Effect of Use of Turbulators with Different Angled Fins in Gas-Fired Boiler on Heat Transfer

Abstract

Heat exchangers, which are very commonly used in industrial plants, are devices that transfer heat without mixing two fluids at different temperatures. Turbulators used in heat exchangers provide improvements in heat transfer. In boilers, turbulators are applied to smoke pipes, giving turbulence to smoke gases and increasing heat transfer by increasing the contact of smoke gases with the surface. In this study, turbulators with different angle fins were added to the 3rd transition pipes in a gas-fueled boiler and experiments were carried out and the effect of turbulator fin angle change on heat transfer and flue gas output temperature was investigated. In addition, the experiments were confirmed by analyzing the Solidworks Flow Simulation program, which analyzes the dynamics of computational fluids. In the experiment, turbulators with 3 different fin angles (15°, 20°, 25°) are used. The boiler used in the experiment has 3 passes The first pass is the first place where the burning occurs and with the 2nd pass and the 3rd pass, the fuel goes to the chimney. 12 turbulators were placed on the 3rd passage pipes with an outer diameter of 42.4 mm and a pipe internal diameter of 36 mm and a pipe length of 1720 mm. In the experiment, the water inlet temperature was set to be 50°C and the water output temperature was 70°C. According to the results of the experiment, the effect of the change in the angle of the turbulator fin on heat transfer and flue gas output temperature was observed. According to the result of the experiment and Solidworks Flow Simulation analysis, the lowest value of the flue gas output temperature was obtained by the turbulator with a fin angle of 25°, while the most heat transfer was obtained by the turbulator with a fin angle of 25°. According to the results of the experiment obtained, the best yield was obtained from the turbulator with a fin angle of 25° with 97.6%.

Keywords

• Heat Exchangers
• Turbulator
• Heat Transfer.

Farklı Açılı Kanatçıklara Sahip Türbülatörlerin Gaz Yakıtlı Kazanda Kullanımının Isı Transferine Etkisi

Abstract

Endüstriyel tesislerde çok sık kullanılan ısı değiştiriciler farklı sıcaklıklardaki iki akışkanı birbirine karıştırmadan ısı transferini gerçekleştiren cihazlardır. Isı değiştiricilerinde kullanılan türbülatörler ısı transferinde iyileşmeler sağlamaktadır. Kazanlarda türbülatörler duman borularına uygulanmakta olup, duman gazlarına türbülans kazandırmakta ve duman gazlarının yüzey ile olan temasını artırarak ısı transferini arttırmaktadırlar. Bu çalışmada bir gaz yakıtlı kazanda, farklı açılı kanatçıklara sahip türbülatörler 3. geçiş borularına eklenerek deneyler yapılmış ve türbülatör kanatçık açısı değişiminin ısı transferine ve baca gazı çıkış sıcaklığına etkisi araştırılmıştır. Ayrıca hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizi yapan Solidworks Flow Simulation programı üzerinde analiz yapılarak deneyler doğrulanmıştır. Deneyde 3 farklı kanatçık açısına (15°, 20°, 25°) sahip türbülatörler kullanılmaktadır. Deneyde kullanılan kazan 3 geçişlidir. İlk geçiş yanmanın ilk gerçekleştiği yer olup 2. geçiş ve 3. geçiş ile birlikte yakıt bacaya gitmektedir. Boru dış çapı 42.4 mm ve boru iç çapı 36 mm, boru boyu 1720 mm olan 3. geçiş borularına 12 adet türbülatör konulmuştur. Deneyde su giriş sıcaklığı 50°C ve su çıkış sıcaklığı 70°C olacak şekilde ayarlanmıştır. Deney sonucuna göre türbülatör kanatçık açısındaki değişimin ısı transferine ve baca gazı çıkış sıcaklığına etkisi gözlemlenmiştir. Elde edilen deney ve Solidworks Flow Simulation analizi sonucuna göre baca gazı çıkış sıcaklığının en düşük değerine kanatçık açısı 25° açıya sahip türbülatörle ulaşılırken, en fazla ısı transferi kanatçık açısı 25° olan türbülatör ile elde edilmiştir. Elde edilen deney sonucuna göre en iyi verim %97,6 ile kanatçık açısı 25° olan türbülatörden elde edilmiştir.

Keywords

• Isı Değiştiricileri
• Türbülatör
• Isı Transferi.

