Tel kanatlı yoğuşturucuların hava tarafı ısıl ve akış performansının incelenmesi
Investigation of airside thermal and flow performance of wire-on-tube condensers
Yazar: ALİŞAN GÖNÜL
Danışman: PROF. DR. ÖZDEN AĞRA
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Zorlanmış taşınım = Forced convection

Özet:
Tel kanatlı yoğuşturucular uzun yıllardır soğutucularda sıklıkla kullanılmaktadır. Endüstriyel uygulamalarda bu tip yoğuşturucular ağırlıklı olarak zorlanmış taşınım şartlarında çalışmaktadır. Bu çalışma kapsamında çapraz akışa maruz düz tip tek ve çok sıralı tel kanatlı yoğuşturucularda ısı geçişi ve basınç düşümü deneysel ve nümerik analiz yöntemlerle incelenmiştir.
Tez çalışması altı ana bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde tel kanatlı yoğuşturucular için literatürde yapılan çalışmalar incelenmiştir. Bu kapsamda doğal taşınım ve zorlanmış taşınım şartlarında yapılan çalışmalar iki alt bölümde verilmiştir. Her bir alt bölüm sonunda çalışmalarda kullanılan yoğuşturucu geometrik özellikleri ve önerilen korelasyonlar tablolar halinde özetlenmiştir. Tel kanatlı yoğuşturucular silindirik yapıdaki tel ve borulardan imal edildiğinden, ısı geçiş ve basınç düşümü karakteristiğini anlamak açısından silindir çiftleri üzerine yapılan çalışma sonuçları da ayrı bir başlık altında incelenmiştir. Bununla birlikte, ısı değiştiricilerde Cevap Yüzey Yöntemi(CYY) ve optimizasyon çalışmaları da bu bölümde incelenmiştir. İkinci bölümde tek ve çok sıralı yoğuşturucular için kurulan deney düzeneği, ölçüm sistematiği ve belirsizlik analizi sunulmuştur. Ayrıca hem tek hem de çok sıralı yoğuşturucularda ısı geçişi ve basınç düşümü hesaplamaları için kullanılan hesaplama yöntemi anlatılmıştır. Üçüncü bölüm tezin nümerik analiz kısmı olup hem tek sıra hem de çok sıralı yoğuşturucular üzerinden yapılan Hesaplamalı Akış Dinamiği(HAD) analizi deneysel verilerle doğrulanmıştır. Ayrıca ışınım ısı geçişi ve boya etkisi de bu kısımda incelenmiştir. Dördüncü bölümde tezde kullanılan Genetik Kümeleme CYY ve Çok Amaçlı Genetik Algoritma(ÇAGA) yöntemleri açıklanmıştır. Beşinci bölüm, çalışmadan elde edilen bulguları ve bulgulara ilişkin tartışmaları içermektedir. Son bölümde ise çalışmanın sonuçları ve öneriler sıralanmıştır.
Çalışma kapsamında öncelikle tek sıra tel kanatlı yoğuşturucularda tellerin uygulamada kullanıldığı gibi tellerin tandem dizilimli olması durumu irdelenmiştir. Bu şartlar altında tek sıradaki arka tel üzeri taşınım katsayısı ile ön tel üzeri taşınım katsayısı arasında %50'ye yakın fark olduğu belirlenmiştir. Arka telin ön tele göre şaşırtmalı dizilimiyle ortalama tel taşınım katsayısında %20-25 aralığında bir iyileşme tespit edilmiştir. Şaşırtma oranı incelemeleri 0-0,25 aralığı için yapılmış olup, artan şaşırtma oranlarıyla ısı geçişinde ve basınç düşümünde artış olduğu belirlenmiştir. Ancak 0,125-0,25 aralığında ısı geçiş hızı ve basınç düşümündeki sonuçlarının birbirine oldukça yakın olduğu anlaşılmıştır. Parametrik çalışma kapsamında tel çapı, boru çapı, teller arası mesafe ve borular arası mesafenin etkisi geniş bir aralıkta incelenmiştir. Çok sıralı dizilimde hem boru sıralı hem boru şaşırtmalı dizilime göre ısıl-akış performans incelenmiştir. Boru şaşırtmalı dizilimin ısı geçişi açısından boru sıralı dizilime nazaran daha iyi sonuçlar verdiği gözlenmiştir. Tellerin tandem dizilimli olduğu çok sıralı yoğuşturucularda sıralar arası mesafenin oldukça önemli olduğu belirlenmiştir. Buna karşın tellerin şaşırtmalı dizilimi sonucunda hem boru sıralı hem de boru şaşırtmalı dizilimli çok sıralı yoğuşturucularda sıralar arası mesafenin etkisinin büyük ölçüde ortadan kalktığı anlaşılmıştır. Çok sıra uygulamalarında ardışık sıralardaki her bir sıranın büyük oranda sıra sayısından bağımsız olarak benzer ısı geçiş davranışı gösterdiği belirlenmiştir. Tellerin şaşırtmalı dizilimiyle elde edilen JF faktörün tellerin tandem dizilimiyle elde edilenden %10-15 civarında daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Dört sıra yoğuşturucularda Latin Hiper Küp deney tasarımına göre Genetik Kümeleme CYY ile tel kanatlı yoğuşturucularda ısı geçişi ve basınç düşümünün incelemesi yapılmıştır. Bu yaklaşımla elde edilen sonuçlarla nümerik olarak elde edilen sonuçların oldukça uyumlu sonuçlar verdiği gözlenmiştir. Bu yöntem uyarınca tel kanatlı yoğuşturucularda etkili olan parametreler için duyarlılık analizi yapılmıştır. Isı geçişini en çok etkileyen parametrenin serbest hava akım hızının olduğu gözlenmiştir. Tellerin şaşırtmalı diziliminin ısıl-akış performans açısından en önemli geometrik özellik olduğu anlaşılmıştır. Aynı zamanda teller arası mesafe, borular arası mesafe, şaşırtma oranı ve sıralar arası mesafenin değişimine göre çok sıralı yoğuşturucularda Çok Amaçlı Genetik Algoritma yöntemiyle optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. Şaşırtma miktarının maksimum, tel ve boru aralığının minimum değerlerinde ısıl-akış performans faktörünün en iyi sonuçlara ulaştığı belirlenmiştir. Sıralar arası mesafenin bu şartlardaki ısı geçişi ve basınç düşümüne etkisinin az olduğu saptanmıştır. Ayrıca hem ısı geçişi hem de basınç düşümü ile ilgili yapılan nümerik çalışmalar neticesinde korelasyonlar önerilmiştir. Önerilen korelasyonların nümerik analiz sonuçlarıyla %10-15 hata aralığının altında oldukça yakın sonuçlar verdiği gözlenmiştir. Benzer şekilde hem tek sıralı hem de çok sıralı yoğuşturucular üzerinden deneysel olarak elde edilen ısı geçiş hızı ve basınç düşümünün ilgili korelasyonlar ile bulunan sonuçlarla oldukça uyumlu olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
