Döner Tip Rejeneratif Isı Değiştiricilerde Kanat Sayısı, Kanatçık Mesafesi ve Hava Hızı Parametrelerinin Termal Performans Üzerine Sayısal İncelemesi

Abstract

Bu çalışmada, döner tip rejeneratif ısı değiştiricilerin termal performansı, kanat sayısı, kanatçık ile iç çap arasındaki mesafe ve hava giriş hızı gibi parametrelerin etkisi dikkate alınarak sayısal olarak incelenmiştir. Hesaplama maliyetini azaltmak amacıyla, tüm yapısal özellikleri koruyan basitleştirilmiş eşmerkezli halka kesitli bir model kullanılmıştır. Parametrik olarak oluşturulan dokuz farklı model, 11, 13 ve 15 adet kanat sayısı ile 0,5 mm, 0,75 mm ve 1 mm'lik kanatçık mesafeleri kombinasyonlarıyla oluşturulmuştur. ANSYS Fluent ortamında geçici rejimli akış koşullarında yapılan analizlerde hava hızları 2,6 m/s ile 3,8 m/s arasında değiştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, kanat sayısındaki artışın ve kanatçık mesafesinin genişletilmesinin, akışın daha homojen dağılmasına ve türbülans etkisinin artmasına bağlı olarak ısı transferini iyileştirdiğini ve yaklaşık %11'e kadar etkenlik artışı sağladığını göstermektedir. Öte yandan, artan hava hızları temas süresini kısaltarak sınır tabaka oluşumunu bozmakta ve sistem etkenliğini azaltmaktadır. Çalışma, geometrik olarak sınırlı bir bölge üzerinden yapılan analizlerle dahi performansta ölçülebilir değişikliklerin ortaya çıktığını göstermekte ve sistem tasarımı için önemli çıkarımlar sunmaktadır. Bu yönüyle çalışma, döner ısı değiştiricilerde parametre duyarlılığının küçük ölçekli modellerle yüksek doğrulukla analiz edilebileceğini ortaya koyarak literatüre katkı sağlamaktadır.

Keywords

• döner rejeneratif ısı değiştirici
• kanat sayısı
• kanatçık mesafesi
• sayısal analiz
• termal etkenlik

Numerical Investigation of Fin Number, Fin Spacing, and Air Velocity Effects on the Thermal Performance of Rotary Regenerative Heat Exchangers

Abstract

This study presents a detailed numerical investigation into the thermal performance of rotary regenerative heat exchangers, focusing on the influence of fin number, fin-to-inner-diameter spacing, and air inlet velocity. A simplified annular cross-sectional model was utilized to reduce computational cost while preserving geometric accuracy. A total of nine model variations were created by parametrically altering the number of fins (11, 13, and 15) and fin spacing (0.5 mm, 0.75 mm, and 1 mm). Simulations were performed using ANSYS Fluent under transient flow conditions, with air velocities ranging from 2.6 m/s to 3.8 m/s. Results showed that increasing the number of fins and expanding fin spacing both enhance heat transfer by improving flow uniformity and turbulence levels, with effectiveness improvements reaching up to 11%. Conversely, higher air velocities reduce heat exchanger effectiveness due to shortened contact time and boundary layer disruption. The findings highlight that even within a geometrically limited segment, measurable changes in performance occur, offering valuable insights for system-level design optimizations. The study contributes to the literature by demonstrating the feasibility of high-fidelity modeling of small-scale segments to evaluate parameter sensitivity in rotary heat exchangers.

Keywords

• rotary regenerative heat exchanger
• fin number
• fin spacing
• numerical analysis
• thermal effectiveness

