Isı değiştiricilerinde hava tarafı ısıl ve akış performanslarının panjurlu kanatlarla iyileştirilmesi

Abstract

Isı değiştiricileri hava koşullandırma cihazlarında, ısı pompalarında, deniz, kara ve hava araçlarında, soğutma sistemlerinde, termik ve nükleer santrallerde kısacası endüstriyel ürünlerden evsel kullanım ürünlerine kadar birçok alanda kullanılmaktadır. Bir ısı değiştiricisinin ısı transfer kapasitesini artırmak ısı değiştiricisinin hacminin ve kullanılan malzemenin azalması anlamına gelmektedir. Panjur kanatlı ısı değiştiricileri de yüksek ısı transferi gerçekleştirme potansiyelleri nedeniyle birçok uygulamada kullanım alanı bulmuştur. Panjur kanatlı ısı değiştiricilerinin mümkün olan en düşük basınç düşüşü ile en yüksek ısı transferi iyileşmesi sağlayacak şekilde tasarlanabilmesi yüksek ısıl - akış performans elde etmek için büyük önem arz etmektedir. Panjur kanatlı ısı değiştiricileri iki temel ilkeye dayanarak ısı transferi iyileşmesi sağlar. Kesintili geometrik yapıları sınır tabakanın sürekli olarak kesintiye uğrayıp tekrar başlamasına neden olarak sınır tabaka kalınlığının büyümesini yavaşlatır. Düşük sınır tabaka kalınlığı da yüksek ısı taşınım katsayısı anlamına geldiğinden ısı transferi iyileşmesi sağlanır. Bir diğer ilke ise panjurların akışı yönlendirmesi sebebiyle akışın kanatlar arasında dolaşarak akmasıdır. Farklı kanatlar arasında dolaşan akışın akış yolu uzar, soğuk - sıcak akışkan karışımı artar ve dolayısıyla ısı değiştiricisi genelinde ortalama taşınım katsayısı artmış olur. Panjurlu kanatların yukarıda bahsedilen özellikleri gereği geometrik özellikleri ve akış şartları dikkate alınarak titizlikle tasarlanması büyük önem arz eder. Panjurlu kanatların ısı transferi ve basınç düşüşü karakteristiklerinin araştırılmasında temel olarak kullanılan üç yöntem vardır: gerçek ölçekli ısı değiştiricileri ile gerçekleştirilen deneyler, büyütülmiş ölçekli modellerle gerçekleştirilen deneyler ve HAD yaklaşımı ile yapılan sayısal çalışmalar. Özellikle HAD çalışmalarıyla ve büyütülmüş ölçekli modellerle yapılan deneysel çalışmalar akış yapısı ve ısı transferi arasındaki ilişkinin anlaşılması bakımından büyük fayda sağlamıştır. Panjurlu kanatlarla ilgili yapılan ilk çalışmalarda araştırmacılar panjurlu kanatların pürüz etkisi yaratarak türbülans oluşturduğunu ve bu nedenle ısı transferi iyileşmesi meydana getirdiğini düşünmekteydi. İlerleyen dönemde ise büyütülmüş ölçekli modellerle yapılan ısı tansferi ve akış görselleştirme deneyleri sayesinde gerçek ısı transfer iyileşme mekanizma anlaşılmış oldu. Bu tez çalışması kapsamında panjurlu kanatlı ısı değiştiricilerinin akış, ısı transferi ve basınç düşüşü karakteristiklerini araştırmak için yukarıda bahsedilen üç yöntem kullanılmıştır. Ansys FLUENT 16.2 yazılımı ile HAD çalışmaları, PIV yöntemi ile akış görselleştirme çalışmaları, rüzgar tünelinde ise gerçek boyutlu ısı değiştiricileri ile ısı transferi ve basınç düşüşü karakteristiklerini belirleme çalışmaları yapılmıştır. HAD çalışması diğer iki yöntemin özelliklerini birleştirmiş hem ısı transferi ve basınç düşüşü karakteristikleri elde edilmiş hem de akış görselleştirme sonuçları ile akış yapısı hakkında bilgi edinilmiştir. Elde edilen verilerle ısı transferi ve basınç düşüşü korelasyonları türetilmiştir.