İç İçe Borulu Isı Değiştiricide Zıt Akışta Türbülatör Kullanımının Basınç Değişimine Etkisinin Sayısal Olarak İncelenmesi

Öz

Endüstriyel proseslerde sıklıkla kullanılan boru tipi ısı değiştiricileri, farklı sıcaklıklardaki iki akışkanın birbirine karışmadan ısının transfer edilmesine yarayan cihazlardır. Türbülatör kullanılması ile akışa, akışın sınır tabakasının bütünlüğünün bozulup parçalanması, akışın olduğu çevreye ek türbülans verilmesi, akışın olduğu çevrede ikincil akışların meydana gelmesi ve türbülatörlerin hem kanatçık adımlarının hem de kanatçık açılarının farklılaşması sonucunda akışkanın akış mesafesinin uzamasının sağlanması gibi etkiler verilmektedir. Bu çalışmada, türbülatörler zıt akışlı iç içe borulu ısı değiştiricide kullanılmıştır. İki boru arasındaki bölgeden 50 l/h sabit hacimsel debide ve 298.14 K sıcaklıkta su, içteki borudan ise 350 K sıcaklıkta hava geçmektedir. İçteki boru içine yerleştirilmiş halkasal tip türbülatörler farklı adımlarda sayısal olarak incelenmiştir. Her bir türbülatör için Reynolds sayısının 4000 – 26000 aralığı için basınç kayıpları ve sürtünme karakteristikleri araştırılmıştır. Sonlu hacimler metoduna dayalı analiz yapan sayısal akışkanlar dinamiği kod programı kullanılarak temel korunum denklemleri sürekli rejimde 3 boyutlu ve türbülanslı akış şartlarında çözülmüştür. Havanın farklı hızlarına göre yapılan çalışmada sayısal analiz sonuçları elde edilmiştir. Sayısal analiz sonucunda boru içinde basınç ve hız dağılımları oluşturulmuştur. Boş ısı değiştiriciye oranla, türbülatörün neden olduğu basınç düşüşü, en düşük 100 mm adımlı ve en yüksek 25 mm adımlı türbülatör için gerçekleştiği görülmüştür. Türbülatörlerde adım mesafesinin kısalması ile basınç düşüşlerin yükseldiği, Reynolds sayısının artması ile de basınç düşüşlerinin arttığı sonucuna ulaşılmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Basınç düşüşü
• sürtünme faktörü
• sayısal akışkanlar dinamiği
• türbülatör

Numerical Investigation of the Effect of Using Counter-Flow Turbulators on Pressure Change in Inner Tube Heat Exchangers

Öz

Tubular heat exchangers, which are frequently used in industrial processes, are devices that transfer the heat of two fluids at different temperatures without mixing. With the use of a turbulator, the integrity of the flow boundary layer is disrupted and shattered, additional turbulence is given to the environment of the flow, secondary flows occur in the environment of the flow and effects such as increasing the flow distance of the fluid as a result of the variation of both the fin pitches and the blade angles of the turbulators. In this study, turbulators are used in counter flow tube heat exchangers. From the area between the two pipes, water at a constant volumetric flow of 50 l/h and a temperature of 298.14 K passes, while air at a temperature of 350 K passes through the inner pipe. The annular type turbulators placed in the inner pipe were examined numerically in different steps. Pressure losses and friction characteristics were investigated for the range 4000 - 26000 of Reynolds number for each turbulator. Using the digital fluid dynamics code program, which performs analysis based on the finite volume method, the basic conservation equations are solved in steady-state, 3-dimensional and turbulent flow conditions. Numerical analysis results were obtained in the study conducted according to different speeds of the air. Pressure and velocity distributions are created within the pipe as a result of numerical analysis. Compared to the empty heat exchanger, the pressure drops caused by the turbulator was observed to occur for the turbulator with a minimum pitch of 100 mm and a maximum step of 25 mm. It was concluded that the pressure drops increase with the shortening of the step distance in the turbulators, and the pressure drops increase with the increase of the Reynolds number.

Anahtar Kelimeler

• Pressure drop
• friction factor
• computational fluid dynamics
• turbulator

Kaynakça

1. [1] Bergles, A. E., Enhancement of Boiling and Condensing. Review of Two- Two-Phase Flow and Heat Transfer, Eds. by Chen X. J., Veziroğlu T. N., Hemisphere Publishing Corporation, Washington, 1985, 283-307.
2. [2] Zaherzadeh, N.H., Jagadish, B.S., Heat Transfer in a Decaying Swirl Flows, Int. J. Heat&Mass Transfer, 1975, 8, 941-944.
3. [3] Algifri, A.H., Bhardwaj, R.K., Rao, Y.V.N., Heat Transfer in a Turbulent Decaying Swirl Flow in a Circular Pipe, Int. J. Heat&Mass Transfer, 1988, 31, 1563-1568.
4. [4] Yılmaz, M., Comakli, O., Yapici, S., Sara, O.N., Heat Transfer and Friction Characteristics in Decaying Swirl Flow Generated by Different Radial Guide Vane Swirl Generators, Energy Convers. Management, 2003, 44, 283–300.
5. [5] Yıldız C., Çakmak G., Boru Girişinde Düzgün Sıralı Enjektörlü Türbülans Üretici Bulunan Isı Değiştiricilerinde Isı Geçişinin ve Basınç Düşümünün İncelenmesi, Termodinamik Dergisi, 2003.
6. [6] Sara, O.N., Pekdemir, T., Yapıcı, S., Yılmaz, M., Enhancement of Heat Transfer from a Flat Surface in a Channel Flow by Attachment of Rectengular Blocks, International Journal of Energy Research, 2001, 25, 563-576.
7. [7] Ahmadi, S., Ali, J., Hamad, S., Shafee, A., Ayani, M., Modeling of Heat Transfer Augmentation Due to Complex-Shaped Turbulator Using Nanofluid, Physica A: Statistical Mechanics and Its Applications, 2020.
8. [8] Akyürek, E., Geliş, K., Şahin, B., Manay, E., Experimental Analysis for Heat Transfer of Nanofluid with Wire Coil Turbulators in a Concentric Tube Heat Exchanger, Result in Physics, 2018, 9, 376-389.

9. [9] Sparrow, E.M., Chaboki, A., Turbulent Fluid Flow and Heat Transfer in a Circular Tube, ASME Journal of Heat Transfer, 1984, 106, 766-773.
10. [10] Karakaya, H., Durmuş, A., Heat Transfer and Exergy Loss in Conical Spring Turbulators. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013, 60, 756-762.
11. [11] Sahin, H. M. , Baysal, E., Dal, A. R., Experimental and Numerical Investigation of Thermal Characteristics of A Novel Concentric Type Tube Heat Exchanger with Turbulators. International Journal of Energy Research , 2013, 37, 1088-1102.
12. [12] Bademci, N., Boru İçine Yerleştirilen Türbülatörlerin Isı Transferi ve Akış Karakteristiklerinin Sayısal Olarak İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Batman Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Batman, 2017.
13. [13] Baysal, E., Eşmerkezli Borulu Isı Değiştiricilerinde Helisel Türbülatörlerin Etkilerinin Deneysel ve Sayısal Olarak İncelenmesi, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 2009.
14. [14] Petukhov, B.S., Advances in Heat Transfer, Academic Press, New York, 1970, 85-95.
15. [15] Moody, L. F., Friction Factors for Pipe Flow Trans. ASME, 1944, 66, 671-684.