Reküperatör boru konstrüksiyonunun verime olan etkisinin deneysel ve sayısal yöntemlerle araştırılması
Numerical and experimental investigation of effects of recuperator pipe construction on efficieny
Yazar: HAMDİ SELÇUK ÇELİK
Danışman: PROF. DR. LATİFE BERRİN ERBAY
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada bir hermetik kombide baca gazıyla atmosfere atılan ısı enerjisinin sisteme daha geri kazandırılması amacıyla kullanılan reküperatif dairesel borulu alüminyum bir eşanjörde boru geometrisi üzerinde değişiklikler yapılmıştır. Bu değişikliklerin ısı transfer performansı ve eşanjörün kullanıldığı kombiye olan etkileri yorumlanmıştır. Mevcut reküperatörün 4 adet kanatlı dairesel boruları vardır. Boru geometrisi elips yapılarak boru sayısı 6'ya yükseltilmiştir. Tasarlanmış olan elips boru ile dairesel boru iç ve dış akışı üzerine analitik analiz yapılmıştır. Dizayn parametreleri belirlendikten sonra sayısal analizler yapılmıştır. Sayısal analizlerde, yoğuşma olayı ihmal edilmiştir. Reküperatörün kombi üzerinde çalışma sınır şartları tanımlanarak kanatlı ve kanatsız olmak üzere, sayısal analizler iki senaryoda tamamlanmıştır. Kanatların dış yüzey alanları aynı olacak şekilde tasarım parametreleri belirlenmiştir. Kanatsız elips borulara ordinat düzleminde 0°, 35°, 40°, 45° eğim verilerek baca gazı hız bileşke vektörleri, basınç ve sıcaklık dağılımı üzerindeki değişiklikler yorumlanmıştır. Bu senaryolar içinden kombi kullanım şartlarında basınç kaybının en az olduğu tespit edilen, düz, 0° eğimli elips borulu reküperatör seçilmiştir. Kanatlı olarak mevcut dairesel borulu reküperatör ve seçilen düz elips borulu reküperatör sayısal analizleri yapılmıştır. Sayısal analiz sonuçlarında ısı transfer performansında yaklaşık %10 artış olacağı ve baca gazı direnç kaybında dairesel borulu reküperatöre göre yaklaşık %8 azalma olacağı tespit edilmiştir.  
Değişikliğin yoğuşma performansına olan etkilerinin de incelenmesi amacıyla geliştirilmiş elips borulu reküperatöre aynı malzemeden olacak şekilde prototip yaptırılmış ve deneysel analiz yapılmıştır. Boru konstrüksiyonunun elips yapılarak adetinin arttırılması sonucunda mevcut duruma göre tüm reküperatörde ısı transfer yüzey alanı %3,5 arttırılırken, ısı transfer performansında dairesel borulu reküperatöre göre %18 artış olduğu tespit edilmiştir. Yoğuşan su debisinde %42'lik bir artış ölçülmüş reküperatör verimi ise mevcuta göre %12 arttırılarak CO emisyonlarının %43 oranda azaldığı ölçülmüştür.
Anahtar Kelimeler: Isı transferi, Verimlilik, Reküperatör, Yoğuşma

Abstract:
In this study, there is an aluminium heat exchanger which has been used in a combi-boiler in order to gain waste heat of flue gas energy to the system. The target of this study, measuring the affection of pipe construction change on system heat transfer efficiency. The current recuperator have 4 pcs circular finned pipes, These pipes were converted as 6 pcs eliptical provided that fin surface area is same, as result of calculation on heat transfer performance. After design parameters are defined, a numerical analysis is done in purpose of examining angle of eliptical pipes as 0°, 35°, 40°, 45° without condensing case. In conclusion, velocity streamlinmes, pressure and temperature contours were overviewed and 0° angled eliptical pipe structure was chosen because of having least pressure loss for the flue gas. For the second numerical analysis was done without condensing case between two recuperators, one has current circular finned pipes and the another has 0° angled eliptical finned pipes. Consequently, by eliptical pipe heat transfer performance is increased %9 and pressure loss for the flue gas is less about %10 than current circular finned pipe. 

After all these efforts, experimental analysis was done in order to surveying certain optimizations of choosing eliptical pipes particularly on condensing case. Because condensing is very crucial for heat transfer performance. Prototype was produced with using same material and have compliance with geometry. Experiments were done with existing circular pipe and new developed eliptical pipe recuperator. According to test results, eventhough total heat transfer surface area is increased about %3,5 heat transfer performance is %18 better than current recuperator. About condensing flow, eliptical pipe has more %42 condensing water flow than existing recuperator. Efficiency of recuperator was  optimized about %12 and emissons of combi boiler is better CO is less about %43 than utilisation of current recuperator. By this way, new more efficient recuperator was improved for a combi boiler.      


Key Words: Heat transfer, Effectiveness, Recuperator, Condensing