Isı değiştiricilerinde hava tarafı ısıl ve akış performanslarının panjurlu kanatlarla iyileştirilmesi
Enhancement of airside thermal and flow performances of heat exchangers with louvered fins
Yazar: ABDULKERİM OKBAZ
Danışman: PROF. DR. ALİ PINARBAŞI ; DOÇ. DR. ALİ BAHADIR OLCAY
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü
Derece: Doktora, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Isı değiştiricileri hava koşullandırma cihazlarında, ısı pompalarında, deniz, kara ve hava araçlarında, soğutma sistemlerinde, termik ve nükleer santrallerde kısacası endüstriyel ürünlerden evsel kullanım ürünlerine kadar birçok alanda kullanılmaktadır. Bir ısı değiştiricisinin ısı transfer kapasitesini artırmak ısı değiştiricisinin hacminin ve kullanılan malzemenin azalması anlamına gelmektedir. Panjur kanatlı ısı değiştiricileri de yüksek ısı transferi gerçekleştirme potansiyelleri nedeniyle birçok uygulamada kullanım alanı bulmuştur. Panjur kanatlı ısı değiştiricilerinin mümkün olan en düşük basınç düşüşü ile en yüksek ısı transferi iyileşmesi sağlayacak şekilde tasarlanabilmesi yüksek ısıl - akış performans elde etmek için büyük önem arz etmektedir. Panjur kanatlı ısı değiştiricileri iki temel ilkeye dayanarak ısı transferi iyileşmesi sağlar. Kesintili geometrik yapıları sınır tabakanın sürekli olarak kesintiye uğrayıp tekrar başlamasına neden olarak sınır tabaka kalınlığının büyümesini yavaşlatır. Düşük sınır tabaka kalınlığı da yüksek ısı taşınım katsayısı anlamına geldiğinden ısı transferi iyileşmesi sağlanır. Bir diğer ilke ise panjurların akışı yönlendirmesi sebebiyle akışın kanatlar arasında dolaşarak akmasıdır. Farklı kanatlar arasında dolaşan akışın akış yolu uzar, soğuk - sıcak akışkan karışımı artar ve dolayısıyla ısı değiştiricisi genelinde ortalama taşınım katsayısı artmış olur. 
 Panjurlu kanatların yukarıda bahsedilen özellikleri gereği geometrik özellikleri ve akış şartları dikkate alınarak titizlikle tasarlanması büyük önem arz eder. Panjurlu kanatların ısı transferi ve basınç düşüşü karakteristiklerinin araştırılmasında temel olarak kullanılan üç yöntem vardır: gerçek ölçekli ısı değiştiricileri ile gerçekleştirilen deneyler, büyütülmiş ölçekli modellerle gerçekleştirilen deneyler ve HAD yaklaşımı ile yapılan sayısal çalışmalar. Özellikle HAD çalışmalarıyla ve büyütülmüş ölçekli modellerle yapılan deneysel çalışmalar akış yapısı ve ısı transferi arasındaki ilişkinin anlaşılması bakımından büyük fayda sağlamıştır. Panjurlu kanatlarla ilgili yapılan ilk çalışmalarda araştırmacılar panjurlu kanatların pürüz etkisi yaratarak türbülans oluşturduğunu ve bu nedenle ısı transferi iyileşmesi meydana getirdiğini düşünmekteydi. İlerleyen dönemde ise büyütülmüş ölçekli modellerle yapılan ısı tansferi ve akış görselleştirme deneyleri sayesinde gerçek ısı transfer iyileşme mekanizma anlaşılmış oldu.
Bu tez çalışması kapsamında  panjurlu kanatlı ısı değiştiricilerinin akış, ısı transferi ve basınç düşüşü karakteristiklerini araştırmak için yukarıda bahsedilen üç yöntem kullanılmıştır. Ansys FLUENT 16.2 yazılımı ile HAD çalışmaları, PIV yöntemi ile akış görselleştirme çalışmaları, rüzgar tünelinde ise gerçek boyutlu ısı değiştiricileri ile ısı transferi ve basınç düşüşü karakteristiklerini belirleme çalışmaları yapılmıştır. HAD çalışması diğer iki yöntemin özelliklerini birleştirmiş hem ısı transferi ve basınç düşüşü karakteristikleri elde edilmiş hem de akış görselleştirme sonuçları ile akış yapısı hakkında bilgi edinilmiştir. Elde edilen verilerle ısı transferi ve basınç düşüşü korelasyonları türetilmiştir.

Abstract:
The heat exchangers are used in air conditioners, heat pumps, marine, land and air vehicles, refrigeration systems, thermal and nuclear power plants, in short, they are used from industrial products to domestic products. Increasing the heat transfer capacity of a heat exchanger means that the volume of the heat exchanger and the material that is used will be reduced. Louvered fin heat exchangers are used in many applications due to their potential of high heat transfer enhancement ability. The ability of the louvered fin heat exchangers to be designed to provide the highest heat transfer enhancement with the lowest possible pressure drop is of great importance for achieving high thermal - flow performance. Louvered fin heat exchangers provide heat transfer enhancement based on two basic principles. The intermittent geometric structures break the boundary layer and slow the growth of boundary layer thickness. As the low boundary layer thickness also means high heat transfer coefficient, heat transfer is enhanced. Another principle is that the louvers direct the flow and the fluid flows between the fins. The flow path of the flow circulating between the different fins is extended, the cold - hot fluid mixture increases and thus the average heat transfer coefficient is increased throughout the heat exchanger.
Due to the above mentioned abilities of the louvered fins, it is of great importance to design meticulously considering the geometric characteristics and flow conditions. There are three methods which are used to investigate the heat transfer and pressure drop characteristics of louvered fin heat exchangers: experiments with real - scale heat exchangers, experiments with scaled-up models and numerical studies with the CFD approach. Experimental studies with scaled-up models and CFD studies provide deep understanding of the relationship between flow structure and heat transfer. In the early studies on louvered fins, the researchers thought that louvered fins caused turbulence by creating a rough effect and thus caused heat transfer enhancement. In the following period, the actual heat transfer enhancement mechanism was understood by means of the flow visualization experiments performed with scaled - up models.
In the scope of this thesis, the above mentioned three methods were used to investigate the flow, heat transfer and pressure drop characteristics of the louvered finned heat exchangers. CFD studies with Ansys FLUENT 16.2 software, flow visualization studies with PIV method, heat transfer and pressure drop characteristics with real scale heat exchangers in wind tunnel were performed. The CFD study combined the advantages of the other two methods, both heat transfer and pressure drop characteristics were obtained, as well as information about flow structure were obtained by visualization results. Heat transfer and pressure drop correlations are derived using CFD results.