Helisel sarılı ısı değiştiricilerde farklı geometrik özelliklerin ısı transferine etkisinin deneysel ve sayısal olarak araştırılması
Experimental and numerical investigation of the effect of different geometrical properties on heat transfer in helical coiled heat exchangers
Yazar: MUSTAFA CANER
Danışman: PROF. DR. ERTAN BUYRUK
Sivas Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu doktora tez çalışmasında toplam boru boyu ve yüzey alanı aynı olan farklı geometrik boyutlarda ve farklı geometrik özelliklerde helisel olarak sarılmış ısı değiştiricilerde meydana gelen ısı transferinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla helisel ısı değiştiricilerin suya daldırılmış (gövde tarafında doğal taşınım) ve gövde borulu ısı değiştiricilerde (gövde tarafında zorlanmış taşınım) kullanılması durumlarını içeren deneysel sistemler tasarlanmıştır. 

Gövde tarafında doğal taşınım içeren deneylerde sarım geometrisinin ve borunun geometrik özelliklerinin ısı transferine etkisi incelenmiştir. Sarım geometrisinin ısı transferine etkisini incelemek amacıyla farklı sarım çapları (145 mm, 170 mm ve 210 mm) ve farklı hatve değerlerinde (25 mm ve 32 mm) düz bakır borudan imal edilen 4 adet ısı değiştirici kullanılmıştır. Boru geometrik özelliklerinin ısı transferine etkisini araştırmak için ise kanatlı, yivli ve koruge borulu ısı değiştiriciler kullanılmıştır. Gövde tarafında doğal taşınım içeren deneyler sürekli şartlarda gerçekleştirilmiştir. Isı değiştirici yaklaşık 80 L hacmindeki sıcak su tankına yerleştirilmiştir ve helisel sarılmış borunun içinde soğuk su akmaktadır. Deneyler farklı sıcak su sıcaklıkları (50 °C, 60 °C, 70 °C, 80 °C)  ve farklı soğuk su debilerinde (2 L/dk, 3 L/dk, 4L/dk ve 5 L/dk) gerçekleştirilmiştir. Soğuk suyun ısı değiştiriciye giriş sıcaklığı 20 °C olarak belirlenmiştir. Deneyler sonucunda boru tarafında Nu sayıları, soğuk suyun sıcaklığındaki artış miktarları, meydana gelen ısı transferleri ve ısı değiştiricilerin etkenlikleri belirlenmiştir. Ayrıca belirlenen modellerin sayısal analizleri gerçekleştirilmiş ve sayısal analiz sonuçları deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır.

Deneysel sonuçlar incelendiğinde tüm modellerde soğuk su debisinin ve sıcak su sıcaklığının artması ile gerçekleşen ısı transferinin artmıştır. Yine tüm modellerde soğuk su debisinin artması ile etkenlik değeri düşerken sıcak su sıcaklığının artması ile etkenlik değeri artmıştır. Sarım çapının etkisi incelendiğinde ise sarım çapının artması ile ısı transferi ve etkenlik değerlerinin azaldığı görülmüştür. Sarım çapı 145 mm olan model ile 210 mm olan modelin ortalama etkenlikleri arasında %7,8 fark olduğu hesaplanmıştır. Hatvenin 25 mm'den 32 mm'ye çıkarılması ile birlikte etkenlik bir miktar artmıştır. Hatve değerinin artması ile birlikte ısı transferinin de %1,08 oranında arttığı görülmüştür. Farklı geometrik özelliklerdeki modellerin sonuçları incelendiğinde kanatlı, yivli ve koruge borulu modellerde ısı transferi ve etkenliğin arttığı görülmüştür. Aynı koşullarda en yüksek ısı transferi ve etkenlik değerleri yivli borulu modelde elde edilmiştir.

