Boru içi akışta mili boyutlu taneciklerin ısı taşınımına etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of the mili sized particles to the heat convection in internal pipe flow
Yazar: İSMAİL BURAK KOPARAN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. İSMAİL YALÇIN URALCAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Isı değiştirme cihazlarında ısı geçişinin iyileştirilmesi enerji ekonomisi için kaçınılmaz hale gelmektedir ve bu konu akademik ve endüstriyel alanda önemli bir araştırma konusu olmaktadır. Isı geçişinin iyileştirilmesinde asıl amaç, daha yüksek ısı akılarıyla çalışmaktır. Sıcaklık farkı ve ısı transfer yüzey alanı sabit tutulurken ısı akısını arttırmak için, ısı taşınım katsayısı yükseltilmelidir. Varolan bir ısı değiştiricisinin kapasitesi ancak ısı taşınım katsayısı yükseltilerek arttırılabilir. Isı taşınım katsayısını iyileştirmenin de bir çok yöntemi bulunmaktadır. Bu çalışmada, sıvı akışkan içine katı taneciklerin eklenmesi ile taşınım katsayısı iyileştirilmesi yöntemi incelenmiştir.Sayısal çözümlemede hidrolik çapı 18 mm olan düz bir boru içine farklı miktarlarda cam taneciklerinin eklenmesi durumunda iki fazlı (su+cam) akış ve ısı geçişi parametreleri incelenmiştir. Sayısal çözümleme katı taneciklerinin akışkanlaştırılması prensibine dayanmaktadır. Akışkan olarak su kullanılmıştır ve akışkanın boruya giriş hızları, taneciklerin minumum akışkanlaşma hızı ve terminal hızı hesaplanarak sabit ve akışkan yatak için gerekli değerlerde seçilip çözümlemeler yapılmıştır. Akışkanın boruya giriş sıcaklığı 76 °C olup boru dış yüzeyinden 36 °C' deki dış ortama taşınılma ısı geçişi olmaktadır. Taşınım sınır şartı için C dilinde kullanıcı tanımlı fonksiyon (UDF) yazılıp Fluent yazılımına eklenmiştir. Ayrıca tanecik ilave edilmesinin akışa ve ısı transferine etkisini karşılaştırabilmek için akışkana tanecik katılmaksızın tek fazlı akış (su) için de 5 farklı hızlarda ve borunun tümüyle tanecik ile doldurulması hali (sabit yatak) için de çözümlemeler yapılmıştır. Kabul edilen tüm durumlar için sayısal çözümlemeler Fluent 6.3.26 programında analiz edilmiştir.Yapılan analizler sonucunda akışkana tanecik ilave edilmesi ve taneciklerin akışkanlaştırılması durumu için, farklı yatak yükseklikleri ve akışkan hızlarında ısı taşınım katsayısı 1.83 ile 2.41 oranında iyileşme sağlanmıştır. Borunun tümüyle dolu olduğu sabit yatak durumunda ise iyileşme oranı 1.52 ile 1.89 arasında kalmaktadır. Bu durumun aksine basınç düşümündeki artış sabit yatak durumunda maksimum olmaktadır. Elde edilen tüm sonuçlar neticesinde optimum ısı taşınım katsayısı ve basınç düşümü, 7.5 cm yatak yüksekliği ve 0.12 m/s akışkan hızındaki akışkan yatak durumunda elde edilmiştir ve bu durumdaki ısı taşınım katsayısındaki iyileşme oranı 2.37 olarak tespit edilmiştir.

Abstract:
In recent years, heat transfer enhancement have been subjected to many industrial and academical investigations inevitably in case of energy economy. The main purpose is increasing of heat fluxes in heat transfer enhancement. To enhance heat flux while temperature difference and heat transfer area are constant heat convection coefficient must increased. Various methods are exist to intensificate heat convection coefficient. In this study, enhancement of heat convection coefficient by additive particles to the fluid is investigated.In numerical solutions two phase fluid flow (water+glass) and heat transfer parameters were investigated with 18 mm hydraulic diameter pipe in case of additing different size particles to fluid. The computations are based on fluidization of particles. Water is used as a fluid and the inlet water velocities are settled to essential values for packed and fluidized bed by calculating mininumum fluidization velocity and terminal velocity of the particles. Temperature of the inlet fluid is 76 °C and convectional heat transfer is occured from the outside wall of the tube to the environment at 36 °C. The user defined function (UDF) is written in C language for convection boundary condition and interprated to the Fluent software package. Single phase (water) flow and fully packaged with particle (packed bed) states are solved at 5 different velocities also to compare the effect of the adding particles to the fluid flow and heat transfer. Numerical solutions for all configurations considered are analysed in Fluent 6.3.26 software package.With respect to result of the analysis, heat convection coefficient is enhanced about 1.83-2.41 times with different bed heights and fluid velocities for the adding particles to the fluid and their fluidization state. Intensification ratio is remain about 1.52-1.89 for the packed bed state fully packaged with particles. On the contrary, increasing of the pressure drop is reached the maximum value for the packed bed state. Results show optimum heat convection coefficient and pressure drop are obtained for the fluidized bed state with 7.5 cm bed height and 0.12 m/s fluid velocity and in this case the enhancement ratio of the heat convection coefficient is determined about 2.37.