Plakalı ısı değiştirici performansının yeni bir plaka geometrisi kullanılarak had analizi ile geliştirilmesi
Improvement of plate heat exchanger performance by cfd analysis using a new plate geometry
Yazar: AHMED SADIK
Danışman: PROF. DR. ALİ ERİŞEN
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Plakalı ısı değiştiricileri, ısı transferinde kullanılan en önemli ısı değiştiricileri arasındadır. Yüksek ısı transfer hızı, sıkıştırılabilirlik, bakım kolaylığı ve temizlik gibi özellikleri nedeniyle nükleer reaktörlerden su ısıtma cihazlarına (kombi) kadar çok çeşitli endüstriyel alanlarda kullanılmaktadır. Bu nedenle, plakalı ısı değiştiricinin ısı transferini ve performansını iyileştirmek, hem araştırmacılar hem de üreticiler için sürekliliği ve rekabeti sürdürmek ve büyüyen pazarın ihtiyaç ve gereksinimlerini karşılamak için stratejik ve önemli bir hedeftir. Bu doktora tezi çalışmasında, ısı değiştiricinin ısı transferini ve performansını artırmak amacıyla plakalı ısı değiştiricisinde kullanılan plakaların yeni bir geometrisi önerilmiştir. Bu araştırma üç temel çalışmadan oluşmaktadır.

İlk çalışma, plakanın geometrik tasarımını ve ardından ANSYS Fluent programı aracılığıyla yeni plakaya göre akış özelliklerinin sayısal çalışmasını içermiştir. Sayısal çalışmada, plakanın yeni geometrisi sonucunda oluşan akış desenleri ve ısı değiştirici içindeki akışın ısıl ve hidrolik özelliklerine etkileri açıklanmıştır. Nusselt sayısı ile sürtünme katsayısının her biri için korelasyonlar, Reynolds sayısının (500-5000) aralığında yapılan sayısal çalışmanın sonuçlarından çıkarılmıştır. Sayısal çalışmanın sonuçları, plakalı ısı değiştiricisindeki hem Nusselt sayısında hem de performansında, literatürde bulunan geleneksel chevron plakaları ve diğer plaka geometrileriyle karşılaştırıldığında sırasıyla % 28 ve % 40 oranlarında önemli bir gelişme göstermiştir.
İkinci çalışmada, ilk çalışmada gerçekleştirilen sayısal çalışmanın sonuçlarını doğrulamak amacıyla, ısı değiştiricilerini analiz etmenin iki temel yöntemini (LOSF ve -TBS) birleştiren yeni bir analitik yöntem geliştirilmiştir. Sayısal ve analitik sonuçların yakınsaması olarak, sonuçlar arasında, sayısal çözümün güvenilirliğini gösteren, maksimum % 3.6 bağıl hata hesaplanmıştır.

Üçüncü çalışmada ise, ilk çalışmada önerilen plaka geometrisinin geliştirilmesi, plakanın ana geometrik parametrelerinin bir kısmı değiştirilerek ve bu değişimin ısı değiştirici içindeki akış özelliklerine etkisi sayısal olarak incelenerek yapılmıştır. Değiştirilen geometrik parametreler, hiperbolik tanjant fonksiyonunun şekli ve elipsin boyutlarıdır. Hiperbolik tanjant fonksiyon parametresi için sonuçlar, ilk çalışmada incelenen durumla karşılaştırıldığında, "y = tgh(x)" fonksiyonuna karşılık gelen plaka şekli için, hem Nusselt sayısında hem de performansta sırasıyla ortalama olarak % 8 ve % 13'lük, dalgalanma derinliğinin uzunluğunun (elips boyutları) değiştirilmesinin sonuçları ise, ilk çalışmada incelenen durumla karşılaştırıldığında, "b = 2.5 mm" dalgalanma derinliğine karşılık gelen elips geometrinin hem Nusselt sayısında hem de performansta sırasıyla ortalama olarak % 52 ve % 36'lık bir iyileşme göstermişlerdir.

Abstract:
Plate heat exchangers are known as one of the most important types of heat exchangers used in heat transfer, thanks to its characteristics such as high heat transfer rate, compressibility, ease of maintenance, and cleaning. So, the plate heat exchangers have been used in a wide range of industrial fields, from nuclear reactors to water heating devices (combi). Therefore, improving the heat transfer and performance of the plate heat exchanger is a strategic and important goal for both researchers and manufacturers to maintain continuity and competition and meet the growing needs and requirements of the market.

In this work, a new geometry of the plates used in the plate heat exchanger has been proposed with the aim of increasing the heat exchange and performance of the exchanger. Particularly, this research consists of three basic studies.

 The first study includes the geometrical design of the plate, as well as the numerical study of the flow characteristics according to the new plate by means of the ANSYS Fluent program. In the numerical study, the flow patterns formed as a result of the new geometry of the plate and their effect on the thermal and hydraulic properties of the flow within the exchanger have been explained. Correlations for each of the Nusselt number and the coefficient of friction have been extracted from the results of the numerical study in the field of Reynolds number (500 - 5000). The results of the numerical study showed a significant improvement in term of the Nusselt number and the performance of the plate heat exchanger by 28% and 40%, respectively, compared to its counterparts of conventional chevron plates and other plate geometries found in the literature.

 The second study aims of at validating the results of the numerical study carried out in the first study, a new analytical method has been suggested that combines the two basic methods of analyzing heat exchangers (LMTD and -NTU). The convergence of numerical and analytical results has been observed at a maximum relative error 3.6%, which indicates the reliability of the numerical solution.

As for the third study, the development of the geometry of the plate proposed in the first study has been studied by changing some of the main geometrical parameters of the plate and numerically examining the effect of this change on the flow properties within the exchanger. It has been chosen to change both the formation of the hyperbolic tangent function and the dimensions of the ellipse. The results obtained using the hyperbolic tangent function parameter showed an average improvement of 8% and 13% in both Nusselt number and performance, respectively, corresponding to the "y = tgh(x)" function, compared to the case examined in the first study. The results of changing the length of corrugations depth (ellipse dimensions) showed an average improvement of 52% and 36% in both the Nusselt number and performance, respectively, corresponding to the "b = 2.5 mm" corrugations depth compared to the case studied in the first study.