Gövde tarafında zorlanmış taşınım olan deneylerde yivli ve koruge borulu ısı değiştiriciler kullanılmıştır. Gerçekleştirilen deneylerde gövde tarafında sıcak su akarken boru tarafında soğuk su akmaktadır. Deneyler farklı sıcak su sıcaklıklarında (50 °C, 60 °C ve 70 °C), farklı sıcak su debilerinde (2 L/dk, 3 L/dk ve 4 L/dk) ve farklı soğuk su debilerinde debilerinde (1 L/dk, 2 L/dk ve 3 L/dk) gerçekleştirilmiştir. Soğuk su sıcaklığı tüm deneylerde 20 °C olarak ayarlanmıştır. Deneyler sonucunda yivli ve koruge borulu ısı değiştiricilerde meydana gelen ısı transferleri ve etkenlik değerleri hesaplanmıştır. 

Elde edilen sonuçlara göre, yivli ve koruge borulu ısı değiştiricilerin belirlenen deneysel koşullarda gövde tarafında zorlanmış taşınım olması durumunda ısı transferi performanslarında belirgin bir farklılık olmamıştır.

Abstract:
In this PhD thesis, it was purposed to investigate experimentally and numerically the heat transfer that occurs in helically coiled heat exchangers of different geometrical dimensions and different geometrical properties with the same total tube length and surface area. For this purpose, experimental systems were designed for the use of helical coiled heat exchangers in water immersed (natural convection on the shell side) and shell-and-tube heat exchangers (forced convection on the shell side).

The effect of coil geometry and geometrical properties of the tube on heat transfer in the experiments with natural convection on the shell side was investigated. In order to investigate the effect of coil geometry on heat transfer, 4 heat exchangers made of straight copper tubes with different coil diameters (145 mm, 170 mm and 210 mm) and different pitch values (25 mm and 32 mm) were used. Finned, grooved and corrugated tube heat exchangers were used to investigate the effect of tube geometrical properties on heat transfer. Experiments with natural convection on the shell side were carried out under steady state conditions. The heat exchanger was placed in a hot water tank with a volume of about 80 L and cold water flows inside the helically coiled tube. The experiments were carried out at different hot water temperatures (50 °C, 60 °C, 70 °C, 80 °C) and different cold water flow rates (2 L/min, 3 L/min, 4 L/min and 5 L/min). The inlet temperature of cold water to the heat exchanger was determined as 20 °C. As a result of the experiments, the Nu numbers on the tube side, the amount of increase of cold water temperature, the heat transfer rates and the effectiveness of the heat exchangers were determined. In addition, numerical analyses of the models were carried out and the results of the numerical analyses were compared with the experimental results.

When the experimental results were analysed, the heat transfer increased with the increase of cold water flow rate and increase of hot water temperature in all models. Again, while the effectiveness value decreased with the increase in cold water flow rate in all models, the effectiveness value increased with the increase in hot water temperature. When the effect of coil diameter was analysed, it was seen that heat transfer and effectiveness values decreased with the increase of coil diameter. It was calculated that there was a 7.8% difference between the average effectiveness of the model with a coil diameter of 145 mm and the model with a coil diameter of 210 mm. With the increase of the pitch from 25 mm to 32 mm, the effectiveness increased slightly. It was observed that the heat transfer increased by 1.08% with the increase of the pitch value. When the results of the models with different geometrical characteristics were analysed, it was observed that heat transfer and efficiency increased in finned, grooved and corrugated tube models. Under the same conditions, the highest heat transfer and efficiency values were obtained in the grooved tube model.

Grooved and corrugated tube heat exchangers were used in the experiments with forced convection on the shell side. In the experiments, hot water flows on the shell side and cold water flows on the tube side. The experiments were carried out at different hot water temperatures (50 °C, 60 °C and 70 °C), different hot water flow rates (2 L/min, 3 L/min and 4 L/min) and different cold water flow rates (1 L/min, 2 L/min and 3 L/min). Cold water temperature was set as 20 °C in all experiments. As a result of the experiments, heat transfers and effectiveness values of grooved and corrugated tube heat exchangers were calculated.

According to the results obtained, there was no significant difference in the heat transfer performances of grooved and corrugated tube heat exchangers in the case of forced convection on the shell side under the specified experimental conditions.