Doğrudan ateşlemeli, kanatlı borulu ısı değiştiricinin modellenmesi
Modelling of a direct fired, finned tube heat exchanger
Yazar: MUHAMMED OĞUZHAN ÖZÇELİK
Danışman: YRD. DOÇ. DR. İ. YALÇIN URALCAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Isı değiştiriciler = Heat exchangers ; Isı geçişi = Heat transfer ; Isı geçişi modeli = Heat transfer model ; Yanma = Combustion ; Yanma modelleri = Combustion models

Özet:
Yapılan bu çalışmada, gündelik hayatın birçok noktasında ihtiyaç duyulan sıcak suyun temininde kullanılan, doğrudan ateşlemeli bir kombi cihazına ait kanatlı borulu tip bir ısı değiştirici ünitesi ele alınmıştır.Sayısal çalışmalara başlamadan önce, modellenmesi yapılacak olan örnek bir ısı değiştirici ve ait olduğu kombi cihazı; gerçek işletme koşullarına en uygun sınır şartların belirlenebilmesi ve sayısal model ile elde edilen neticelerin karşılaştırılabilmesi maksadıyla, İstanbul Teknik Üniversitesi Makina Fakültesi laboratuarlarında test edilmiştir. Problemin sayısal olarak kurgulanabilmesi için gerekli olan, kullanılan yakıtın kimyasal kompozisyonu, yanma odasına beslenen yanıcı ve yakıcı maddelerin hacimsel debileri ve sıcaklıkları, kombi içerisinde belirlenen farklı noktaların sıcaklık değerleri vb. sınır şartlar gerçekleştirilen ölçümler neticesinde belirlenmiş ve sayısal çalışmalar bu bilgilerin kullanılması suretiyle gerçekleştirilmiştir.Geometrik modellerin oluşturulması ve problemin sayısal yöntemler kullanılmak suretiyle çözümlenmesi için SolidWorks ve ANSYS 13 ticari yazılımlarından faydalanılmıştır. Model çizimleri SolidWorks ve Design Modeler, sonlu hacimlere ayırma işlemi Ansys Meshing, çözümleme işlemleri Fluent-V13, sonuçların görselleştirilmesi ve nihai olarak değerlendirmesi işlemleri de CFD Post programları ile yapılmıştır. Sayısal çözümlemede, türbülanslı akış için Realizable k-? ve ışınımla ısı geçişi için ?Discrete Ordinates? modelleri kullanılmıştır. Hacim içerisindeki ısı üretimini sağlayan yanma olayı, gerçek şartlara en yakın model olan Partially Premixed Combustion modeli ile çözümlenmiştir.Yanma odası içerisinde alev ile doğrudan temas eden ısı değiştirici üzerindeki kanatlar, boru ekseni boyunca tekrarlı bir yerleşim düzeninde bulunmaktadırlar. Ayrıca her bir kanat ve üzerinde bulunduğu boru parçası da, kanat orta noktasına göre simetrik bir şekle sahiptirler. Bahsi geçen simetrik ve tekrarlı geometri ve yerleşimden faydalanmak suretiyle çalışmalar, gerçek düzeneğin yaklaşık otuzda birini kapsayacak şekilde oluşturulan, üzerinde altı adet kanat bulunan boru dilimi ve tabanda yer alan ateşleyici yüzeyinin, kanat orta noktasından geçtiği farz edilen simetri eksenine göre elde edilmiş bir parçasından meydana gelen bir model üzerinde gerçekleştirilmiştir. Bu sayede, işlemler için gerekli olan zamandan tasarruf edilmesi ve ihtiyaç duyulacak bilgisayar kapasitesinde azalma sağlanmıştır.Sayısal çözüm sonucunda elde edilen, boru iç yüzeylerinden su bölgesine olan ısı akısı, yanma sonu ürünlerindeki karbondioksit, su buharı, karbonmonoksit miktarı vb. değerlerin, yapılan testler neticesinde ölçülen değerlerle karşılaştırılması suretiyle de kurgulanan sayısal modelin doğrulanmasına çalışılmıştır.Kurgulanan sayısal modelin doğrulanmasını müteakiben, problem üzerinde sayısal olarak üç farklı parametrik inceleme gerçekleştirilmiştir. Bunlardan bir ve ikincisinde, boru üzerine yerleştirilen kanatlar, mevcut düzenden daha sıkı bir biçimde yerleştirilmiş ve azaltılan kanat arası mesafenin yanma olayı ve sonrasında meydana gelen ısı transferleri üzerindeki etkisi incelenmiştir. İkinci parametrik incelemede ise, kanatlar üst kısımlarında yer alan balkon benzeri çıkıntıların yok edilmesinin, yanma olayı ve ısı değiştirici kapasitesi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Gerçekleştirilen birinci parametrik inceleme neticesinde, gerçekte 2.7 mm olan kanatlar arası mesafenin 2.2 mm'ye, ikinci parametrik incelemede ise 2.0 mm'ye indrililmiştir. Bu değişikliklerin yanma olayı üzerinde olumsuz bir etkilerinin olmadığı gibi ısı değiştirici kapasitelerini artırdıkları sonucuna varılmıştır. Üçüncü parametrik incelemede, kanatların üst kısmında yer alan balkon benzeri çıkıntıların yok edilmesiyle gerçekleştirilen çözümlemelerde, bu değişikliğin yanma olayı üzerinde olumsuz bir etki meydana getirmediği, ısı değiştirici kapasitesinde ise yüzde bir'lik bir azalmaya sebep olduğu anlaşılmıştır.