References

1. [1] E. Çiftçi and A. Sözen, “Numerical investigation of a heat wheel performance used for enthalpy recovery applications,” Res. Eng. Struct. Mater., 2017, doi: 10.17515/resm2016.60en0711.
2. [2] L. Yadav, A. K. Verma, V. Dabra, and A. Yadav, “Performance Comparison of Different Desiccant Material Based Wheels for Air Conditioning Application,” Evergreen, vol. 10, no. 2, pp. 912–923, 2023, doi: 10.5109/6792886.
3. [3] M. Intini, M. Goldsworthy, S. White, and C. M. Joppolo, “Experimental analysis and numerical modelling of an AQSOA zeolite desiccant wheel,” Appl. Therm. Eng., vol. 80, pp. 20–30, 2015, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2015.01.036.
4. [4] A. Al-Alili, Y. Hwang, and R. Radermacher, “Performance of a desiccant wheel cycle utilizing new zeolite material: Experimental investigation,” Energy, vol. 81, pp. 137–145, 2015, doi: 10.1016/j.energy.2014.11.084.
5. [5] M. J. Goldsworthy and S. White, “Design and performance of an internal heat exchange desiccant wheel,” Int. J. Refrig., vol. 39, pp. 152–159, 2014, doi: 10.1016/j.ijrefrig.2013.10.009.
6. [6] L. Z. Zhang, H. X. Fu, Q. R. Yang, and J. C. Xu, “Performance comparisons of honeycomb-type adsorbent beds (wheels) for air dehumidification with various desiccant wall materials,” Energy, vol. 65, pp. 430–440, 2014, doi: 10.1016/j.energy.2013.11.042.
7. [7] K. Özdemir and M. F. Serincan, “A computational fluid dynamics model of a rotary regenerative heat exchanger in a flue gas desulfurization system,” Appl. Therm. Eng., vol. 143, no. August, pp. 988–1002, 2018, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2018.08.011.
8. [8] A. Heidari-Kaydan and E. Hajidavalloo, “Three-dimensional simulation of rotary air preheater in steam power plant,” Appl. Therm. Eng., vol. 73, no. 1, pp. 399–407, 2014, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2014.08.013.

9. [9] R. Tu, X. H. Liu, and Y. Jiang, “Performance comparison between enthalpy recovery wheels and dehumidification wheels,” Int. J. Refrig., vol. 36, no. 8, pp. 2308–2322, 2013, doi: 10.1016/j.ijrefrig.2013.07.014.
10. [10] Y. Men, X. Liu, and T. Zhang, “Experimental and numerical analysis on heat and moisture recovery performance of enthalpy wheel with condensation,” Energy Convers. Manag., vol. 246, p. 114683, 2021, doi: 10.1016/j.enconman.2021.114683.
11. [11] Y. Men, X. Liu, and T. Zhang, “Performance comparison of different total heat exchangers applied for waste heat recovery,” Appl. Therm. Eng., vol. 182, no. February 2020, p. 115715, 2021, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2020.115715.
12. [12] W. Ruan, M. Qu, and W. T. Horton, “Modeling analysis of an enthalpy recovery wheel with purge air,” Int. J. Heat Mass Transf., vol. 55, no. 17–18, pp. 4665–4672, 2012, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.04.025.
13. [13] N. Baruah and K. G. V. Prasanna, “Numerical Modeling of Regenerative Rotary Heat Exchanger: A Review,” J. Biosyst. Eng., vol. 42, no. 1, pp. 44–55, 2017, doi: 10.5307/jbe.2017.42.1.044.
14. [14] Özdemir, K., and Öğüt, E., "A comparative analysis of heat pipe and rotary regenerative heat exchangers for ventilation waste-air heat recovery", Journal of Building Engineering, 93, 110234, 2025.
15. [15] White, J., Improving efficiency and performance of rotary regenerative heaters through geometric optimization (Doctoral dissertation, University of Glasgow). University of Glasgow Theses, 2025.
16. [16] Zmrhal, V., Vít, T., and Škorpil, J., "Sensible heat effectiveness of rotary heat exchangers at different rotational speeds", Energy and Buildings, 322, 114247, 2025.
17. [17] Versteeg, H. K., and Malalasekera, W., "An introduction to computational fluid dynamics: The finite volume method (2nd ed.)", Pearson, 2007.
18. [18] ANSYS Inc. (2024). ANSYS Fluent Theory Guide (2024 R1). ANSYS, Inc.
19. [19] Muradoğlu, E., Tan, H., Erişen, A., “ Numerical Analysis of The Performance of Rotary Regenerators with Different Number of Fins” 2. International Black Sea Scientific Research and Innovation Congress, Trabzon(2024).