Helisel borulu ısı değiştiricilerin sayısal ve deneysel analizi
Numerical and experimental analysis of helically-coiled heat exchangers
Yazar: AZİM DOĞUŞ TUNCER
Danışman: PROF. DR. ADNAN SÖZEN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Helisel boru = Helical pipe ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Isı değiştiriciler = Heat exchangers ; Isı geçişi = Heat transfer ; Kanatçıklar = Blades ; Nanoakışkanlar = Nanofluids

Özet:
Gelişen teknolojiyle birlikte enerji ihtiyacı her geçen gün artmakta ve fosil enerji kaynaklarına dayalı sistemlerin olumsuz çevresel etkileri, verimli enerji sistemlerinin önemini artırmaktadır. Helisel borulu tip ısı değiştiriciler, diğer ısı değiştiricilere göre üstün özellikleri sayesinde çeşitli proseslerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında, helisel borulu ısı değiştiricilerin ısıl performanslarının arttırılması için yeni bir akış yolu tasarlanmıştır. Isı değiştiricinin gövde tarafına yerleştirilen bir iç boru ile akışın regüle edilmesi amaçlanmıştır. Yeni akış yoluna sahip ısı değiştiricinin kanatçıksız ve kanatçıklı tipleri hesaplamalı akışkanlar dinamiği kullanılarak sayısal olarak analiz edilmiş ve konvansiyonel tip helisel borulu ısı değiştirici ile karşılaştırılmıştır. Sayısal olarak elde edilen bulgular göz önünde bulundurularak yeni tip tasarıma sahip ısı değiştiriciler imal edilerek deneysel olarak incelenmiştir. Deneysel çalışmada, ısı değiştiricilerin sıcak tarafında su, TiO2/su tekli ve Cu-TiO2/su hibrit nanoakışkanları test edilmiştir. Kütlece %1 konsantrasyona sahip nanoakışkanlar hazırlanarak termofiziksel özellikleri de bu tez kapsamında araştırılmıştır. Deneyler farklı Reynolds sayıları ve sıcaklık değerlerinde gerçekleştirilmiştir. Deneysel sonuçlara göre, TiO2/su nanoakışkanının kanatçıksız ve kanatçıklı helisel borulu ısı değiştiricilerde kullanılması toplam ısı transfer katsayısını sırasıyla ortalama %7,5 ve %8,6 oranında arttırmıştır. Hibrit nanoakışkanın kanatçıksız ve kanatçıklı sistemlerde kullanımı ise toplam ısı transfer katsayısını sırasıyla ortalama %10,8 ve %12 oranında iyileştirmiştir. Genel olarak, tekli ve hibrit nanoakışkanların kanatçıksız ve kanatçıklı ısı değiştiricilerde kullanımı ısıl performansı önemli ölçüde arttırmıştır. Ancak, hibrit nanoakışkan kullanımı her iki ısı değiştiricide de tekli nanoakışkana oranla daha iyi performans göstermiştir. Ek olarak, çalışma bulgularına göre genişletilmiş ısı transfer yüzeylerinin helisel borulu ısı değiştiricilere entegre edilmesinin ısıl performans üzerine olumlu etkileri gözlemlenmiştir. Bunun yanında, elde edilen sayısal ve deneysel sonuçların birbiriyle uyum içinde olduğu bulunmuştur.

Abstract:
Along with the developing technologies, the need for energy resources has increased day by day and the negative environmental effects of fossil energy-based systems increased the importance of efficient energy systems. Helically-coiled type heat exchangers are extensively used in various processes because of their superior specifications in comparison with other heat exchangers. In this thesis study, a new flow path has been designed to enhance the performance of helically-coiled heat exchangers. It is aimed to regulate the flow with an inner pipe placed on the shell side of the heat exchanger. Finless and finned types of heat exchangers with new flow path have been numerically analyzed by using computational fluid dynamics and they have been compared with conventional type helically-coiled heat exchanger. Heat exchangers with new designs have been manufactured considering numerically obtained findings and have been experimentally analyzed. In the experimental study, water, TiO2/water single and Cu-TiO2/water hybrid nanofluids have been tested in the hot side of the heat exchangers. Nanofluids with 1% (wt./wt.) concentration has been prepared and their thermophysical properties have been also analyzed within the scope of this thesis. Experiments have been conducted at various Reynolds numbers and temperature values. According to the experimental findings, TiO2/water working nanofluid utilization in finless and finned helically-coiled heat exchangers averagely upgraded overall heat transfer coefficient as 7.5% and 8.6%, respectively. CuO-TiO2/water nanofluid application in finless and finned systems averagely upgraded overall heat transfer coefficient as 10.8% and 12%, respectively. Generally, it was observed that using TiO2/water and CuO-TiO2/water nanofluid in finless and finned heat exchangers importantly raised the thermal performance. However, utilization of hybrid type nanofluid presented better performance than single nanofluid in both heat exchangers. Also, outcomes exhibited further positive impacts of integrating extended heat transfer surfaces in helically-coiled heat exchangers on the thermal performance. Moreover, it was found that numerical and experimental findings are in good agreement.