Abstract:
Heat exchangers, which enable the heat transfer between two materials, have a wide usage area such as power production, waste heat recovery, air conditioning, domestic heating appliances etc. One of the most important types is fin-tube gas to liquid heat exchanger. Generally, a liquid flow inside the tubes is heated or cooled by a gas flow at different temperature, which passes through the fins of the heat exchanger. The fins provide extra heat transfer area for the heat exchange between two flows. However, since the thermal resistance at the gas side is high, the heat exchange is limited. In order to increase the heat transfer performance of fin-tube heat exchangers many researchers examined the effects of geometrical parameters of plate fins, tubes and the fin arrangements on the tubes.Direct fired water heaters provide one of the most energy efficient methods of heating water available on the world. The principal of direct fired units comprises of a burner situated below a heat exchanger or a storage tank. The materials of the heat exchanger is also so important. Copper is an excellent conductor of heat, having a heat transfer rate nine times better than steel and cast iron, and one and a half times better than aluminium. At the heart of each water heater is a copper heat exchanger with extruded fin tubes offering approximately ten times the heat absorption of plain tubes. As well as offering increased heat transfer the heat exchanger ensures rapid response to demand, achieving fast recovery of hot water.In this study a direct fired and finned tube heat exchanger of copper material which is commonly used to supply hot water in domestic applications has been studied. The numerical model has been set up with using the boundary conditions close to the real conditions as much as possible.Prior to start numerical calculations, a prototype of combined hot water heater has been installed and tested in the laburatory of Istanbul Technical University ? Faculty of Mechanical Engineering. The purposes of applying those tests are to specify the main operation conditions of combined hot water heater such as the volumetric rates and the temperatures of fuel and air supplied to the firing chamber, the volumetric rate of water flowing in the tubes and the temperature of water at the inlet and outlet nozzles etc. Those operation conditons have been used to set up the numerical model of the problem in Ansys Fluent. The second purpose of those experiments is to detect the outputs of the product such as the chemical composition of waste gases (mass fractions of carbonmonoxide, carbondioxide), heat transfer from gas to fluid through the tubes, the amount of excess air in the combustion chamber and etc. This information is important because the validation of numerical model has been done by comparing the experimantal results and numerical results.Throughout the whole numerical analysis procedure it is made use of the commercial software package ANSYS 13, which has separate modules for different stages of analysis. The 3-dimensional solid and fluid models of the problem have been created in the Design Modeler software as the first step of the analysis, discretization of the solution domain has been carried out in Ansys Meshing module employing finite volume method. Numerical solutions have been obtained by means of the well-known computational fluid dynamics software, Fluent; while CFD Post is used for post-processing.Combustion modeling has been done by employing the partially premixed combustion model together with equilibrium state relation which is the most suitable model. The partially premixed model in Fluent is a simple combination of the non-premixed model and the premixed models. While applying the non-premimixed combustion fuel and oxidizer enter the reaction zone (combustion chamber) in distinct streams. In partially premixed combustion, the fuel stream is replacing with mixture stream while the fuel and oxidizer are mixed at the molecular level prior to ignition.Turbulence was simulated by the realizable k-? model with enhanced wall treatment option and enabling the the thermal effects and the full buoyancy effects which is reported to be a good approximation especially for near-wall flows.Radiation heat transfer has been represented by employing the Discrete Ordinates method which solves the radiative transfer equation for a finite number of discrete solid angles. The gray band modeling and the effects of angular discretization and pixelation were also considered for the radiation heat transfer calculations.The fins and tubes of direct fired heat exchanger and the burners at the bottom of the combustion chamber have periodicly repeated arrangement along with the tube axis. On the other hand, the fins have a symmetric geometry with respect to an axis assumed in the middle point of a fin which is perpendicular to the tube axis. Those two conditions of the physical geometry, periodicity and symmetricity are very useful on the numerical calculations. According to the periodiciy of the fin and burner arrangements, we have dealt with only one fifteen of the physical domain which includes a slice of tube with six fins and the top surface of a burner with thithy three mixture inlet nozzles. Considering the symmetricity of the fins, the periodic model is divided into two symmetric pieces. As the result, the problem has been solved with the one thirty piece of the combustion chamber. This brings a huge descending in the amount of required memory for computing and significant time save. Consequently, the numerical computations have been performed with less memory need and much faster.According to the validation process of the numerical methods and related results, three different parametric investigations have been done, numerically. During the first two examination, the fins on the heat exchanger tubes were arranged in a tighter order than the original arrangement. After that the affects of tightning on the combustion and sequent heat transfer have been analysed. First of the tightenining criteria was 0.5 mm. The fins has been arranged with 2.2mm distances and it has been seen that, the nominal capacity of the heat exchanger can be increased up to seventeen percent by this investigation. Second tightenining criteria was 0.7 mm and fins has been arranged with 2.0mm distances and it has been seen that, the nominal capacity of the heat exchanger can be increased up to thirty percent accordingly.The third parametric investigation was related to the examination of the affects of removing the upper irregularities on the fins. It has been seen that by removing such those irregular surfaces, the nominal capacity on the heat exchanger is decreasing only one percent.