First and second law analysis of compact heat exchangers used for intercooling purposes

Abstract

Aşırı doldurmalı motorlarda, dolgu havasının sıcaklığını düşürmek amacıyla ara soğutma işlemi uygulanır. Yapılan soğutma ile motora beslenen hava miktarında artış, motordaki genel sıcaklık seviyesinde ise azalma sağlanır. Bu soğutma işlemi, bir kompakt ısı değiştiricisi olan ara soğutucu ile gerçekleştirilir. İhtiyaç duyulan termal-hidrolik performansa bağlı olarak ara soğutucular, farklı kanatçık tipleri kullanılarak tasarlanabilir.Yapılan bu çalışmada; ara soğutucu tasarımında kullanılan kanatçık tipleri, birinci ve ikinci yasa analizleri vasıtasıyla teorik olarak incelenmiştir. Bu kapsamda; düz kanatçık, panjurlu kanatçık, kaydırılmış şerit kanatçık, dalgalı kanatçık ve delikli kanatçık olmak üzere beş kanatçık tipi kullanılarak farklı ara soğutucu yapıları kurgulanmıştır. Daha sonra bu yapılara boyutlandırma ve performans değerlendirme işlemleri uygulanmıştır. Boyutlandırma işlemi ile ara soğutucu yapılarının ebatları bulunurken, performans değerlendirme işlemi ile yapıların ısı geçişi, basınç düşümü ve ikinci yasa performansı hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar tablolar halinde verilmiş ve birbirleriyle kıyaslanmıştır.Sonuçlar, kaydırılmış şerit kanatçık tipinin kullanılması ile ısıl açıdan iyi bir performans elde edilebileceğini, düz kanatçık tipinin kullanılması ile de akışkanların en az miktarda basınç düşüşüne maruz kalacağını göstermiştir. İkinci yasa analizleri ise; bu çalışmadaki ara soğutucuların dengeli akışa sahip olmaması nedeniyle, sonsuz büyüklükteki bir yüzey alanı ve sıfır basınç kaybıyla bile ara soğutucuda entropi üretiminin ya da ekserji yıkımının tamamen yok edilemeyeceğini göstermiştir.Anahtar Kelimeler: Aşırı doldurma, ara soğutma, ara soğutucular, kompakt ısı değiştiricileri, plakalı-kanatlı ısı değiştiricileri, ısı geçişi, basınç düşümü, ikinci yasa analizi.

Intercooling is a process that is employed in turbocharged engines to cool the charge air. This cooling enables to feed more air into the cylinders and decreases the operating temperatures of the engine. Intercoolers -kind of compact heat exchangers- are used to carry out this process. Depending on the required thermal-hydraulic performance, intercoolers can be designed using different fin types.In this study, the fin types that are utilized in the design of intercoolers are theoretically examined using the first and second law of thermodynamics. For this purpose, various intercooler configurations are established with five different fin geometries, namely plain fins, louvered fins, offset strip fins, wavy fins and perforated fins. Then, sizing and rating procedures are applied on these configurations. In sizing procedure, the dimensions of the intercooler configurations are determined. In rating procedure, heat transfer, pressure drop and second law performances of the configurations are computed. The obtained results are tabulated and compared with each other.It is found that offset strip fins provide very good heat transfer performances whereas plain fins enable least pressure drops in the fluid pressures. In second law analysis the following outcome is attained; since the configurations in this study have unbalanced flow, eliminating entropy generation or exergy destruction is not possible even with an infinite surface area and zero pressure drops.Keywords: Turbocharging, intercooling, intercoolers, compact heat exchangers, plate-fin heat exchangers, heat transfer, pressure drop, second law analysis.