Boru Konstrüksiyonun Isı Transfer Performansına Etkisinin Sayısal Yöntemlerle Analiz Edilmesi

Year 2018, Volume: 1 Issue: 3, 5 - 15, 01.01.2018

Hamdi Selçuk Çelik , Zeynep Çelik Mehmet Uçar

Abstract

Isı
transferinin gerçekleştirilmesi için her sektörde eşanjörler kullanılmaktadır.
Bu çalışma kapsamında eşanjörlerde kullanılan borular için konstrüksiyonun tüm
parametreler ve yüzey kesit alanları aynı kalacak şekilde dairesel yerine
elipse dönüştürülmesinin ısı transfer performansına ve akışkanların hız, basınç
ve sıcaklık parametrelerine etkileri, sayısal analizler yoluyla incelenmiştir.
Üç farklı analiz senaryosu oluşturulmuştur. 1. senaryoda dairesel geometrili
bir boru, 2. senaryoda ilk senaryodaki boru elips geometriye dönüştürülmüş, 3.
senaryo da ise borunun genişliği daraltılarak elips geometri yapısı
arttırılmıştır. Tüm borular aynı yüzey alanında ve bakır malzeme kullanılarak
üretilecek şekilde tasarlanmıştır. Tüm boruların dış yüzeyinden 1.2 m/s hızla
650°C hava geçerken iç yüzeyine 30°C sıcaklıkta 2.2 m/s hızla su girişi
olmaktadır. Tüm boru konstrüksiyonları için iç ve dış akış tanımlamaları
yapılarak Fluent programıyla üç boyutlu nümerik analizler yapılmıştır. Yapılan
analizler sonucunda dairesel borudan elips konstrüksiyona gidildikçe hava çıkış
sıcaklığının %15 artarken, hava çıkış hızının %30 azaldığı ve ısı transfer
performansının %60 artış gösterdiği görülmüştür. Sayısal analizlerin zaman ve
sayısını optimize edebilmek için öncesinde analitik analizler yapılması ve
çözümlerin hesaplama ağından bağımsız olarak elde edilmesi gerektiği
anlaşılmıştır.

Keywords

Eşanjörler, Boru konstrüksiyonu, Isı transfer performansı, Dairesel boru, Elips boru

Numerical Investigations Of Pipe Construction On The Heat Transfer Performance

Abstract

Heat exchangers are widely used for all plants in purpose of realizing heat transfer, In this study; affection of pipe construction modification to elliptical from circular on heat transfer performance and velocity of fluids, pressure with temperature parameters, are investigated by  numerical solution methods. There are three different analysis scenarios, In the first scenario, a circular pipe is defined, for the second scenario first pipe is converted elliptical structure and for the last third scenario, pipe is made more elliptical. All pipes are designed as copper made and have same heat transfer surface area. Parameters are identical for all pipes as 30° C water that has 2.2 m/s velocity goes in the pipe and 650°C air passes all around the pipes with 1.2 m/s.  For all scenarios numerical analyses are done for inlet and outlet flow, In conclusion; throughout modifying the construction to elliptical from circular; even air left temperature is decreased %15 and has %30 velocity less, heat transfer rate is increased about %60. In order to reach optimum solution, analytical analyses should be made before numerical analysis which has independency from mesh quantity.

Keywords

Heat exchangers, Pipe construction, Heat transfer performance, Circular pipe, Elliptical pipe

