Kanatçıklı ısı değiştiricilerinin ısıl performanslarının sayısal olarak incelenmesi

Abstract

Bu tez çalışmasında, 1.5 m uzunluğunda, 1.234 cm iç çapa ve 6.27 cm dış çapa sahip kanatlı boru tipi ısı değiştiricisinin sayısal modellemesi yapılarak, en yüksek ısıl performans açısından en uygun kanat geometrisinin tespiti yapılmıştır. Sayısal çalışmada, hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) bilgisayar programı olan FLUENT, model çizimi ve ağ oluşumunda GAMBIT paket programı kullanılarak, temel akış ve enerji denklemleri sürekli rejimde, 2 boyutlu ve türbülanslı akış şartlarında çözülmüştür. Tüm modellerde hem taşınım hem de iletimin olduğu bileşik ısı transferi çözümü yapılmıştır. Türbülans modeli olarak k-? seçilmiştir. Modellemede iç borudan 0.2 m/s lik hıza sahip su, kanatlı dış taraftan ise değişik (2-7 m/s) hızlarda sıcak gaz akmaktadır. Isı değiştiricisinin tam silindirik ve simetrik olması nedeniyle, modelleme iki boyutlu ve eksenel-simetrik geometride gerçekleştirilmiştir.HAD modellemesi kanatsız ve kanatlı ısı değiştiricileri için gerçekleştirilmiştir. Kanatlı ısı değiştiricisinde, kanat yüksekliği, kanat kalınlığı ve kanatlar arası mesafenin ısıl performans üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Sayısal hesaplamalar aynı ve zıt yönlü akışa sahip ısı değiştiricileri için yapılmıştır. Hesaplamalarda toplam ısı transferi, basınç düşümleri, sıcaklık dağılımları, hız dağılımları ve akım çizgileri detaylı olarak incelenmiştir. İlave olarak, kanatlı yapı için kanat eğim açısının ve gaz akış hızının ısıl performans üzerindeki etkileri de incelenmiştir. Genel olarak, kanatsız yapının sonuçlarıyla mukayese edilerek kanatlı yapıdaki iyileşme belirlenmiştir. Sonuç olarak, incelenen ısı değiştiricilerinde maksimum ısıl performans için kanat kalınlığının 0.006 m, kanat yüksekliğinin 0.018 m, kanatlar arası mesafenin 0.013 m ve kanat açısının 90o olması gerektiği tespit edilmiştir. Isı transferinde kanatsız yapıya göre %400 lük bir iyileşme sağlanabilmiştir.Anahtar Kelimeler: Kanatlı ısı değiştiricileri, Isı transferi iyileştirilmesi, FLUENT

In this study, numerical analysis of the heat exchanger with rib which has 1.5 m length, 1.234 cm internal diameter and 6.27 cm outer diameter was performed, and optimum rib geometry was determinated in terms of maximum thermal performance. In the numerical study, the basic conservation, flow and energy equations were solved for two-dimensional (2D) and turbulent flow conditions in steady state using a CFD computer code, FLUENT and by GAMBIT software for the model drawing and mesh. Conjugate heat transfers both conduction and convection was analyzed for all models. The realizable k-? was selected as turbulent model. In the investigated model, the water flow of 0.2 m/s velocity in the pipe and hot gas flow different (2-7 m/s) velocities in the outside with ribs were considered. Numerical calculations for the heat exchanger having cylindrical geometry were carried out two dimensional - axisymmetric geometry.The CFD models were implemented for heat exchanger without rib and with rib. In the heat exchanger with rib, effects of rib height; rib thickness and distance between two ribs on the thermal performance were investigated. Numerical calculations were made for heat exchangers which has parallel and reverse flow. Total heat transfer, pressure loss, temperature distributions, velocity distributions and streamlines was calculated in the parametric studies. In addition, effects of rib gradient angle and gas flowing velocity on the thermal performance were investigated for structure with rib. Generally, the enhancement in thermal performance of the exchanger was determinated by means of comparison of results with and without ribs. Consequently, in the investigated heat exchangers, the maximum thermal performance was exhibited by the heat exchanger with rib; thickness 0.006 m, height:0.018 m, distance between two ribs of 0.013 m and rib angle 90o. The enhancement in the total heat transfer is about 400 % according to case without rib.Keywords: Heat exchanger with rib, enhancement heat transfer, FLUENT