Enerji sistemleri için kanatlı borulu ısı değiştiricisi dizaynı ve optimizasyonu

Abstract

Bu tez çalışmasında, elektrik santrallerinde kullanımı kritik olan dairesel kesitli, çelik borulu ve 15 mm çapında, eş merkezli boru dizilişindeki eşanjörlerin dizaynı ve optimizasyonunda kritik öneme sahip ısıl hidrolik performans karakteristiklerinin incelemesi yapılmıştır. Bu tip eşanjörlerde ısıl direncin en yüksek olduğu kısım ısı transferinin hava akışkanı ile gerçekleştiği bölgelerdir. Hava akışı tarafında gerçekleşen ısı transferi ve basınç kaybı karakteristikleri üzerine yapılan çalışmalar, toplam eşanjör verimliliği üzerinde etkili olan çok önemli veriler sunmaktadır. Literatürdeki çalışmalar genellikle küçük çaplı bakır borulu eşanjörler üzerine yoğunlaşmıştır. Diğer taraftan, bu tip eşanjörlerin kullanım alanı her geçen gün genişlemekte, yeni tasarım ihtiyaçları ortaya çıkmaktadır. Enerji tesislerinde kullanılan eşanjörlerde genelde sıvı akışkan tarafı sudur ve nispeten yüksek sıvı debili eşanjörlerdir. Bu sebepten, basınç kayıpları göz önüne alındığında, boru çapı 15 mm ve üstü tasarımlar önem kazanmaktadır. Bununla birlikte literatürde yer alan çalışmalar büyük oranda iki boyutlu model ve şaşırtmalı boru dizilişine sahiptir. Hava tarafı basınç kayıpları ve fan motorunun enerji tüketimi açısından bakıldığında, bazı durumlarda eş merkezli boru dizilişine sahip tasarımlar optimum sonuçlar verebilmektedir. Bu anlamda mevcut çalışma literatüre önemli bir katkı sunacaktır. Bu tez çalışmasında, hesaplamalı akışkanlar dinamiği çözümleri için kullanılan ANSYS Fluent 12.1 paket programı ve deneysel çalışmalardan elde edilen veriler, literatürde yer alan benzer çalışmalar ile kıyaslanmış ve doğrulaması yapılmıştır. Mevcut deneysel sonuçlar referans alınarak ısı transferi ve basınç kaybı karakteristikleri için yeni korelasyonlar türetilmiştir.In this thesis, thermal hydraulic performance characteristics which are critical for the design and optimization of heat exchangers with circular section, stainless steel tube and 15 mm diameter, in line tube arrangement, which are critical to use in power plants, are studied. In this type of heat exchangers, the thermal resistance rate is highest on the air side. Studies on the heat transfer and pressure drop characteristics on the air flow side provide very important data that affect the overall heat exchanger efficiency. Studies in the literature have generally focused on small diameter copper tube heat exchangers. On the other hand, the usage area of this type of heat exchangers is expanding day by day and new design needs arise. In the heat exchangers used in energy plants, the fluid side is generally water and they require relatively high fluid flow. Therefore, considering the pressure drop, designs with pipe diameters of 15 mm or more become important. However, the studies in the literature have focused on two-dimensional models and staggered tube arrangement. In terms of air-side pressure drop and fan motor energy consumption, in some cases designs with in line arrangement can provide optimum results. In this sense, the present study will make an important contribution to the literature. In this thesis, the data obtained from ANSYS Fluent 12.1 package program used for computational fluid dynamics solutions and experimental studies were compared then verified with similar studies in the literature. New correlations are derived for heat transfer and pressure drop characteristics based on existing experimental results.