Gıda endüstrisinde kullanılan gövde boru tipi ısı değiştiricilerin hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile tasarımı ve optimizasyonu
Design and optimization of shell and tube heat exchangers used in food industry by using computational fluid dynamics method
Yazar: KÜBRA BULDUK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA ÖZTÜRK
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Bu çalışmada, gıda endüstrisinde kullanılan bir gövde boru tip ısı değiştirici modeli referans alınarak üç boyutlu tasarım çalışmaları yapılmıştır. Mevcut ısı değiştirici modelinin çalışma performans verileri elde edilmiş olup boru dizilim biçimi, şaşırtma elemanı tasarımı ve yerleşimi değiştirilerek iyileştirme çalışmaları yapılmıştır. Ayrıca gövde boru ısı değiştirici için özgün bir şaşırtma elemanı tasarımı ve optimizasyonu yapılmıştır.
Tasarım çalışmaları unsur tabanlı tasarım programı olan SolidWorks 2018 programında yapılmıştır. Geliştirilen tasarımların CFD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) tekniği ile termal ve hidrolik açıdan performans analizleri aynı programın Flow Simulation modülünde yapılmıştır. Çalışma kapsamında toplamda 23 adet Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği analizi yapılmıştır. Tasarlanan özgün şaşırtma elemanının üretilebilirliğinin tespiti için SolidWorks 2018 programının Simulation Modülünde statik, yer değiştirme, birleşik kuvvet ve gerilim analizleri yapılmıştır.
Hidrolik ve termal açıdan en verimli boru dizilim biçiminin tespit edilebilmesi için yapılan analizlerde perforasyon, dairesel, beşgen ve tam kare boru dizilimine göre tasarımlar yapılmıştır. Termal ve hidrolik açıdan en verimli dizilimin perforasyon tipi dizilim olduğu tespit edilmiştir. Farklı sayı ve konfigürasyonlarda şaşırtma elemanları eklenmiş ve en verimli modellerin beş adet şaşırtma elemanı kullanılan modeller olduğu belirlenmiştir.
Standart şaşırtma elemanı ve üç farklı özgün şaşırtma elemanı perforasyon dizilimi kullanılarak analiz edilmiştir. Şaşırtma elemanı analiz sonuçları değerlendirildiğinde, en verimli model olan P R 60 2/3 özgün şaşırtma elemanı iç ermekte olup, PS 2/3 modelindeki standart şaşırtma elemanı içeren modele göre termal açıdan %11,44 ve hidrolik açıdan %35,1 daha verimli olduğu tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre özgün şaşırtma elemanı tasarımına sahip P R 60 2/3 modeli, referans alınan şaşırtma elemanı içermeyen ısı değiştirici modeli P 0 a göre termal açıdan % hidrolik açıdan ise %0,27 verim artışı sağladığı tespit edilmiştir. Özgün şaşırtma elemanları standart şaşırtma elemanlarına göre termal ve hidrolik kriterlere göre değerlendirildiğinde üstün gelmiştir. Üretilebilirlik analizleri değerlendirildiğinde özgün şaşırtma elemanını 800kg baskı gücü sağlayan bir pres ile şekil verilip
üretilebileceği seçilen AISI316 malzemesinin bu kuvvette karşı mukavim olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
In this study, three dimensional design have been made with reference to a shell and tube heat exchanger model used in food industry. The operational performance data of the existing heat exchanger model were obtain ed and improvement were carried out by changing the arrangement of the tube configurations, the design of the baffles and
its placement. In addition, original baffle designs and their optimization for shell and tube heat exchanger has been made. Design studies were made in SolidWorks 2018, a feature based design program. Thermal and hydraulic performance analyses of the developed designs with CFD technique were performed in the Flow Simulation module of the same program. A total of 23 computational fluid d ynamics analyses were performed. Static, displacement,
combined force and stress analysis were performed in the Simulation Module of SolidWorks 2018 program to determine the reproducibility of unique baffles. In order to determine the most efficient hydraulically and thermally arranged tube arrangement, designs were made according to perforation, circular, pentagonal and full frame tube arrangement. It was determined that the most efficient thermal and hydraulic sequence was perforation type. Different baffles and configurations were experienced, and the most efficient models were found to be the models using five baffles. The standard baffle and three different unique baffles were analyzed using a perforation sequence. According to the results of the baffle analysis, the most efficient model P R 60 2/3 which contains unique baffles, which is 11.44% thermally and 35.1% hydraulically more efficient than the PS 2/3. model which contains the standard baffles. According to the results obtained, P R 60 2/3 model with unique baffle design,
22.63% thermally and hydraulically 0.27% efficiency increase compared to the reference heat exchanger model P 0, it was found that the yield increase. The unique baffles are superior to the stan dard baffles when evaluated according to thermal and hydraulic criteria. When the reproducibility analysis was evaluated, it was determined that the AISI316 material, which can be shaped and produced with a press that provides 800kg printing power, is resistant to this force.