Yüksek sıcaklık dayanımlı, termal iletkenliği yüksek karbon fiber ve grafit takviyeli kompozit malzemelerden bir ısı değiştiricisi geliştirilmesi ve ısıl performansının tespiti
Development and thermal performance of a heat exchanger from high temperature resistant, high thermal conductive carbon fiber and graphite reinforced composite materials"
Yazar: ABDULLAH BAHLEKEH
Danışman: DOÇ. DR. LÜTFİYE ALTAY ; DOÇ. DR. MEHMET SARIKANAT
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, Fused Deposition Modeling (FDM) eklemeli imalat yöntemine uygun yüksek sıcaklığa dayanıklı polimer tabanlı karbon fiber ve grafit katkılı kompozit filamentler üretilmiş ve bu kompozit malzemeden bir plakalı ısı değiştiricisi tasarlanmış ve eklemeli imalat yöntemi ile üretilerek performans deneyleri yapılmıştır.  Bu kompozit malzemelerde matris olarak yumuşama sıcaklığı yüksek poliamid 46 (PA46) termoplastik malzemesi kullanılmıştır. Zift tabanlı karbon fiberin üstün termal ve mekanik ve sentetik grafitin üstün termal özelliklerinden faydalanılarak düzlemsel ve kalınlık doğrultusunda termal iletkenliği yüksek termoplastik tabanlı malzeme geliştirilmiştir. Farklı karbon katkılarının kullanılmasının amacı, kalınlık ve düzlem boyunca termal iletkenlik ağının daha iyi kurulmasıdır. Geliştirilen malzemelerin mekanik ve termal karakterizasyonu yapılarak özellikleri tespit edilmiş ve sinerjik etkileri incelenmiştir. Geliştirilen malzemenin termal ve mekanik özelliklerine göre plakalı ısı değiştiricisi tasarımı yapılmış ve FDM eklemeli imalat yöntemiyle plakalı ısı değiştiricisi üretimleri gerçekleştirilmiştir. Bu projede üretilmiş olan karbon fiber ve sentetik grafit takviyeli PA46 termoplastik tabanlı malzeme kullanılarak bir plakalı ısı değiştiricisi tasarımı ve FDM eklemeli üretimi yapılması ve performans testlerinin gerçekleştirilmesi bu çalışmanın en önemli özgünlüğünü oluşturmaktadır.
Isı değiştiricinin geometrik parametrelerinin belirlenmesi, ısı değiştiricinin termal-hidrolik performansı üzerinde önemli etkilere sahiptir. Bu çalışmada, bir plakalı ısı değiştiricinin geometrik parametrelerinin termohidrolik performans üzerindeki etkileri, hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) kullanılarak kapsamlı bir şekilde araştırılmıştır. 500 ile 3000 arasında değişen Reynolds sayıları için çeşitli oluk açıları (β) ve en boy oranları (2b/λ) olan 8 farklı oluklu kanal geometrisi üzerinde parametrik çalışmalar yapılmıştır. Tüm bir sıvı kanalı, aynı kütle akış hızı ve Reynolds sayısı kullanılarak sayısal olarak incelenmiştir.  Çalışma sonucunda sıcaklık dağılımı, basınç gradyanı, hız, türbülanslı kinetik enerji dağılımı, Nusselt sayısı, sürtünme faktörü ve akış özellikleri her bir durum için karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Sinüzoidal olukların, türbülans yoğunluğunu arttırdığı ve en-boy oranının artmasına tepki olarak termal sınır tabakasının azalmasına ve konveksiyon ısı transferinin artmasına yol açan dönen akışı desteklediği belirlendi. Çalışmanın sonuçları, (HAD) modelinin 3B kontur grafiklerini, akış çizgilerini görüntülemek ve performans parametrelerini belirlemek için makul ve etkili bir teknik olduğunu göstermektedir.

Abstract:
In this dissertation study, a high temperature resistance and thermally conductive polymer-based hybrid composite with carbon fiber and synthetic graphite filler has been developed suitable for FDM additive manufacturing method. Then a plate heat exchanger has been manufactured using FDM additive manufacturing technology and its thermohydraulic performance investigations have been done and compared numerically and experimentally.  Polyamide 46(PA46) thermoplastic material due its high softening temperature has been used as matrix in this composite material. By utilizing the superior thermal conductivity and strong mechanical properties of pitch-based carbon fiber and the high thermal conductivity of synthetic graphite, a thermoplastic-based composite material with high thermal conductivity in the plane and through plane directions has been developed. Purpose of using different carbon additives is to better establish thermal conductivity network across the through plane and in plane directions. The properties of the developed materials were determined by performing mechanical and thermal characterization study and their synergistic effects were examined. A plate heat exchanger was designed based to the thermal and mechanical properties of the developed composite material, and a plate heat exchangers were produced using the FDM additive manufacturing method. Design and development of A plate heat exchanger for FDM additive manufacturing technology using the carbon fiber and synthetic graphite reinforced PA46 thermoplastic-based material and its numerical and experimental thermohydraulic performance investigation constitute the most important originality of this study. Determination of the geometrical parameters of the heat exchanger has important effects on the heat convection and pressure drop. In this study, the effect of geometric parameters of a plate heat exchanger on thermal performance was investigated using computational fluid dynamics (CFD). Parametric studies were carried out for 8 different geometries for different çevron angles (β) and aspect ratios (2b/λ) of the heat exchanger. An entire fluid channel is simulated using the same mass flow rate and the Reynolds number. As a result of the study, pressure, velocity, Nu number, fluid temperatures, friction factor, and flow characteristics were evaluated comparatively for each case. It was determined that the boundary layer decreased and turbulence increased in response to the increasing aspect ratio. The results of the study show that the (CFD) model is a reasonable and effective technique for displaying 3B contour plots, streamlines, and determining performance parameters.