Bir ısı değiştiricisinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile modellemesi
Modeling of a heat exchanger with computational fluid dynamics
Yazar: MEHMET AKİF KARTAL
Danışman: DOÇ. DR. AHMET TALAT İNAN ; DOÇ. DR. HASAN KÖTEN
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Farklı sıcaklıklardaki akışkanlar arasında meydana gelen ısı değişimleri mühendislik uygulamalarında sıklıkla karşılaşılan bir durumdur. Bu türden değişimlerin en çok yaşandığı cihazlardan birisi de bu çalışmanın esasını teşkil eden ısı değiştiricileridir.  Isı Değiştiricilerin değişik tipleri ile birlikte pratikte termik santraller, boya ve kimya sanayisi, ısıtma-soğutma-iklimlendirma sistemleri ve elektrik üretim santralleri gibi pekçok kullanım alanları bulunmaktadır. 
Bu çalışmada, metodoloji olarak; gövde borulu bir ısı eşanjörünün Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği vasıtasıyla üç boyutlu akış analizleri Vaka 3 Modeline göre yapılarak farklı tiplerde tasarlanmış şaşırtma levhalarının kullanılmasıyla birlikte basınç düşüşü, sıcaklık ve basınç dağılımlarına ait görüntüler elde edilmiştir. Çalışmanın amacı, saptırıcı plakaları farklı tiplerde tasarlanmış olan gövde borulu ısı değiştiricisinde, iki farklı tipte saptırıcı plakanın gövde tarafında meydana getireceği basınç düşüşü ve ısı transferinde meydana getireceği etkileri incelenmiştir. Geleneksel tek parçalı ve delikli tip saptırıcı plakaya sahip gövde borulu ısı eşanjöründe 1.2, 1.5, 1.8 ve 2.1 kg/s olan dört farklı debinin gövde tarafında meydana gelen basınç düşüşüne ve ısı transferinde meydana getireceği etkileri gözlemlenmiştir. Neticede, gövde tarafındaki akışkanın kütlesel debisinin yükselmesiyle basınç düşüşü ve ısı taşınım katsayısının arttığı tespit edilmiştir. Delikli tip saptırıcı plaka ile donatılmış eşanjörün geleneksel tek parçalı saptırıcı plaka ile tasarlanmış eşanjörle yapılan analiz sonuçlarına nazaran hem basınç düşüşünün hem de ısı taşınım katsayısının daha düşük olduğu gözlemlenmesinin yanında, geleneksel tek parçalı saptırıcı plaka ile tasarlanmış eşanjörde; basınç düşüşü başına düşen ısı transfer oranının değişimini gözlemlemek için yapılan analiz sonuçlarına nazaran bazı noktalarda daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Yapılan bir diğer analizde, geleneksel tip saptırıcı plaka ile donatılmış eşanjörün, test edilen kütlesel debinin 1.2 kg/s olması halinde diğer debilere nazaran en yüksek oransal değerin basınç düşüşü başına düşen ısı transfer oranı olarak tespiti gerçekleşmiştir.
Ayrıca tasarlanan konvansiyonel tek parçalı şaşırtma levhaları arasındaki boşlukların değişimi ile meydana gelebilecek basınç düşüşleri, ısı transferi oranı ve akışkan davranışındaki farklılaşmalar gözlemlenmiştir. Analiz sonuçlarından anlaşılacağı üzere dört farklı debi değerindeki değişimlerin artış göstererek devam etmesi sonucunda tüm hallerde ısı taşınım katsayısının da buna bağlı olarak değişim göstererek artış sağladığı belirlenmiştir. Bir diğer gözlemlenen neticede ise, tek parçalı saptırıcı plakanın 75 mm aralıkta tasarlanmış gövde borulu ısı eşanjöründeki ısı taşınım katsayısının, 1.2, 1.5, ve 1.8 kg/s debilerinde tek parçalı saptırıcı plakanın 50 mm aralıkta tasarlanmış gövde borulu ısı eşanjöründeki ısı taşınım katsayısına oranla daha yüksek olduğu gözlenmiştir. Konvansiyonel tek parçalı saptırıcı plakayla donatılmış olan gövde borulu tip ısı eşanjöründe kütlesel debinin 1.2, 1.5, 1.8 ve 2.1 kg/s ve saptırıcı plaka aralığının 75 mm olduğu durumlardaki meydana gelen basınç düşümünün saptırıcı plaka aralığının 50 mm olduğu ve kütlesel debilerin 1.2, 1.5, 1.8 ve 2.1 kg/s olduğu durumlardan daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Bir diğer analiz sonucuna göre, tek parçalı saptırıcı plakanın 50 mm aralıkta tasarlanmış gövde borulu ısı eşanjöründeki basınç düşüşü başına düşen ısı transfer oranının, tek parçalı saptırıcı plakanın 75 mm aralıkta tasarlanmış gövde borulu ısı eşanjöründeki basınç düşüşü başına düşen ısı transfer oranına nispeten daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Basınç düşüşü başına düşen ısı transfer oranı ile ilgili yapılan bir diğer analizde, kütlesel debinin 1.2 kg/s olması durumunda, tek parçalı saptırıcı plakanın 75 mm aralıkta tasarlanmış gövde borulu ısı eşanjöründeki basınç düşüşü başına düşen ısı transfer oranının diğer debilerdeki durumlara kıyasla en yüksek değerde izlendiği gözlemlenmiştir.
