Yanıt yüzey yöntemi yardımı ile ısı değiştirici optimizasyonu
Heat exchanger optimization with the helping of response surface method
Yazar: ABDUSSAMET SUBAŞI
Danışman: DOÇ. DR. BAYRAM ŞAHİN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Isı değiştiriciler = Heat exchangers ; Isı geçişi = Heat transfer ; Optimizasyon = Optimization

Özet:
Endüstriyel uygulamalarda ısı transferinin artırılması sıkça karşılaşılan ve sürekli geliştirilme ihtiyacı duyulan bir mühendislik problemidir. Gaz türbini kanatlarının soğutulması, gaz soğutmalı nükleer reaktörler, uzay ve otomotiv araçları, kompakt ısı değiştiriciler ve son yıllarda tartışmasız hayatımızın vazgeçilmez bir parçası haline gelen elektronik cihazların soğutulması endüstriyel uygulamalara verilecek örneklerden sadece bir kaçıdır. Isının sisteme/sistemden transfer edilme işlemi değişik geometri ve dizilişe sahip kanatlar kullanılarak iyileştirilir. Bu elemanların boyutları ve geometrileri transfer işleminin performansını doğrudan etkilemektedir.Bu çalışmada kompakt ısı değiştiricilerinde, güneş kolektörlerinde, ısı ve ses yalıtımında, uydularda, hava taşıtlarında, yüksek hızlı trenlerde, katalitik yakıcılarda ve kompozit malzeme yapımında kullanılan metalik balpeteği yapıların ısı transferi ve akım karakteristiklerini belirlemeye yönelik deneysel bir çalışma yapılmıştır. Tasarım parametreleri ve değerleri, kanat yüksekliği (H) için 20, 40 ve 60mm, kanat kalınlığı (t) için 6, 10 ve 15mm, akışa paralel yönde kanatlar arası mesafe (Sy) için 20, 30 ve 40mm, karşılama açısı (?) için 0o, 15o ve 30o ve Reynolds sayısı (Re) için 8.000, 16.000 ve 25.000 olarak seçilmiştir. Yanıt Yüzey Metodu (YYM) yardımıyla Nusselt sayısı, termal direnç ve sürtünme faktörü için matematiksel modeller kurulmuş, termal direnç ve sürtünme faktörünü minimum yapacak tasarım değişkenlerini belirlemek için çok amaçlı optimizasyon yapılmıştır.Deneyler neticesinde metalik bal peteğinden imal edilmiş test elemanlarının ısı transferini iyileştirmede kayda değer bir etki sağladığı gözlemlenmiştir. Termal dirence ve projeksiyon alanı esas alınarak hesaplanan Nusselt sayısına (Nup) en etkili parametrenin Reynolds sayısı (Re), toplam alan esas alınarak hesaplanan Nusselt sayısına (Nut) ve sürtünme faktörü üzerine en etkili parametrenin ise elemanlarının yüksekliği (H) olduğu belirlenmiştir. Çok amaçlı optimizasyondan elde edilen sonuçlar liste halinde verilerek hangi çözümün seçileceğinin belirlenmesi karar vericinin inisiyatifine bırakılmıştır.

Abstract:
In Industrial applications, enhancement of heat transfer is a common engineering problem. Cooling of gas turbines blades, nuclear reactors with gas cooling, space shuttles and autos, compact heat exchangers and cooling of electronic devices of our daily lives are the few examples of industrial applications. Transfer process of heat into/from system can be enhanced by using fins that have different geometrical shape and arrangement.In this study, experimental study has been done in order to determine flow and heat transfer characteristics of metallic honeycombs structures that are used in compact heat exchangers, solar collectors, heat and sound insulation, satellites, aircrafts, high speed trains, catalytic burners and manufacture of composite materials. Design parameters and values have been selected for fins height (H) 20, 40 and 60mm, for fin thickness (t) 6, 10 and 15mm for distance between fins (Sy) 20, 30, 40mm, for angle (?) 0o, 15o and 30o and for Reynolds number (Re) 8.000, 16.000 and 25.000. With the help of response Surface Methods (RSM), mathematical models have been established for Nusselt number, thermal resistance and friction factor. Also for determination of design parameters that can make minimum thermal resistance and friction factor, multiobjective optimization has been done.As a result of experiments, metallic honeycomb test components have significant effect on enchantment of heat transfer. The most effective parameter for the Nusselt number (Nup) calculated based on projection area and thermal resistance (Rth) is determined as Reynold number (Re). For the Nusselt number (Nut) calculated based on total area and friction factor, the most effective parameter is determined as component height (H). Results from Response Surface Methods have been given as a list for allow decision maker to select the solution.