Analysis of Heat Transfer and Pressure Drop in Vertical Heat Exchangers with Helical Inner Pipe

Öz

The most important aim of a heat exchanger is that the outlet temperature of the hot water and the outlet temperature of the cold water are very close to each other. This goal has been tried to be reached in all studies. As the temperatures are tried to come closer together, pressure drops occur also. The increase in pressure drops is reflected in the system as operating costs and increases the cost. In this study, increasing the heat transfer by vertical positioning of the helical inner tube heat exchanger with different helix numbers has been handled experimentally. Experiment set was installed to analyze the amount of heat transfer and pressure drop in the vertical positioned heat exchanger. Heat transfers and pressure drops were analyzed at different capacity rates and at different flow rates. Helical inner pipes are made of copper. The outer tube of the heat exchanger is made of steel. The hot water obtained by the heater is directed from the feeding tank to the helical copper pipes in the heat exchanger and enters from the top and exits from the bottom. In this way, the flow order is created and the flow is provided in opposite directions. In the graphics created with the results obtained from the experiments, an increase in heat transfer was observed by increasing the helix numbers of the spiral copper pipes used in the heat exchanger. There was a match between the results obtained from the experiments and the values given in the literature.

Anahtar Kelimeler

• Heat transfer
• vertical heat exchangers
• flow through helical pipes

Helisel İç Borulu Isı Değiştiricilerde Isı Transferi ve Basınç Düşümü Analizinin Deneysel Olarak İncelenmesi

Öz

Bir ısı değiştiricisinde en önemli amaç sıcak suyun çıkış sıcaklık değeri ile soğuk suyun çıkış sıcaklık değerinin birbirine çok yakın olmasıdır. Yapılan bütün çalışmalarda bu hedefe ulaşılmaya çalışılmıştır. Sıcaklıklar birbirine yaklaştırmaya çalışıldıkça basınç düşümleri de meydana gelmektedir. Basınç düşümlerinin artması sisteme işletme masrafı olarak yansımakta ve maliyeti artırmaktadır. Bu çalışmada helis sayısı farklı olan helisel iç borulu ısı değiştiricisinin dik konumlandırılmasıyla ısı transferinin artırılması deneysel olarak ele alınmıştır. Dik konumlandırılan ısı değiştiricisindeki ısı transferi miktarını ve basınç düşümünü analiz etmek için deney seti kurulmuştur. Isı transferi ve basınç düşümü farklı kapasite oranlarında, farklı debilerde analiz edilmiştir. Helisel iç borular bakırdan imal edilmiştir. Isı değiştiricisinin dış borusu ise çelik malzemeden imal edilmiştir. Isıtıcı ile elde edilen sıcak su besleme tankından ısı değiştiricideki helisel bakır borulara yönlendirilerek üstten girmekte ve alttan çıkmaktadır. Soğuk su ise ısı değiştiriciye alttan girip üstten çıkmaktadır. Bu şekilde akış düzeni oluşturularak akışın zıt yönlü olması sağlanmıştır. Isı değiştiricisinde kullanılan helisel bakır boruların helis sayıları artırılarak ısı transferinde bir iyileşme deneylerden elde edilen sonuçlarla oluşturulan grafiklerde görülmüştür. Deneylerden elde edilen sonuçlarla literatürde verilen değerler arasında uyum olduğu saptanmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Isı transferi
• dikey ısı değiştiricileri
• helisel borular içinden akış