Çalışmanın devamında ise, gövde borulu ısı değiştiricilerinden U boru tipindeki ısı değiştiricisi için iki farklı akışkan (su ve buharlı)'ın kullanıldığı ısı değiştiricisinde HAD ile modellemesi yapılmış ve akışkan davranışındaki sıcaklık, basınç, hız ve kapasite değerlerinin değişimleri tespit edilerek değerlendirilmiştir.

Abstract:
Heat exchanges occurring between fluids at multiple and different temperatures are one of the most frequently encountered events in engineering applications. Devices that experience such changes are called heat exchangers. In practice, they can be used in thermal power plants, paint and chemical industry, heating-cooling-air conditioning systems, power generation plants and can be produced in different types and features according to their usage areas.
In this study, as a methodology; images of pressure drop, temperature and pressure distributions were obtained by using different types of baffle plates by performing three dimensional flow analysis by means of Computational Fluid Dynamics according to the Case 3 Model of a shell and tube heat exchanger. The aim of the study is to test the effects of two different types of baffle plates on the pressure drop on the body side and heat transfer in the shell and tube heat exchanger, the baffle plates of which are designed in different types. The effects of four different flow rates, 1.2, 1.5, 1.8 and 2.1 kg/h, on the pressure drop on the body side and heat transfer, were observed in the traditional one-piece shell and tube heat exchanger and a perforated type shell and tube heat exchanger. As a result, it has been determined that the pressure drop and the heat transfer coefficient increase with the increase in the mass flow rate of the fluid on the body side. It has been observed that both the pressure drop and the heat transfer coefficient of the heat exchanger equipped with a perforated type baffle plate are lower than the analysis results made with the heat exchanger designed with a conventional one-piece baffle plate. According to the results of the analysis, the heat transfer rate per pressure drop was found to be higher at some points in the heat exchanger equipped with a perforated type diverter plate. In another analysis, in case the tested mass flow rate of the heat exchanger equipped with a conventional type baffle plate is 1.2 kg/s, the highest proportional value was determined as the heat transfer rate per pressure drop compared to other flow rates.
In addition, the pressure drops, heat transfer rate and variations in fluid behavior that may occur with the change of spaces between the designed conventional one-piece baffle plates were observed. As can be seen from the results of the analysis, it was determined that the changes in the four different flow rates continued to increase, and the heat transfer coefficient increased accordingly in all cases. Another observed result is that the heat transfer coefficient of the one-piece baffle plate in the shell-tube heat exchanger designed at 75 mm spacing is higher than the heat convection coefficient of the one-piece baffle plate in the shell-tube heat exchanger designed at 50 mm spacing at flow rates of 1.2, 1.5, and 1.8 kg/s. has been observed. It has been observed that the pressure drop in case of mass flow rate of 1.2, 1.5, 1.8 and 2.1 kg/h and baffle plate spacing of 75 mm in shell and tube type heat exchanger equipped with conventional one-piece baffle plate higher than in case of the baffle plate spacing is 50 mm and the mass flow rate of 1.2, 1.5, 1.8 and 2.1 kg/h. According to another analysis result, it was observed that the heat transfer rate per pressure drop of the one-piece baffle plate in the shell and tube heat exchanger designed at 50 mm spacing was relatively higher than the heat transfer rate per pressure drop of the one-piece baffle plate in the shell and tube heat exchanger designed at 75 mm spacing. In another analysis of the heat transfer rate per pressure drop, in case the mass flow rate is 1.2 kg/s, the heat transfer rate per pressure drop in the shell-tube heat exchanger designed at 75 mm spacing of the one-piece baffle plate is observed at the highest value compared to the cases at other flow rates, has been observed.
In the continuation of the study, for the U-tube type heat exchanger, which is one of the shell and tube heat exchangers, two different fluids (water and steam) are used in the heat exchanger, which is modeled with HAD and the changes in the temperature, pressure, velocity and capacity values in the fluid behavior are determined and evaluated.