References

• [1] Dal A.R. Kombilerde Kullanılan Isı Değiştiricisi Farklı Kanatçık Geometrilerinin Kombi Verimine Etkisinin Sayısal Analizi. Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara, Türkiye, 2007
• [2] Baysal E. Eş Merkezli Borulu Isı Değiştiricilerinde Helisel Türbülatörlerin Etkilerinin Deneysel ve Sayısal Olarak İncelenmesi. Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara, Türkiye, 2008.
• [3] Özçelik M. Doğrudan Ateşlemeli, Kanatlı Borulu Isı Değiştiricinin Modellenmesi. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul, Türkiye, 2012.
• [4] Kılıçaslan, İ., Saraç, H.İ., “Enhancement of Heat Transfer in Compact Heat Exchanger by Different Type of Rib With Holographic Interferometry’’, Experimental Thermal and Fluid Science, 17: 339-346 (1998).
• [5] Forgo, L., “Some Extra High Capacity Heat Exchangers of Special Design in Heat Exchanger” N.H. Afgan and EU Schlinder, Hemisphere, Washington, 101-120 (1974).
• [6] Lozza, G., and Merlo, U., “An Experimental Investigation of Heat Transfer and Friction Losses of Interrupted and Wavy Fins for Fin-And-Tube Heat Exchangers”, International Journal of Refrigeration, 24: 409-416 (2001).
• [7] Boran K, Daştan F, Şahin M, Aktaş M. ‘’ Isı Eşanjörlerinde Isı Transferi İyileştirme Yöntemlerinin Sayısal ve Deneysel Olarak İncelenmesi’’. Politeknik Dergisi, 17 (4), 183-191, 2014.
• [8] Omar M. Yoğuşmalı Kombiler İçin Çok Geçişli Kompakt Isı Değiştiricisi ve Yarı Küresel Metal Matrix Yakıcının geliştirilmesi. Doktora Tezi, Selçuk Üniversitesi, Konya, Türkiye, 2014.
• [9] Çengel Y. Boles M., Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik, Mc Graw Hill 2. Basım, 1996.
• [10] Ş.Ö. Atayılmaz, İ. Teke, "Experimental and numerical study of the natural convection from a heated horizontal cylinder", International Communications in Heat and Mass Transfer (ISI), Volume 36, 731-738 pp., 2009
• [11] Şahin, H.M., Dal, A.R., and Baysal, E., “3-D Numerical Study on the Correlation Between Variable Inclined Fin Angles and Thermal Behavior in Plate Fin-Tube”, Applied Thermal Engineering, 27: 1806-1816 (2007)
• [12] Y.J. Chang, C.C. Wang, A generalized heat transfer correlation for louver on geometry, Int. J. of Heat and Mass Transfer 40 (3) (1997) 533-544.
• [13] C.J. Davenport, Correlation for heat transfer and low friction characteristics of louvered ®n, AIChE Symposium Series 79 (25) (1983) 19-27.
• [14] T. Tanaka, M. Itoh, M. Kudoh, A. Tomita, Improvement of compact heat exchangers with inclined louvered ®ns, Bulletin of JSME 27 (224) (1984) 219-226.
• [15] Abuebid MA. A thermal contact conductance correlation for mechanically expanded finned tube heat exchangers. MS thesis, Univ. of Missouri-Rolla, 1984.
• [16] Shah PR. Microscopic and macroscopic fin collar effect in the prediction of finned tube contact conductance. PhD thesis, Univ. of Missouri-Rolla, 1986.
• [17] Park HB, et al. Experimental study of heat transfer and pressure drop characteristics for flow of water inside circular smooth and micro-fin tubes. Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering 1997;9:454–61.
• [18] Sheffield JW, Wood RA, Sauer Jr HJ. Experimental investigation of thermal conductance of finned tube contacts. Experimental Thermal and Fluid Science 1989:107–21.
• [19] N.C. DeJong, A.M. Jacobi, Flow, heat transfer, and pressure drop in the near-wall region of louvered-fin arrays, Experimental Thermal and Fluid Science 27 (2003) 237–250.
• [20] W.Q. Tao, Z.G. Qu, Y.L. He, Experimental and 3d numerical study of air side heat transfer and pressure drop of slotted fin surface, in: Proceedings of the Fifth International Conference on Enhanced, Compact and Ultra-Compact Heat Exchangers: Science, Engineering and Technology, Fairfax, VA, USA, September 2005.
• [21] C.N. Kim, J. Jeong, B. Youn, Evaluation of thermal contact conductance using a new experimental-numerical method in fin-tube heat exchangers, International Journal of Refrigeration 26 (2003) 900–908.
• [22] J. Jeong, C.N. Kim, B. Youn, Y.S. Kim, A study on the correlationbetween the thermal contact conductance and effective factors in fintubeheat exchangers with 9.52 mm tube, International Journal ofHeat and Mass Flow 25 (2004) 1006–1014.
• [23] A. Haught, M.S. Engelmann, Numerical and experimental simulation for airflow and heating in a tube fin heat exchanger, Heat Transfer in Gas Turbines and Three Dimensional Flows HTD-103 (1988) 107–