Eşmerkezli borulu ısı değiştiricilerinde helisel türbülatörlerin etkilerinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of effects of helical turbulators in concentric tube heat exchangers
Yazar: EŞREF BAYSAL
Danışman: PROF. DR. H. MEHMET ŞAHİN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Teknik Eğitim Bölümü / Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Teknik Eğitim = Technical Education
Dizin: Sayısal analiz = Numerical analysis

Özet:
Bu çalışmada, eşmerkezli borulu ısı değiştiriciye yerleştirilmiş farklı adımlardaki helisel türbülatörlerin Reynolds sayısının 3000 ? 14000 aralığı için ısı transfer performansı ve sürtünme karakteristikleri deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Bu nedenle, deneysel veriler elde etmek için bir deneysel sistem kuruldu. Isı değiştiricide sırasıyla sıcak akışkan olarak hava ve soğuk akışkan olarak su, iç borudan ve dış borudan geçirilmiştir.Sayısal çalışmada, bir sayısal akışkanlar dinamiği (SAD) bilgisayar programı olan FLUENT, model çizimi ve ağ oluşumunda GAMBIT paket programı kullanılarak, temel korunum denklemleri sürekli rejimde, 3 boyutlu ve türbülanslı akış şartlarında çözülmüştür. Tüm modellerde hem taşınım hem de iletimin olduğu bileşik ısı transferi çözümü yapılmıştır.Sayısal hesaplamada, bütün deneylere karşılık gelen durumlar SAD kod programı kullanılarak çözülmüştür. Parametrelerin ısı transferine etkisini araştırabilmek için, HAD kodu kullanılarak boru içinde hız dağılımları ve sıcaklık konturları elde edilmiştir. Deneysel ve sayısal sonuçlar karşılaştırılmış ve birbirleriyle uyum içerisinde olduğu görülmüştür. Helisel türbülatör kullanılarak p = 20, 40, 60, 80 mm adım mesafeleri için boş boruya göre sırasıyla % 291, % 241, % 218 ve % 199 oranında ısı transfer iyileştirmesi sağlanmıştır.

Abstract:
In this study, the heat transfer performance and friction characteristics of a concentric tube heat exchanger with different pitch of helical turbulators were investigated experimentally and numerically for Reynolds number range of 3000 to 14000. Therefore, an experimental system was established to obtain experimental data. Air as a hot fluid and water as a cold fluid were passed through the inner tube and outer tube of the heat exchanger, respectively.In the numerical study, the basic conservation equations in steady-state, three-dimensional (3D) and turbulent flow conditions were solved using a CFD computer code, FLUENT and by GAMBIT software for the model drawing and mesh. Conjugate heat transfers both conduction and convection was analyzed for all models.In the numerical calculation, cases corresponding to all experiments were solved by using the CFD computer code. In order to examine the effect of parameters on the heat transfer, velocity distributions and temperature contours inside the tube were obtained by the CFD code. Experimental and numerical results were compared and seen to be in a good agreement with each other. The heat transfer enhancement using helical turbulator was obtained as 291 %, 241 %, 218 % and 199 % of ratio than the smooth tube for pitch distances of p = 20, 40, 60 and 80 mm, respectively.