Hidrofobik yüzeylerin ısı değiştirici performansı üzerine etkilerinin deneysel incelenmesi
Experimental investigation of the effects of hydrophobic surfaces on heat exchanger performance
Yazar: SALİH DAĞLI
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA ÖZBEY
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Basınç kaybı = Pressure loss ; Enerji verimliliği = Energy efficiency ; Hidrofobik kaplamalar = Hydrophobic coatings ; Isı değiştiriciler = Heat exchangers ; Isı transferi =   ; Kirlenme =   ; Temas açısı = Contact angle

Özet:
Bu çalışmada, contalı plakalı ısı değiştiricinin mevcut tasarımı değiştirilmeden, plaka ıslak yüzeylerine uygulanan hidrofobik kaplamaların ısı transferi, basınç kaybı, kirlenme, mekanik dayanım ve enerji verimliliği üzerine etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Reynolds değerleri 10000 ile 30000 arasında eşit aralıklı beş farklı değer olarak ayarlanmıştır. Akışkan giriş sıcaklıkları 52, 62 ve 72 ⁰C olarak belirlenmiştir. FEP (florlu etilen propilen) malzeme içerisine hidrofobikliği artırmak için kütlece %3, %7 ve %10 oranında h-BN (hegzagonal bor nitrür) nanopartikül eklenmiş, yüksek hidrofobik özelliğe sahip, ucuz ve kolay uygulanabilir yeni bir hidrofobik kaplama solüsyonu sentezlenmiştir. Plaka ıslak yüzeyleri FEP, FH3 (FEP+%3 h-BN), FH7 (FEP+%7 h-BN) ve FH10 (FEP+%10 h-BN) olmak üzere dört farklı hidrofobik özelliğe sahip nanopartikül takviyeli karbon bazlı polimer solüsyon ile kaplanmıştır. Hidrofobik yüzey kaplama işlemi uygulanmış ısı değiştiriciden elde edilen ısı transferi, basınç kaybı, kirlenme, mekanik dayanım ve pompa gücü sonuçları, kaplamasız ısı değiştirici ile karşılaştırılmıştır. Kaplanan yüzeylerin temas açıları sırasıyla 95º, 121º, 135º ve 113º olarak ölçülmüştür. Artan h-BN oranı ile temas açısı artmış fakat kütlece %10 eklendiği durumda yüzeyde oluşan pürüzlülük ve kaplama film kalınlığının artması ile temas açısı azalmıştır.
Isı değiştirici etkinliğinin hidrofobik özellik ile doğru orantılı olarak arttığı gözlemlenmiştir. Hidrofobik kaplama uygulanmış ısı değiştiricilerde en yüksek etkinlik FH7 kaplama ile elde edilmiş olup bu değer 0.543 olarak tespit edilmiştir. Hidrofobik kaplama ile ısı transferinde yaklaşık %17.14 azalma olduğu belirlenmiştir. Basınç kayıpları en iyi hidrofobik özelliğe sahip olan FH7 kaplı ısı değiştiricide, kaplama işlemi uygulanmamış ısı değiştiriciye göre %71.28 daha düşük oranlarda gerçekleşmiştir. Yerel kayıplarda ise FH7 kaplı ısı değiştiricide %25.5 iyileşme sağlanmıştır. Hidrofobik yüzey kaplamaları ile ısı değiştiricide meydana gelen kirlenme oluşumu %82 oranında azaltılmıştır. Kirlenme etkilerinin azaltılması sonucunda FH7 kaplı ısı değiştiricide ısı transferinde %38.22 artış sağlanmıştır. En düşük sürtünme katsayısı FH7 kaplı ısı değiştiricide 0.21 olarak belirlenmiş ve aşınma oranlarında kaplamasız duruma göre %74.69 iyileşme elde edilmiştir. Sirkülasyon pompalarının enerji tüketimi FH7 kaplama sayesinde %17.76 oranında azaltılmıştır.

Abstract:
In this study, the effects of hydrophobic coatings applied to plate wet surfaces on heat transfer, pressure drop, fouling, mechanical strength, pump power and heat exchanger performance were experimentally investigated by keeping the existing designs of gasketed plate heat exchangers constant. The Reynolds values were set to five different values equally spaced between 10000 and 30000. The temperature of the inlet fluid was set at 52, 62 and 72 ⁰C, respectively. In order to increase the hydrophobicity of the FEP (Fluorinated Ethylene Propylene) material, 3%, 7% and 10% by mass weighted of h-BN (Hexagonal Boron Nitride) nanoparticles were added in the solution. A cheap and easily applicable new hydrophobic coating solution which has high hydrophobic properties was synthesized. The wet surfaces of the plate were covered with a nanoparticle reinforced carbon-based polymer solution with four different hydrophobic properties: FEP, FH3 (FEP+3% h-BN), FH7 (FEP+7% h-BN) and FH10 (FEP+10% h-BN). The heat transfer, pressure drops, fouling, mechanical strength and pump power results obtained from the heat exchanger with hydrophobic surface coating were compared with the uncoated heat exchanger. The contact angles of the coated surfaces were measured as 95º, 121º, 135º and 113º, respectively. The contact angle increased due to high h-BN ratio, but when 10% by mass was added, the contact angle decreased with the increase in surface roughness and coating film thickness.
It was observed that the efficiency of the heat exchanger increased in direct proportion to the degree of hydrophobicity. The highest efficiency value in hydrophobic heat exchanger was found in the FH7 coating and was determined as 0.543. It was determined that there was a decrease of approximately 17.14% in heat transfer with the hydrophobic coating. The pressure drops were 71.28% lower in the FH7 surface coated heat exchanger, which has the best hydrophobic property, compared to the heat exchanger without any coating process. In local losses, 25.5% improvement was achieved in the FH7 coated heat exchanger. Thanks to the hydrophobic surface coatings, the formation of fouling in the heat exchanger has been reduced by 82%. As a result of reducing the effects of fouling, 38.22% increase in heat transfer was achieved in the FH7 coated heat exchanger. The lowest coefficient of friction was determined as 0.21 in the FH7 coated heat exchanger, and 74.69% improvement was obtained in abrasion rates compared to the uncoated heat exchanger. The energy consumption of the circulation pumps has been reduced by 17.76% thanks to the FH7 coating.