Wire-on-tube condensers have been used frequently in refrigerators for many years. These types of condensers operate mainly under forced convection conditions in industrial applications. In this study, heat transfer and pressure drop in single and multi-layer wire-on-tube condensers exposed to cross-flow have been investigated by experimental and numerical analysis methods. The thesis study consists of six main sections. In the first section, studies for wire-on-tube condensers are examined in the literature. In this context, studies carried out under natural and forced convection conditions are given in two subsections. Geometric specifications and proposed correlations found in the literature are summarized in tables at the end of each subsection. Since wire-on-tube condensers are manufactured from circular cylindrical wires and tubes, the results of the study on circular cylinder pairs are also examined under a separate heading to understand the heat transfer and pressure drop characteristics. At the same time, as wire-on-tube condensers are a kind of tube bundle, the results of the pioneering studies in this area are summarized in the literature section. Also, the Response Surface Method (RSM) and optimization studies in heat exchangers are examined. The experimental setup, measurement systematic, and uncertainty analysis established for single and multi-layer condensers are presented in the second section. Besides, the equations and approaches used for calculating heat transfer and pressure drop in both single and multi-layer condensers are explained in detail. The numerical analysis approach is described in the third section. First of all, Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis performed on both single and multi-layer condensers has been confirmed by experimental data. Also, radiation heat transfer and paint effects are investigated in this section. In the fourth chapter, Genetic Aggregation RSM and Multi-Objective Genetic Algorithm (MOGA) methods used in the thesis are explained. The fifth section includes the findings obtained from the study and discussions about the findings. The results and recommendations are sorted in the last section.
First of all, the situation of wires in single layer wire-on-tube condensers with tandem arrangement as used in the application is examined. Under these conditions, it has been determined that there is about 50% difference between the convective heat transfer coefficient on the back wire and the front wire. An enhancement in the average convective coefficient on wires in the range of 20-25% is observed with a staggered arrangement of the back wire relative to the front wire. The staggering rate examinations have been performed for the range of 0-0.25, and it is determined that there is an increase in heat transfer and pressure drop with increasing staggering rate. However, it is understood that the results of heat transfer rate and pressure drop in the range of 0.125-0.25 are quite close to each other. Within the scope of the parametric study, the effect of wire diameter, tube diameter, the distance between wires, and the distance between the tubes have been examined extensively. In the multi-layer sequence, heat transfer due to both in-line and staggered sequence of layers is examined. It has been observed that the staggered sequence yields better results than the in-line sequence. It is determined that the distance between layers is quite important in multi-layer condensers where the wires are tandem arranged. However, as a result of the staggered arrangement of the wires, it is pointed out that the effect of the distance between the layers is largely eliminated in multi-layer condensers with both in-line and staggered sequences. It is determined that each layer shows similar heat transfer behaviour largely regardless of the number of layers. It is pointed out that JF factor obtained by the staggered arrangement of the wires is around 10-15% higher than that of the tandem arrangement of wires. Heat transfer, and pressure drop have been investigated in wire-on-tube condensers by the Genetic Aggregation RSM according to the Latin Hyper Cube experiment design infrastructure in four layers condensers. It is indicated that the results obtained with this approach are quite compatible with the results obtained numerically. Sensitivity analysis has been performed for the parameters that are effective in wire-on-tube condensers by this method. It is concluded that the free stream air velocity is the parameter that most affected the heat transfer. Staggering rate is the most influential geometrical properties in terms of thermal-flow performance. At the same time, optimization studies have been carried out with the Multi-Objective Genetic Algorithm method in multi-layer condensers according to the distance between the wires and the tubes, the staggering rate and the distance between the layers. It has been determined that the thermal-hydraulic performance factor reaches the best results at the maximum values of the staggering rate and minimum values of the distance between the wires and the tubes. It has been concluded that the distance between layers has little effect on heat transfer and pressure drop in these geometrical specifications. Also, correlations are proposed through numerical study data for use in both heat transfer and pressure drop examinations. It is observed that the proposed correlations give very close results below the 10-15% error range. It has been determined that the heat transfer rate and pressure drop obtained experimentally on both single and multi-layer condensers are quite compatible with the results found with the correlations.