References

1. Bademci, N. (2017). Boru İçine Yerleştirilen Türbülatörlerin Isı Transferi ve Akış Karakteristiklerinin Sayısal Olarak İncelenmesi (Master's thesis, Batman Üniversitesi).
2. Celik, N., Pusat, G., & Turgut, E. (2018). Application Of Taguchi Method And Grey Relational Analysis on a Turbulated Heat Exchanger. International Journal of Thermal Sciences, 23(2):527-535
3. Fırat, İ., Karagöz, Ş., Yıldırım, O., & Sönmez, F. 10 ve 20 Açılı Kanatçıklara Sahip Türbülatörlerin Isı Transferine ve Sürtünme Faktörüne Etkisinin Deneysel Olarak İncelenmesi. ULIBTK’21 Uluslararası Katılımlı 23. Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi, 2021.
4. Guo, J., Yan, Y., Liu, W., Jiang, F., & Fan, A. (2013). Effects of upwind area of tube inserts on heat transfer and flow resistance characteristics of turbulent flow. Experimental thermal and fluid science, 48, 147-155.
5. İsmail, A. T. A., & Adem, A. C. I. R. (2020). Hava Akışkanlı Güneş Kollektöründe Isı Transferi İyileştirmesine Etki Eden Parametrelerin Taguchi Metodu ile Optimizasyonu. Politeknik Dergisi, 23(2): 527-535.
6. Kahraman, N., Sekmen, U., Çeper, B., & Akansu, S. O. (2008). Boru İçi Akışlarda Türbülatörlerin Isı Transferine Olan Etkisinin Sayısal İncelenmesi. Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 28(2), 51-59.
7. Kapan, S. (2016). Yay tipi bir türbülatörün silindirik borularda ısı transferi ve basınç kaybına etkisi/The effects of coil spring turbulators inserted to the concentric heat exchangers on the heat transfer and pressure losses (Master's thesis, Fırat Üniversitesi).
8. Karagöz, Ş., Çiltaş, S., Yıldırım, O., & Erdoğan, S. (2019). Yatay Borularda Türbülatörlerin Isı Transferine Olan Etkisinin Deneysel Araştırılması. Erzincan Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 12(1), 306-316.

9. Koca, T. & Zedeli, A. (2020). Helisel İç Borulu Isı Değiştiricilerde Isı Transferi ve Basınç Düşümü Analizinin Deneysel Olarak İncelenmesi. Journal of the Institute of Science and Technology, 10 (3), 1943-1955.
10. Koca, T., & Budak, SA (2021). Kanatçıklı İç Borulu Dikey Isı Değiştiricilerinde Isı Transferi ve Basınç Düşümü Analizi. Gümüşhane Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi,11 (1), 62-72.
11. Pusat, G. (2016). Isı Değiştirgeçlerinde Bükümlü Plaka Tipi Türbülatörün Isı Transferine ve Basınç Kaybına Etkisi/Effects Of Corrugated Plate Type Turbulators in a Heat Exchanger on Heat Transfer and Pressure Loss (Master's thesis, Fırat Üniversitesi).
12. Sparrow, E. M., & Chaboki, A. (1984). Swirl-Affected Turbulent Fluid Flow and Heat Transfer in a Circular Tube. J. Isı Transferi,106(4): 766-773
13. Şahin, H. M., Dal, A. R., & Özkaya, M. (2020). İç İçe Borulu Yay Tip Türbülatörlü Bir Isı Değiştiricisinin RNG k-ε Türbülans Modeli ile Sayısal Analizi. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, 8(1), 64-78.
14. Terhan, M. (2014), Doğalgaz Yakıtlı Bir Kazanda Baca Gazından Enerji Geri Kazanımı ve Yoğuşma Olayının Enerji, Ekserji ve Ekonomik Yönden İncelenmesi (Doctoral Thesis, Atatürk Üniversitesi).
15. Turgut, E., Çakmak, G., & Yıldız, C. (2012). Optimization Of The Concentric Heat Exchanger With Injector Turbulators By Taguchi Method. Energy conversion and management, 53(1), 268-275.
16. Turgut, E. (2020). Dairesel Kesitli Türbülans Üreticilerinin Isıl Performansının Araştırılması. Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi, 11(2), 481-490.
17. Uğur, O. (2000). Duman Borulu Kazanlar İçin Türbülatör Tipinin Seçilmesi (Master's thesis, Yıldız Teknik Üniversitesi). Yakut, K., Sahin, B., Celik, C., Alemdaroglu, N., & Kurnuc, A. (2005). Effects Of Tapes With Double-Sided Delta-Winglets On Heat And Vortex Characteristics. Applied energy, 80(1), 77-95.
18. Yıldız, A., & Gunerhan, H. (2005). Katı yakıtlı kazan tasarımı ve kazan ısıl kapasite verimlilik değerinin deneysel olarak belirlenmesi. Tesisat Mühendisliği Dergisi, 89, 50-57.