, Nusselt sayısının Rayleigh sayısıyla birlikte arttığı gözlemlenmiştir.

Abstract:
Throughout history, people have consistently improved different heating systems, especially during cold seasons, to make indoor spaces comfortable. This ongoing search for effective heating solutions has led to various methods, among which the Panel-Fin-Fin-Panel radiators stand out as a noteworthy choice. Devices that facilitate natural convection heat transfer, such as panel-fin-fin-panel radiators, offer several advantages. PFFP-type radiators are preferred for  heating homes due to their compact structure, which provides a larger heat transfer surface area, resulting in more effective and efficient heating. Moreover, natural convection heat transfer occurs without the need for external power sources, such as electricity, leading to energy savings and reduced environmental impact. PFFP-type radiators also operate quietly and are resistant to undesirable effects like drying out the air, thus increasing indoor comfort. Due to these factors, devices and radiators employing natural convection heat transfer are often more advantageous compared to other heating methods.

In panel-fin-fin-panel type radiators, fins are attached to the vertical channel walls and heat transfer occurs through natural convection from bottom to top. Natural convection heat transfer occurs due to density differences resulting from temperature variation, leading to fluid movement. As fluid heats up, its density decreases and the fluid with reduced density rises, generating upward fluid movement and natural heat transfer occurs without external power. The efforts made to increase natural convection heat transfer contribute to energy savings and a positive impact on mitigating global warming. By optimizing natural convection heat transfer, through various methods, energy efficiency is improved. These optimizations lead to reduced energy consumption and lower greenhouse gas emissions. In the literature, researchers have conducted studies aiming to enhance natural convection heat transfer through surface modifications, using different fluids, geometry optimizations, and arrangements. Among these studies, disturbing boundary layers to promote its reformation and implementing various geometric arrangements are among the most effective methods to increase natural convection heat transfer. 

The initial studies on natural convection were typically conducted through experimentally involving observation and measurement of heat transfer phenomena. Researchers would set up controlled environments with heat sources and observe the flow patterns and temperature distributions in fluids, often using visual aids like dyes or smoke to visualize convective currents. These experiments provided foundational insights into the fundamental principles of natural convection, such as the relationship between temperature gradients and fluid motion.
Over time, as computational capabilities advanced, numerical simulations also became a valuable tool for studying natural convection, allowing researchers to model and analyze complex fluid dynamics and heat transfer problems in various geometries and conditions. Additionally, studies in the literature have predominantly focused on two-dimensional vertical channels, with limited availability of numerical investigations concerning three-dimensional geometries. Three-dimensional numerical analysis is crucial for understanding natural convection heat transfer more accurately as it accounts for complexities in flow patterns and temperature distributions that cannot be fully captured in two-dimensional models. By considering three-dimensional geometries, researchers can gain deeper insights into the intricate interplay of fluid dynamics and heat transfer phenomena, leading to more precise predictions and optimized designs for increasing natural convection heat transfer in various applications. Continued advancements in numerical simulations necessitate validation through experimental studies to ensure their accuracy and reliability. Validating numerical models against experimental data is essential for verifying the predictive capability of the simulations and ensuring that they accurately represent the real physic phenomena. Overall, the integration of experimental validation with numerical simulations enhances the credibility and applicability of the computational findings in understanding and optimizing natural convection heat transfer processes.

In this study, firstly, the existing literature on enhancing natural convection heat transfer has been reviewed and reported. Initially, studies focusing on general geometries for increasing natural convection heat transfer in the literature were examined. Subsequently, investigations specifically concerning natural convection heat transfer in PFFP radiators were reviewed and reported. The main objective of this project is to analyze the effect of shape and geometric arrangement of fins attached to the walls of a vertical channel through numerical analysis. To investigate these shape and arrangement effects on natural convection heat transfer, four different taper ratios of fins, 1, 0.75, 0.5, and 0.25 were examined. Moreover, four different geometric arrangments were investigated with a distance between the trailing edge and leading edge of 0 mm, 2.5 mm, 3.5 mm, and 5 mm respectively, for each taper ratio. These studies were conducted at a panel wall temperature of 80 °C. Additionally, to explore geometric effects under different thermal conditions, panel wall temperatures of 60 °C and 40 °C were also utilized. To explore these effects, three-dimensional Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations have been performed assuming that flow is incompressible, laminar, and viscous effects negligible. Also, radiation heat transfer was assumed negligible.

Before delving into these studies, a grid independence study was conducted. The purpose of the grid independence study was to find the optimal and most suitable grid resolution for the simulations. Then, with the optimized grid size, numerical simulations have been performed to examine the effects of different taper ratios and different arrangements. The outlet temperature and vertical heat flux have been investigated and reported in numerical simulations. The study results demonstrate that in straight fins with a distance between the trailing edge and leading edge of 2.5 mm and a taper ratio of 1, thermal performance is maximized. The outlet temperature increased by 8 °C compared to the condition where there was no gap between the fins. It is observed that outlet temperature decreases under the condition where fin spacing exceeds 2.5 mm, and the disturbing boundary layer fails to compensate for the overall decrease in surface area, resulting in reduced thermal performance.
Also, for the cases where the taper ratio is lower than 1, boundary layer mixing occurs and the effectiveness of the boundary layers decrease. So, the disturbing boundary layer fails to compensate for the overall decrease in surface area and thermal performance reduced. The results of this study indicate that when the taper ratio of the panel fins is less than 1, the boundary layer within the fins becomes more sensitive and disturbing the boundary layer does not improve heat transfer performance. On the contrary, thermal performance decreases due to a reduction in the surface area. Additionally, as the taper ratio decreases, the space between deflected adjacent fins decreases, potentially leading to dust accumulation, which can adversely affect thermal performance in the application.

Moreover, different channel width-to-channel height ratio cases, namely, 0.1, 0.15, and 0.3, were investigated and compared with symmetric vertical channel solutions without fins to observe the effects of different fin geometries, channel width-to-channel height ratios and fin arrangements. To obtain conditions where the ratio of channel width to channel length varies, channel width was kept constant and different channel lengths of 200 mm, 400 mm and 600 mm were examined. According to the results, as the channel length increased, an increase in the outlet temperature and Nusselt number was observed. It also has been observed that the Nusselt number increases with the increase of Rayleigh number.