Farklı geometrilerdeki boru içi türbülatörlerin ısıl-hidrolik performansa olan etkilerinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of the effects of different turbulator geometries in pipe on thermal-hydraulic performance
Yazar: GÖKHAN GÜRLEK
Danışman: PROF. DR. NECDET ÖZBALTA
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Isı değiştiriciler = Heat exchangers ; Isı geçişi = Heat transfer

Özet:
Bu tez çalışmasında, ısı transferi iyileştirme yöntemlerinden biri olan boru içerisine türbülatör yerleştirme tekniği kullanılmıştır. Çalışma, iç içe borulu ısı değiştiricisine yerleştirilen farklı geometri ve boyutlarda türbülatörlerin ısı transferi ve basınç düşümüne olan etkilerini incelemek amacıyla Reynolds sayısının 7000 ile 15000 olduğu çalışma aralığında yapılmıştır. Dört farklı hatvede, üç farklı modelde üretilen 130 mm, 150 mm, 200 mm ve 250 mm hatveli klasik tip düz türbülatörler, 130 mm, 150 mm, 200 mm ve 250 mm hatveli kanat ucu sıcak akışkanın akım yönünde olan V kanatlı türbülatörler ve 130 mm, 150 mm, 200 mm ve 250 mm hatveli kanat ucu sıcak akışkanın akımına ters yönde olan V kanatlı türbülatörlerin ısı transferine ve sürtünme katsayısına olan etkileri deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir.Deneysel çalışmalar, endüstride geniş kullanım alanına sahip olması ve yapımının basit olması nedeniyle iç içe borulu ısı değiştiricisinde gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmalar için, Ege Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projesi (BAP) biriminden sağlanan mali destek ve Termodinamik Makina Sanayi ve Ticaret A.Ş. firmasının sağladığı imkanlar ile iç içe borulu ısı değiştirici deney seti kurulmuş, her bir türbülatör hatve ve modeli için ayrı ayrı belirlenen farklı sistem parametrelerinde deneyler tekrarlanmıştır.Sayısal çalışma için Solidworks programı ile türbülatör çizimleri, Gambit programı ile sistemin çizimi ve ağ yapısı yapılmış, Fluent programı kullanılarak türbülatörsüz boru ile iki boyutta, türbülatörlü boruda ise üç boyutta analizler gerçekleştirilmiştir. Sayısal analiz sonuçlarına göre çalışma kapsamında türbülatör hatvesi, modeli, akış hızı, sıcaklığı gibi farklı parametrelerin ısı transferi ve sürtünme katsayısına, doğal olarak da ısıl hidrolik performansa olan etkileri görsel olarak incelenmiştir. Bu amaçla sayısal analiz sonuçları olan sıcaklık dağılımları, hız dağılımları, hız vektörleri ve basınç dağılımları ayrıntılı olarak tez çalışmasında verilmiştir.Deneysel veriler ve sayısal analiz sonuçları karşılaştırılmış ve birbirleriyle uyumlu oldukları görülmüştür.Deneysel verilere göre en yüksek Nusselt sayısı ve sürtünme katsayısı değerleri, 130 mm hatveli kanat ucu akıma ters yönde olan V kanatlı tip türbülatör kullanılması durumunda sırasıyla 61,53 ? 87,71 ve 0,43 ? 0,35 olarak elde edilmiştir. V kanatlı tip türbülatörlerde ısı transfer oranının klasik tip türbülatörlere göre daha yüksek olmasına rağmen akışı engelleyici etkilerinden dolayı sürtünme katsayıları, klasik tip türbülatörün sürtünme katsayı değerlerinin çok üzerinde çıkmıştır. Bu nedenle yüksek Nusselt sayısına karşın çok yüksek sürtünme katsayısı değeri düşük ısıl hidrolik performans sonucunu doğurmuştur. % 93'e varan ısıl hidrolik performans ile en yüksek ısıl hidrolik performans 130 mm hatveli klasik tip türbülatörler ile elde edilmiştir.

Abstract:
In this thesis, turbulator inserting method which is one of the heat transfer enhancement techniques was used. In this study the effects of the geometry and the size of the turbulators used in concentric tube heat exchangers on the heat transfer and pressure drop was investigated for flows with Reynolds number in the range of 7000 to 15000. The effects of turbulators which were manufactured with four different pitch lengths for three different types according to the direction of flow were investigated. The first type is the smooth classical turbulators. In the second type V wing turbulators were used with the head of the wing in the same direction with the flow. In the last type, again V wing turbulators were used with the head of the wing in the opposite direction with the flow. Pitch lengths of 130 mm, 150 mm, 200 mm and 250 mm were used for each type of turbulator. The effects of these various configurations on the heat transfer and friction factor were investigated experimentaly and numerically.Experimental studies were carried out on concentric tube heat exchangers, since they are widely used in industry and are easy to manufacture. Concentric tube heat exchanger experimental setup was installed with the support of Ege University Scientific Research Project and Termodinamik Makine Sanayi ve Ticaret A.Ş. and experiments were conducted for each turbulator pitch length and type at different system parameters.Turbulators were modeled by Solidworks, heat exchanger was drawn and meshed by Gambit and the analyses of non turbulator tube in 2D and turbulators in 3D were made by Fluent for numerical study. According to the numerical analyses results, the effects of different parameters such as turbulator pitch length, turbulator type,flow rate and temperature, on the heat transfer, friction factor and thermal hydraulic performance were investigated and demonstrated visually. For this purpose, the results of the numerical analyses such as temperature distribution, velocity distribution, velocity vectors and pressure distribution were given in this thesis.Experimental and numerical analyses results were compared with each other and were seen to be in good agreement.According to the experimental results, in the case with V wing turbulators with a pitch distance of 130 mm in which the head of the wing is in the opposite direction of flow, highest Nusselt numbers and friction factors were obtained as 61,53 ? 87,71 and 0,43-0,35, respectively. Although the heat transfer ratio in V type turbulators was larger than that of classical turbulators, the friction factors were also found to be larger than that of classic turbulators due to the flow inhibiting characteristics of the V wing turbulators. As a result, despite the high Nusselt numbers obtained with V wing turbulators the high friction coefficients caused low thermal hydraulic performances. The highest value of thermal hydraulic performance with 93 % was obtained for classical turbulators with a pitch length of 130 mm.