Spiral kanatlı-borulu ısı değiştiricilerin ısıl-hidrolik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of the thermal-hydraulic characteristics of spiral finned-tube heat exchangers
Yazar: RAMAZAN YILMAZ
Danışman: PROF. DR. NECDET ÖZBALTA
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: COMSOL multifizik = COMSOL multiphysics ; Deneysel analiz = Experimental analysis ; Enerji = Energy ; Hidrolik analiz = Hydraulic analysis ; Isı değiştiriciler = Heat exchangers ; Kanatlı yüzeyler = Finned surfaces ; Performans analizi = Performance analysis ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic ; Sayısal analiz = Numerical analysis ; Termal analiz = Thermal analysis

Özet:
Bu çalışmanın amacı doğrultusunda spiral kanatlı borulu ısı değiştiricisinin ısıl ve hidrolik özellikleri incelenmiştir. Çalışma L-ayaklı spiral kanat formu ile sınırlandırılmıştır. Karşılaştırma için kanatsız ısı değiştiricisi kullanılmıştır. Çapraz akışlı ısı değiştiricilerinde borular kaydırılmış sıralı olarak düzenlenmiştir. 
Sabit su giriş hacimsel debisi (2,3 l/dk) ve çevre havası koşullarında, yedi farklı su giriş sıcaklığı (40 °C ila 70 °C) ve hava giriş hızı (3,40 m/s ila 7,90 m/s) için deneysel ve sayısal çalışma yapılmıştır. Deneysel çalışmada sıcaklık etkinliği-geçiş birimi sayısı (P-NTU) yöntemi kullanılmıştır. Sayısal çalışmada COMSOL Multiphysics programında kanatlı için RANS k-epsilon ve kanatsız için RANS SST türbülans modeli kullanılmıştır (sürekli rejim koşullarında). Çalışmada belirsizlik, hata ve istatistiksel analiz yapılmıştır.
Reynolds sayısı 9043,47 ila 21578,67 aralığında değişmiştir. Çalışma sonucunda ortalama ısı geçişi, P1 ve P2 sıcaklık etkinliği, toplam ısı geçiş katsayısı, kanat verimi, toplam yüzey verimi, ısı taşınım katsayısı, Nusselt sayısı, Colburn j faktörü, basınç düşümü ve Fanning f sürtünme faktörü değerleri elde edilmiştir. Ayrıca deneysel bağıntılar önerilmiştir. Boyutsuz maksimum sıcaklık farkı (BMSF) yeni bir parametre olarak önerilmiştir. 
Isı değiştiricisine kanat eklenmesi, yüzey akış alanı fayda faktörünü, iç hacim iyilik faktörünü, iyileştirme oranını, performans indeksini ve verim indeksini sırasıyla ortalama 3,66; 3,70; 4,41; 1,57 ve 3,66 kat arttırmıştır. Kanat eklenmesi ısı değiştiricisinin performansını olumlu yönde etkilemiştir.

Abstract:
For the purpose of this study, the thermal and hydraulic characteristics of the spiral finned tube heat exchanger were investigated. The study is limited to the L-footed spiral fin form. A bare tube heat exchanger was used for comparison. In cross-flow heat exchangers, the tubes are in staggered arrangement. 
At constant water inlet volumetric flow rate (2.3 l/min) and ambient air conditions, experimental and numerical studies were carried out for seven different water inlet temperatures (40 °C to 70 °C) and air inlet velocity (3.40 m/s to 7.90 m/s). In the experimental study, the temperature effectiveness-the number of transfer units (P-NTU) method was used. In the numerical study, the turbulence model RANS k-epsilon for finned tube and RANS SST for bare tube were used in COMSOL Multiphysics program (steady-state conditions). Uncertainty, error and statistical analysis were performed.
The Reynolds number ranged from 9043.47 to 21578.67. As a result of the study, average heat transfer, P1 and P2 temperature effectiveness, overall heat transfer coefficient, fin efficiency, total surface efficiency, heat transfer coefficient, Nusselt number, Colburn j-factor, pressure drop and Fanning f-friction factor values were obtained. Experimental correlations are proposed. The dimensionless maximum temperature difference (DMTD) is proposed as a new parameter. 
The addition of fins to the heat exchanger increased the surface flow area goodness factor, the volume goodness factor, enhancement ratio, performance index and efficiency index on average 3.66, 3.70, 4.41, 1.57 and 3.66 times, respectively. The addition of fins affected the performance of the heat exchanger positively.