Kaynakça

1. Akyürek E, Geliş K, Yoladı M, 2020. Farklı Tip Isı Değiştiriciler için Termodinamik Analiz. Journal of the Institute of Science and Technology, 10 (2): 1202-1212.
2. Alimoradi A, Veysi F, 2017. Optimal and Critical Values of Geometrical Parameters of Shell and Helically Coiled Tube Heat Exchanger. Case Studies in Thermal Engineering, 73–78.
3. Ammar A, Abda C, Kareema MQ, Naji SZ, 2018. Performance Analysis of Shell and Tube Heat Exchanger: Parametric ;Study. Case Studies in Thermal Engineering, 12: 563-568.
4. Biçer Y, Yıldız C, Pehlivan D, 1998. Effect of Twisted Strıps on Heat Transfer and Pressure Drop in heat Exchangers. Energy Convers, 39: 331-336
5. Dal A, 2019. Düz Plakalı Borulu Bir Isı Değiştiricisinin Optimum Kanatçık Aralığının Sayısal Analizi. Ömer Halis demir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 8(1): 479-501.
6. Daştan ÇF, 2012. Isı Eşanjörlerinde Isı Transferi İyileştirme Yöntemlerinin Sayısal ve Deneysel Olarak İncelenmesi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi.
7. Eiamsa-ard S, Seemawute P, Wongcharee K, 2010. Influences of Peripherally-Cut Twisted Tape İnsert on Heat Transfer and Thermal Performance Characteristics in Laminar and Turbulent Tube Flows. Experimental Thermal and Fluid Science, 34: 711–719.
8. Gao B, Bi Q, Nie Z, Wu J, 2015. Experimental Study of Effects of Baffle Helix Angle on Shell-Side Performance of Shell-and-Tube Heat Exchangers with Discontinuous Helical Baffles. Exp. Therm. Fluid Sci., 48–57.

9. Genceli OF, 1999. Isı Değiştiricileri. Birsen Yayın Evi, İstanbul, 424 s.
10. Karagöz Ş, Abdi H, Ömeroğlu G, 2017. Yatay Borulardaki Isı Transferine Türbülatörlerin Etkilerinin Deneysel Olarak İncelenmesi. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 17(2): 810-817.
11. Kavak E, Biçer Y, Yıldız C, 2000. İç İçe Borulu Isı Değiştirgeçlerinde Dönel Akış Üreticisi Pervanelerin Isı Transferi ve Basınç Düşüşüne Etkisinin İncelenmesi. Fırat üniversitesi Mühendislik Fakültesi Yanma ve Hava Kirliliği Kontrolü V.Ulusal Sempozyumu, Elazığ.
12. Kılıç B, 2017. Farklı Plaka Yüzey Açısına Sahip Plakalı Isı Değiştiricilerin Ekserji Analizi. Karaelmas Fen ve Mühendislik Dergisi, 7(1): 283-290.
13. Kılıç B, İpek O, 2019. Plakalı Isı Değiştiricilerinde Isı Geçişi ve Etkinliğin Deneysel Olarak İncelenmesi ve Yapay Sinir Ağlarının (YSA) Uygulanması. Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 7(1): 399-412.
14. Kırtepe E, Özbalta N, 2018. Kanatlı-Borulu Isı Değiştiricilerde Belirsizlik Analizi. Dümf Mühendislik Dergisi, 9 (1): 161 - 175.
15. Koca T, 2007. Dönel Helisel İç Borularda Isı Transferi ve Basınç Düşümü Analizi, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi.
16. Kongkaitpaiboon V, Nanan K, Eiamsa-Ard S, 2010. Experimental İnvestigation of Convective Heat Transfer and Pressure Loss in A Round Tube Fitted with Circular-Ring Turbulators. International Communications in Heat and Mass Transfer, 37: 568–574.
17. Mangrulkar CK, Dhoble A.S, Chamoli S, Gupta A, Gawande VB, 2019. Recent Advancement in Heat Transfer and Fluid Flow Characteristics in Cross Flow Heat Exchangers. Renew Sustain Energy Reviewer, 113:1-31.
18. Mirzaei M, Hajabdollahi H, Fadakar H, 2017. Multi-Objective Optimization of Shell-and-Tube Heat Exchanger by Constructal Theory. Appl. Therm. Eng., 125: 9–19.
19. Omidi M, Farhadi M, Jafari M, 2017. A Comprehensive Review on Double Pipe Heat Exchangers. Appl.Therm.Eng., 110: 1075–1090.
20. Pourahmad S, Pesteei SM, 2016. Effectiveness-Ntu Analyses in A Double Tube Heat Exchanger Equipped with Wavy Strip Considering Various Angles. Energy Conversion and Management, 123: 462-469.
21. Zhang J, Zhu X, Mondejar ME, Haglind F, 2019. A Review of Heat Transfer Enhancement Techniques in Plate Heat Exchangers. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 101: 305-328.