Gemilerde kullanılan ısı değiştiricilerin termal analizi ve optimizasyonu
Thermal analysis and optimization of heat exchangers used at vessels
Yazar: İBRAHİM KAYA
Danışman: PROF. DR. YASİN ÜST
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Gemi Mühendisliği = Marine Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez çalışması kapsamında, gemilerde kullanılan borulu ve plakalı ısı değiştiricilerin termal analizi ve optimizasyonu ele alınmıştır. Isı değiştirici tasarımlarında, termal analizler önemli bir yer tutmaktadır. Bu bağlamda, ısı değiştirici tasarımında kullanılan alt modeller ile birlikte boyutsuz ve ayrık termal analiz modelleri bu tez çalışmasında geliştirilmiştir. Isı değiştirici tasarımlarında diğer bir önemli husus, belirli kısıtlar altında tasarım parametrelerinin performans parametreleri olan amaç fonksiyonlarına göre optimizasyonudur. Genellikle ısı değiştirici termal analiz modelleriyle ilgili olan kısıt ve amaç fonksiyonlarının doğrusal olmaması, sürekli – ayrık karar değişkenlerinin bir arada bulunması ve yerel optimum çözümlere takılma sorunları sebebiyle optimizasyon süreçleri zorlayıcı olabilir. Bu sebeplerden ötürü bu tez çalışması kapsamında, gradyen bazlı optimizasyon yöntemlerinin yerine sezgisel optimizasyon yöntemleri tercih edilmiştir. Ayrıca, ısı değiştirici yapısal analizi bu tez çalışmasının kapsamı dışında olmasına rağmen, malzeme seçimi gibi bazı yapısal konular termal analiz ve optimizasyon süreçlerine kısıt olarak dâhil edilmiştir.
Bu tez çalışması kapsamında ele alınan diğer bir konu ise, transkritik akışlarda borulu ısı değiştiricilerin ayrık termal analizleridir. Kritik noktadan uzak ve düşük sıcaklık farklarında, akışkanların termofiziksel özelliklerindeki değişimler ihmal edilebilir seviyelerdedir. Bu sayede etkinlik – transfer birim sayısı veya logaritmik sıcaklık farkı gibi boyutsuz termal analiz yöntemleri kullanılabilir. Fakat iki fazlı veya transkritik akışların mevcut olduğu ısı değiştiricilerin termal analizlerinde boyutsuz analiz yöntemleri direkt kullanılamayabilir. Bu soruna çözüm olarak ayrık alt ısı değiştiriciler yöntemi geliştirilmiştir. Bu sayede ısı değiştirici içindeki akışkanların termofiziksel özelliklerindeki değişimler termal analizlere yansıtılabilir. Ayrıca ayrık alt ısı değiştiriciler yöntemi, sadece temel akış desenlerini ele alarak daha karmaşık akış desenlerine sahip ısı değiştiricilerin termal analizlerine de olanak verir. Örnek olarak ayrık alt ısı değiştirici yöntemi ile bölünmüş akışlı gövde borulu ısı değiştiricilerin etkinlik – transfer birim sayısı grafikleri elde edilmiş olmakla birlikte farklı akış geçiş sayılarına sahip plakalı ısı değiştiricilerinin de termal analizleri gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Within the scope of this thesis study, thermal analysis and optimization of tubular and plate heat exchangers used at vessels are discussed. Thermal analysis has an important place in heat exchanger designs. In this context, non - dimensional and discrete thermal analysis models were developed along with the sub-models used in heat exchanger design for this thesis study. Another important issue in heat exchanger designs is the optimization of design parameters under certain constraints according to objective functions, which are performance parameters. Optimization processes can be challenging due to the nonlinearity of constraint and objective functions, which are generally associated with heat exchanger thermal analysis models, the coexistence of continuous and discrete decision variables, and the problems of getting stuck in local optimal solutions. For these reasons, heuristic optimization methods were preferred instead of gradient-based optimization methods in this thesis study. In addition, although heat exchanger structural analysis is out of the scope of this thesis study, some structural issues such as material selection are included in the thermal analysis and optimization processes as the constraints.
Another topic discussed within the scope of this thesis study is the thermal analysis of tubular heat exchangers in transcritical flows. Changes in fluids thermo-physical properties are negligible at low temperature differences and away from the critical
point. Thus, non - dimensional thermal analysis methods such as effectiveness – transfer unit number or logarithmic temperature difference can be used. However, non - dimensional analyses methods may not be used directly in thermal analyses of heat exchangers where two-phase or transcritical flows are present. As a solution to this problem, discrete sub – heat exchanger method was developed. In this way, changes in the thermophysical properties of fluids in the heat exchanger can be reflected in thermal analyses. Moreover, discrete sub - heat exchanger method allows thermal analysis of heat exchangers with more complex flow patterns by considering only the basic flow patterns. Moreover, discrete sub - heat exchanger method also allows thermal analysis of heat exchangers with more complex flow patterns by considering only the basic flow patterns. For example, while the effectiveness – transfer unit number graphs of divided flow shell and tube heat exchangers were obtained with discrete sub - heat exchanger method, thermal analyses of plate heat exchangers with different flow pass numbers were also performed.