Tel kanatlı yoğuşturucuların yava tarafı ısıl ve akış performansının incelenmesi

Abstract

Tel kanatlı yoğuşturucular uzun yıllardır soğutucularda sıklıkla kullanılmaktadır. Endüstriyel uygulamalarda bu tip yoğuşturucular ağırlıklı olarak zorlanmış taşınım şartlarında çalışmaktadır. Bu çalışma kapsamında çapraz akışa maruz düz tip tek ve çok sıralı tel kanatlı yoğuşturucularda ısı geçişi ve basınç düşümü deneysel ve nümerik analiz yöntemlerle incelenmiştir. Tez çalışması altı ana bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde tel kanatlı yoğuşturucular için literatürde yapılan çalışmalar incelenmiştir. Bu kapsamda doğal taşınım ve zorlanmış taşınım şartlarında yapılan çalışmalar iki alt bölümde verilmiştir. Her bir alt bölüm sonunda çalışmalarda kullanılan yoğuşturucu geometrik özellikleri ve önerilen korelasyonlar tablolar halinde özetlenmiştir. Tel kanatlı yoğuşturucular silindirik yapıdaki tel ve borulardan imal edildiğinden, ısı geçiş ve basınç düşümü karakteristiğini anlamak açısından silindir çiftleri üzerine yapılan çalışma sonuçları da ayrı bir başlık altında incelenmiştir. Bununla birlikte, ısı değiştiricilerde Cevap Yüzey Yöntemi(CYY) ve optimizasyon çalışmaları da bu bölümde incelenmiştir. İkinci bölümde tek ve çok sıralı yoğuşturucular için kurulan deney düzeneği, ölçüm sistematiği ve belirsizlik analizi sunulmuştur. Ayrıca hem tek hem de çok sıralı yoğuşturucularda ısı geçişi ve basınç düşümü hesaplamaları için kullanılan hesaplama yöntemi anlatılmıştır. Üçüncü bölüm tezin nümerik analiz kısmı olup hem tek sıra hem de çok sıralı yoğuşturucular üzerinden yapılan Hesaplamalı Akış Dinamiği(HAD) analizi deneysel verilerle doğrulanmıştır. Ayrıca ışınım ısı geçişi ve boya etkisi de bu kısımda incelenmiştir. Dördüncü bölümde tezde kullanılan Genetik Kümeleme CYY ve Çok Amaçlı Genetik Algoritma(ÇAGA) yöntemleri açıklanmıştır. Beşinci bölüm, çalışmadan elde edilen bulguları ve bulgulara ilişkin tartışmaları içermektedir. Son bölümde ise çalışmanın sonuçları ve öneriler sıralanmıştır. Çalışma kapsamında öncelikle tek sıra tel kanatlı yoğuşturucularda tellerin uygulamada kullanıldığı gibi tellerin tandem dizilimli olması durumu irdelenmiştir. Bu şartlar altında tek sıradaki arka tel üzeri taşınım katsayısı ile ön tel üzeri taşınım katsayısı arasında %50’ye yakın fark olduğu belirlenmiştir. Arka telin ön tele göre şaşırtmalı dizilimiyle ortalama tel taşınım katsayısında %20-25 aralığında bir iyileşme tespit edilmiştir. Şaşırtma oranı incelemeleri 0-0,25 aralığı için yapılmış olup, artan şaşırtma oranlarıyla ısı geçişinde ve basınç düşümünde artış olduğu belirlenmiştir. Ancak 0,125-0,25 aralığında ısı geçiş hızı ve basınç düşümündeki sonuçlarının birbirine oldukça yakın olduğu anlaşılmıştır. Parametrik çalışma kapsamında tel çapı, boru çapı, teller arası mesafe ve borular arası mesafenin etkisi geniş bir aralıkta incelenmiştir. Çok sıralı dizilimde hem boru sıralı hem boru şaşırtmalı dizilime göre ısıl-akış performans incelenmiştir. Boru şaşırtmalı dizilimin ısı geçişi açısından boru sıralı dizilime nazaran daha iyi sonuçlar verdiği gözlenmiştir. Tellerin tandem dizilimli olduğu çok sıralı yoğuşturucularda sıralar arası mesafenin oldukça önemli olduğu belirlenmiştir. Buna karşın tellerin şaşırtmalı dizilimi sonucunda hem boru sıralı hem de boru şaşırtmalı dizilimli çok sıralı yoğuşturucularda sıralar arası mesafenin etkisinin büyük ölçüde ortadan kalktığı anlaşılmıştır. Çok sıra uygulamalarında ardışık sıralardaki her bir sıranın büyük oranda sıra sayısından bağımsız olarak benzer ısı geçiş davranışı gösterdiği belirlenmiştir. Tellerin şaşırtmalı dizilimiyle elde edilen JF faktörün tellerin tandem dizilimiyle elde edilenden %10-15 civarında daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Dört sıra yoğuşturucularda Latin Hiper Küp deney tasarımına göre Genetik Kümeleme CYY ile tel kanatlı yoğuşturucularda ısı geçişi ve basınç düşümünün incelemesi yapılmıştır. Bu yaklaşımla elde edilen sonuçlarla nümerik olarak elde edilen sonuçların oldukça uyumlu sonuçlar verdiği gözlenmiştir. Bu yöntem uyarınca tel kanatlı yoğuşturucularda etkili olan parametreler için duyarlılık analizi yapılmıştır. Isı geçişini en çok etkileyen parametrenin serbest hava akım hızının olduğu gözlenmiştir. Tellerin şaşırtmalı diziliminin ısıl-akış performans açısından en önemli geometrik özellik olduğu anlaşılmıştır. Aynı zamanda teller arası mesafe, borular arası mesafe, şaşırtma oranı ve sıralar arası mesafenin değişimine göre çok sıralı yoğuşturucularda Çok Amaçlı Genetik Algoritma yöntemiyle optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. Şaşırtma miktarının maksimum, tel ve boru aralığının minimum değerlerinde ısıl-akış performans faktörünün en iyi sonuçlara ulaştığı belirlenmiştir. Sıralar arası mesafenin bu şartlardaki ısı geçişi ve basınç düşümüne etkisinin az olduğu saptanmıştır. Ayrıca hem ısı geçişi hem de basınç düşümü ile ilgili yapılan nümerik çalışmalar neticesinde korelasyonlar önerilmiştir. Önerilen korelasyonların nümerik analiz sonuçlarıyla %10-15 hata aralığının altında oldukça yakın sonuçlar verdiği gözlenmiştir. Benzer şekilde hem tek sıralı hem de çok sıralı yoğuşturucular üzerinden deneysel olarak elde edilen ısı geçiş hızı ve basınç düşümünün ilgili korelasyonlar ile bulunan sonuçlarla oldukça uyumlu olduğu belirlenmiştir.