Evaporatörlerde yoğuşmanın ısı, kütle transferi ve basınç kaybına etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of condensation on heat, mass transfer and pressure loss on evaporators
Yazar: GÖKHAN BOZKULA
Danışman: PROF. DR. HAKAN DEMİR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Isı değiştiriciler = Heat exchangers ; Isı geçişi = Heat transfer ; Kütle aktarımı = Mass transfer ; Sürtünme = Friction ; Yoğuşma = Condensation

Özet:
Bu çalışmada dokuz farklı düz plaka kanatlı borulu ısı değiştiricisinin ısı transferi ve basınç düşüşü özellikleri, kuru ve ıslak durumda deneysel olarak incelenmiştir. Deneysel çalışmalara başlanılmadan önce Minitab 18 programı kullanılarak, deney tekrarlanabilirliği ve deney tasarımı yapılmıştır. Kuru durum için üç parametrenin etkisi değerlendirilmiştir bu parametreler; boru sıra sayısı (N) (2, 4, 6), kanat aralığı (s) (2, 3, 4 mm), alın hava hızı (V) (1, 2, 3 m/s). Islak durum için beş parametrenin etkisi değerlendirilmiştir bu parametreler; boru sıra sayısı (N) (2, 4, 6), kanat aralığı (s) (2, 3, 4 mm), alın hava hızı (V) (1, 2, 3 m/s), sıcaklık (T) (25, 30, 35 ˚C) ve bağıl nem (RH) (60, 70, 80). Islak durum için deneysel çalışmaların minimum aday deney noktalarını belirlemek için Box-Behnken Dizayn (BBD) kullanılmış ve etkileri daha hassas bir şekilde belirlemek için daha fazla deney yapılmıştır. Islak durum için BBD yöntemi kullanılarak 46 minimum aday deney noktası tasarlanmış ve bunlara 36 deney noktası ilave olarak eklenmiş ve toplamda 82 deney ıslak durum için deneyler yapılmıştır. Kuru durum için üç parametre tam faktöriyel olarak her bir parametre üç seviyede incelenerek toplamda 27 deneysel çalışma yapılmıştır.
Yanıt Yüzey Modeli (RSM), kuru ve ıslak durum için Colburn j faktörünü ve Fanning sürtünme f faktörünü değerlendirmek için kullanılmıştır. Islak durum için; artan s, T ve RH ile j faktörü artarken, V ve N arttıkça j faktörünün azaldığını göstermektedir. Ayrıca, artan V, N ve s ile f faktörü azalırken, artan T ve RH ile f faktörü artar. Kuru durum için; V ve N artmasıyla j faktörü azalırken, s' in artmasıyla j faktörü artar. Ayrıca V ve N f faktörü azalırken, s arttıkça f faktörü artmaktadır. j faktörü ve f faktörü değerleri ıslak durumda kuru duruma göre daha yüksektir.
Etkilerin önem derecesini belirlemek için Pareto grafiği kullanılmıştır. Pareto Grafiği verilerine göre ıslak durum için; j faktörünü etkileyen parametrelerin önem derecesi sırasıyla, V, N, s, T ve RH' dir, f faktörünü etkileyen parametrelerinin önem derecesi sırasıyla, N, V,  N' nin karesi, V' nin karesi ve V - N ikili etkileşimidir. Pareto Grafiği verilerine göre kuru durum için; j faktörünü etkileyen parametrelerin önem derecesi sırasıyla, V, N, s, s - N ikili etkileşimi ve s' nin karesidir, f faktörünü etkileyen parametrelerinin önem derecesi sırasıyla, V,  N, V' nin karesi ve V - N ikili etkileşimidir.
Kuru ve ıslak durumda j ve f faktörleri için üç korelasyon önerilmiştir. Islak durum için, j faktörü için en iyi ortalama sapma %8,3 iken, f faktörü için en iyi ortalama sapma %10,9'dur. Kuru durum için, j faktörü için en iyi ortalama sapma %8,3 iken, f faktörü için en iyi ortalama sapma %8,2'dir. Çalışmada benzer geometrik parametreler kullanılarak literatür çalışmalarında elde edilen korelasyonlarla karşılaştırıldığında önerilen korelasyonlar daha iyi sonuçlar vermiştir. Literatür korelasyonlarının başarısız olduğu geometrik parametre değerlerinde de önerilen korelasyonlar çok daha iyi sonuçlar vermiştir.

Abstract:
In this study, the heat transfer and pressure drop properties of nine different flat plate fin-tube heat exchangers were experimentally investigated in dry and wet conditions. Before starting the experimental studies, experimental reproducibility and experimental design were made using the Minitab 18 program. The effects of three parameters for the dry condition were evaluated; number of pipe rows (N) (2, 4, 6), fin spacing (s) (2, 3, 4 mm) and frontal air velocity (V) (1, 2, 3 m/s). The effect of five parameters for the wet condition was evaluated; number of pipe rows (N) (2, 4, 6), fin spacing (s) (2, 3, 4 mm), frontal air velocity (V) (1, 2, 3 m/s), temperature (T) (25, 30, 35 ˚C) and relative humidity (RH) ( 60, 70, 80). Box-Behnken Design (BBD) was used to determine the minimum candidate test points of the experimental runs for the wet state and further experiments were performed to more precisely identify the effects. For the wet condition, 46 minimum candidate test points were designed using the BBD method and 36 test points were added to them, and a total of 82 test wet conditions were tested. For the dry condition, three parameters were analyzed as full factorial, each parameter was examined at three levels, and a total of 27 experimental studies were carried out.
The Response Surface Model (RSM) was used to evaluate the Colburn j factor and the Fanning friction f factor for the dry and wet condition. For wet condition; It shows that while the j factor increases with increasing s, T and RH, the j factor decreases as the V and N increase. In addition, f factor decreases with increasing V, N and s, while f factor increases with increasing T and RH. For dry condition; while the j factor decreases with the increase of V and the N, the j factor increases with the increase of the s. In addition, the f factor decreases as V and N increase, while the f factor increases as the s increases. The j factor and f factor values are higher in the wet condition than in the dry condition.
Pareto chart was used to determine the significance of the effects. According to Pareto Chart data, for wet condition; The degree of importance of the parameters affecting the j factor are, respectively, V, N, s, T and RH, the degree of importance of the parameters affecting the f factor are, respectively, N, V, the square of the N, the square of the V and V – N binary interaction. According to Pareto Chart data, for dry condition; The degree of importance of the parameters affecting the j factor is, respectively, V, N, s, s - N binary interaction and the square of the s, the degree of importance of the parameters affecting the f factor are, respectively, V, N, the square of the V and V - N binary interaction.
Three correlations are proposed for the j and f factors in the dry and wet condition. For the wet condition, the best average deviation for the j factor is 8.3%, while the best average deviation for the f factor is 10.9%. For the dry condition, the best average deviation for the j factor is 8.3%, while the best average deviation for the f factor is 8.2%. When compared with the correlations obtained in the literature studies using similar geometric parameters in the study, the suggested correlations gave better results. The suggested correlations gave much better results in geometric parameter values where literature correlations failed.