Boru içerisine yerleştirilen farklı tip türbülatörlerin ısıl performans karakteristiklerinin sayısal ve deneysel incelenmesi
Numerical and experimental investigation of the thermal performance characteristics of different types of turbulators placed in the pipe
Yazar: TAHA TUNA GÖKSU
Danışman: PROF. DR. RASİM BEHÇET ; DOÇ. DR. İBRAHİM HALİL YILMAZ
İnönü Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Borular = Pipes ; Isı geçişi = Heat transfer ; Performans değerlendirme = Performance evaluation ; Sayısal analiz = Numerical analysis ; Türbülatör = Turbulator

Özet:
Bu çalışmada, boru içerisine yerleştirilen farklı türdeki türbülans oluşturucu elemanların ısı transferi ve basınç düşümü üzerindeki etkisinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi pasif ısı transferi artırma tekniği olarak isimlendirilen yöntem ile araştırılmıştır.  Bu hedef doğrultusunda ilk ikisi sayısal ve üçüncüsü deneysel olmak üzere üç aşamalı bir inceleme gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada, farklı adımlardaki eşkenar üçgen kesitli helisel tellerin boru içerisine yerleştirilmesi ile ilgili olup bu incelemede, hatve oranları (p/D =1, 2, 3), kesit uzunlukları(a= 5 ve 6 mm) ve helisel tellerin boru cidarı arasındaki mesafeleri (s=1, 2 mm) baz alınmasına ek olarak eşkenar üçgen kesitteki helisel teller tekli, ikili ve üçlü olacak şekilde DNA geometrisinden ilham alınarak sayısal metotla incelendi ve tekli helisel telde elde edilen sonuçlar literatürdeki deneysel sonuçlar ile doğrulanmıştır.  Isı transferinde meydana gelen iyileşmenin ne oranda avantajlı olduğunu belirlemek için performans değerlendirme kriteri (PEC) değeri hesaplanmış ve en yüksek PEC= 1.98 olarak düşük Reynolds sayısında ve s=1 mm, a=6 mm, p/D=1 olduğu durumda elde edilmiştir. İkinci incelemede, kare kesitteki helisel tellerin sabit hatve oranında (p/D=1), üç farklı duvar-tel arası mesafede (s=1, 2, 3 mm)  ve farklı kenar uzunluğunun (a=3, 4, 5 mm) ısı transfer iyileştirmesine etkisi sayısal metotla incelendi. Hem üçgen kesitteki helisel teller hem de kare kesitteki helisel teller HAD programında periyodik yöntemle, k-ε türbülans modellemesi ile analiz edildi. En yüksek PEC≅1.36 olarak Re=5500, a=5 mm ve s=1 mm olduğunda elde edildi. Üçüncü incelemede ise eğimli kanat tipteki türbülatörlerin ısı transfer iyileştirmesine etkisi deneysel olarak incelendi. Bu bağlamda 12 farklı modifikasyonda türbülatör üretildi. Türbülatörleri birbirinden ayıran parametreler: kanat açısı (15°, 30°), kanat yönü (akışa paralel veya ters yönlü konumlandırılmış) ve kanatların bir açık bir kapalı şekilde konumlandırılması olup deneysel çalışmada kullanılan bütün türbülatörler için PEC performansı açısından 30° kanat açısındaki türbülatörlerin 15°'den yüksek olduğu gözlemlendi. Kanat açıklığı akıma bakacak şekilde yerleştirilen türbülatörlerin performansı akımın tersine yerleştirilen türbülatörlerin performansından daha yüksek olduğu gözlemlendi. Deneysel incelemede elde edilen en yüksek PEC=1.79 olarak en düşük Reynolds sayısı olan 16213 için elde edildi. Ayrıca deney düzeneğine ilave edilen kontrol devresi sayesinde sonuçların daha doğru ve güvenli olarak belirlenmesi sağlandı.

Abstract:
In this study, numerical and experimental investigation of the effects of different types of turbulent generating elements placed in the pipe on heat transfer and pressure drop was investigated by the method called the passive heat transfer enhancement technique. In line with this goal, a three-stage analysis was carried out, the first two being numerical and the third experimental. In the first stage, equilateral triangular cross-section helical wires of different steps are placed in the pipe, and in this examination, pitch ratios (p/D = 1, 2, and 3), section lengths (a = 5 and 6 mm), and distances of helical wires between the pipe wall. (s=1, 2 mm) as a basis, helical wires in equilateral triangular cross-sections were examined as single, double, and triple by a numerical method, inspired by DNA geometry, and the results obtained for single helical wire were confirmed by experimental results in the literature. In order to determine how advantageous the improvement in heat transfer is, the performance evaluation criterion (PEC) value was calculated and the highest PEC was obtained as 1.98 at a low Reynolds number and s=1 mm, a=6 mm, p/D=1. In the second examination, it was determined that the constant pitch ratio of square helical wires (p/D =1), three different wall-wire distances (s=1, 2, and 3 mm), and different edge lengths (a=3, 4, and 5 mm). The effect on heat transfer improvement was investigated by a numerical method. In the CFD program, triangular helical wires and square helical wires were both analyzed using the periodic method and k- turbulence modeling. The highest PEC of 1.36 was obtained when Re=5500, a=5 mm, and s = 1 mm. In the third study, the effect of curved fin-type turbulators on heat transfer improvement was experimentally investigated. In this context, 12 different modified turbulators were produced. The parameters that distinguish the turbulators from each other are blade angle (15°, 30°), blade direction (positioned parallel to or opposite the flow), and positioning of the blades in one open and one closed manner. It was observed that it was higher than It has been observed that the performance of turbulators placed with the blade opening facing the flow is higher than the performance of turbulators placed opposite the flow. The highest PEC = 1.79 obtained in the experimental analysis was obtained for the lowest Reynolds number, 16213. In addition, thanks to the control circuit added to the experimental setup, the results were determined more accurately and safely.