Isı değiştirici hava tarafı ısı transfer performansını arttırmak amacıyla parametrelerin nümerik ve deneysel olarak incelenmesi
Numerical and experimental investigation of parameters to improve heat exchanger air side performance
Yazar: FUNDA ERDEM ŞAHNALİ
Danışman: PROF. DR. ŞEVKET ÖZGÜR ATAYILMAZ ; DOÇ. DR. ZAFER GEMİCİ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Dünya nüfusunun yükselmesi ile birlikte harcanan enerji de hızlı bir şekilde artmaktadır. Enerji tüketimindeki dağılım incelendiğinde ise evlerde aydınlatma ve buzdolapları tarafından harcanan enerji tüketimi en büyük kısmı oluşturmaktadır. Bu nedenle buzdolaplarının harcadığı enerji tüketimi, araştırmacıları yüksek performanslı ve daha verimli ürünler geliştirmeye yöneltmiştir. Bu alanda literatürde çeşitli araştırma konusu olup, soğutma çevrimi ile çalışan buzdolaplarında daha küçük, hafif ve verimi yüksek ısı değiştiricilerin geliştirilmesi için yapılan çalışmalar ön plana çıkmaktadır. Bu araştırma, hava tarafı ısıl performansın iyileştirildiği uygulamalara odaklanarak, yenilikçi ısı değiştirici tasarımını ortaya koymayı amaçlamaktadır. Özellikle buzdolaplarında kullanılan ısı değiştirici yapıları için hava tarafı ısı transferini etkileyen optimum parametrelerin deneysel ve sayısal incelenmesi ile performans artırımı sağlayan yeni nesil ısı değiştirici dizaynının ortaya konması hedeflenmektedir. Tez çalışmasının ilk iki bölümünde, konu ile ilgili soğutma çevrimi yapısı ve bileşenlerine, literatürde yer alan çalışmalara detaylı değinilmiş ve yapılan doktora çalışmasının özgün yönü vurgulanmıştır. Son yıllarda hava tarafını iyileştirmek üzere çeşitli ısı değiştirici tasarımlarına yönelik çalışmaların yapıldığı fakat düşük Reynolds sayılı uygulamalarda keskin olmayan dış forma sahip Kammtail boru formunun ve hibrit kanat yerleşiminin çalışılmadığı gözlemlenmiştir. xvi Üçüncü bölümde sayısal modelleme çalışmalarının detaylarına, kullanılan yaklaşımlara ve sınır koşullarına değinilmiştir. Sayısal çalışma kanatsız boru analizleri ve sonrasında en iyi çıkan boru konfigürasyonu için kanatlı boru analizleri ile devam etmektedir. Tezin dördüncü bölümünde, deneysel çalışmalarda kullanılan sistem bileşenleri ve çalışma prensibi detaylı anlatılmıştır. Ayrıca sayısal çalışmaları doğrulamak adına deneylerin yürütüldüğü deney düzenekleri hakkında detaylı bilgi verilmiştir. Deney düzeneğinde kullanılan cihazlar, ölçüm yöntemleri ve sınır koşulları aktarılmıştır. Beşinci ve altıncı bölümlerde doğrulama ve sayısal analiz sonuçları detaylı bir şekilde aktarılmıştır. Orijinal kondenser ile sonuçlar kıyaslanarak hava tarafı basınç düşümü azaltılıp, ısı transfer performansı iyileştirilen bir optimum tasarım ortaya konulmuş ve çıktıları ayrıntılı olarak paylaşılmıştır. Tez çalışmasının son bölümünde ise elde edilen sonuçlara ve gelecek çalışmalar için önerilere yer verilmiştir.

Abstract:
The rapid increase in the world population has led to a noticeable rise in energy consumption. Research indicates that after the industrial sector, the highest consumption occurs at the domestic level. Within domestic consumption, lighting and refrigerators account for the largest share. In this context, the literature reveals numerous studies, with a particular emphasis on the development of smaller, lighter, and highly efficient heat exchangers for refrigerators operating on cooling cycles. This research aims to present an innovative heat exchanger design by focusing on applications where thermal performance on the air side is improved. 
The first two chapters of the thesis provide a detailed review of the cooling cycle structure and components related to the topic, as well as existing studies in the literature, emphasizing the original aspects of this doctoral research.
The third chapter delves into the details of numerical modeling studies, the approaches used, and the boundary conditions. The numerical study progresses with finless tube analyses, followed by finned tube analyses for the best-performing tube configuration.
In the fourth chapter, the components and working principles of the systems used in the experimental studies are explained in detail. Additionally, detailed information about the experimental setups used to validate the numerical studies is provided. The devices, measurement methods, and boundary conditions used in the experimental setup are described.
The fifth and sixth chapters present the validation and numerical analysis results in detail. By comparing the results with the original condenser, an optimal design that reduces air-side pressure drop and improves heat transfer performance is proposed, with the findings shared in detail.
The final chapter of the thesis discusses the obtained results and provides recommendations for future studies.