Jet motorlarında kullanılan tipik kompakt ısı değiştiricileri için sayısal ısıl-hidrolik analiz
Numerical thermohydraulic analysis of typical compact heat exchangers used on jet engines
Yazar: YILMAZ ALTUNTAŞ
Danışman: PROF. DR. BERRİN ERBAY
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2006
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
ivÖZETBu çalışmada jet motorlarında kullanılan kompakt ısı değiştiricilerinin tanımı ileF-16 uçaklarına ait yağ soğutucusunun kanallarında meydana gelen tıkanıklığın ısıdeğiştirici performansına etkisi sayısal olarak araştırılacaktır.Günümüzde kullanım yerine bağlı olarak değişkenlik gösteren ısı değiştiricilerin;düşük maliyet, hafiflik, bakım kolaylığı, yüksek enerji transferi, az hacim kaplaması, arzuedilen nitelikler olup, kompakt ısı değiştiricileri bu özellikleri taşımaktadır. Sanayidekullanılan ısı değiştirici ile uçakta kullanılan ısı değiştirici arasındaki farklılıklardan ilkakla geleni, hacim ve ağırlıktır.Yeni nesil uçaklarda kompakt ısı değiştiricileri yoğunlukla kullanılmaktadır. Buısı değiştiriciler hava-yakıt-yağ akışkanlarının muhtelif kombinezonlarından oluşur.Temel amaç; ısınan elektronik devreleri soğutmak, yağlama sistemindeki artan sıcaklığıazaltmak, kabindeki iklimlendirmeyi sağlamaktır.Isı değiştiricisinin en uygun şekilde tasarımı, öncelikle çalışma şartlarının tespitedilmesiyle mümkündür. Dizayn aşamasında, giriş/çıkış sıcaklıkları, ısı değiştiriciölçülerinin her biri değişken olabileceğinden bir çok hesaplamanın yapılması gerekliolmaktadır.Computational Fluid Dynamics, CFD Sayısal Modelleme Tekniği ile laboratuarsonuçlarına çok yakın değerlerde ısı değiştiricisi tasarımı mümkün olmakta ve değişenher bir parametrenin sonuçları kolaylıkla alınmaktadır.vF16 uçaklarında bulunan ve motor yağlama sistemindeki yağın sıcaklığınıazaltmak için kullanılan ısı değiştiricisi, 217 adet boru elemanı, bir gövde, bir eksenelperde ile 12 adet radyal perdeye sahiptir. Yağın sıcaklığı motor çalışma şartlarına bağlıdeğişkenlik göstermekte olup, ortalama 403 K çalışma sıcaklığına sahiptir. Yağsıcaklığının 422 K limitini geçmesi kritik seviye olup ikiden fazla borunun tıkanması budeğerin aşılmasına neden olduğundan ısı değiştiricisi kullanılamamaktadır.Tüm ısı değiştiricisinin modellenmesi yerine belirli bir kesit alınarak model vehesaplamalar yapılarak tüme gidilir. Ancak kesitin tüm ısı değiştiricisinin özellikleriniyansıtması gerekmektedir. Periyodik akış ve simetrik model durumunda daha kısa süredesonuçlar alınabilmektedir.Isı değiştiricisi tasarım verileri ile CFD Sayısal Modelleme verilerikarşılaştırılarak, toplam 3 adet borunun tıkanması sonucu ısı transferinin motordaki yağsıcaklığını kritik değer olarak bilinen 422 K değerinin altında tutacak seviyedegerçekleşmediği ve sistemin görev yapamaz hale geldiği görülebilmektedir.

Abstract:
viSUMMARYIn this study, definition of compact heat exchangers used on jet engines andchange of performance of F-16 Fuel Oil cooler caused by blockage in tubes isinvestigated.The properties of heat exchangers change depending on usage. It is expected for aheat exchanger to have low cost, lightweight, maintainability, high heat transfer rate, lowspace requirements. Compact heat exchangers have most of these properties. Differencebetween heat exchangers used in industry and on aircraft are low space and weightness.Compact heat exchangers are commonly used on new generation aircrafts.Working fluids used in these exchangers are combination of air, oil and fuel. The purposeof using heat exchanger is to cool electronic equipment, to reduce hot oil temperature andto air condition cabin or cockpit.The most convenient design of a heat exchanger is possible determining of realoperation parameters. At the design stage, inlet/outlet temperatures may be variable. Forthat reason a lot of calculation is needed.Using Computational Fluid Dynamics, CFD Numeric Modelling program it ispossible to obtain values close to laboratory results.The heat exchanger used on F16 aircraft engine is a counterflow shell and tubeheat exchanger. It is used for reducing oil temperature. On the heat exchanger, 217 tubes,one shell, one axial and twelve radial baffles are available. Oil temperature changesaccording to engine operation conditions. But it has average temperature of 403 K. It isviicritical value for oil temperature to exceed 422 K. The blockage of more than two tubescause to exceed this temperature. As a result, heat exchanger cannot be used.Instead of modelling whole exchanger, only the portion of exchanger is modelled.Therefore, results can be obtained very quickly.It is seen that in case of blockage of more than two tubes cause to increase oiltemperature and system problems.