Koruge yüzeyli düz esnek metal hortumlarda basınç düşümü ve ısı transferinin araştırılması

Abstract

Enerji kaynaklarının hızla tüketiliyor olması birçok sektörü bu hususta önlemler almaya ve iyileştirmeler yapmaya teşvik etmiştir. Isı değiştiricilerinin tasarımının iyileştirilmesi de enerji verimliliğine katkı sağlayacak önemli hususlardan biridir. Isı değiştiricilerinde ısı transferini artırmak amacıyla çeşitli tiplerde borular kullanılmaktadır. Mevcut olan çalışmalarda mikro kanatlı borular, paralel boğumlu borular, spiral boğumlu hortumlar gibi ısı transferini artırmak üzere çeşitli borular kullanılmaktadır. Boyler kazanlarının ısı değiştiricilerinde esnek metal hortumlar kullanılmakta olup ısıl performansının artırılması amaçlanmaktadır. Esnek metal hortumlar paralel boğumlu ve spiral boğumlu olarak imal edilmektedir. Bu hortumların boyler kazanlarındaki ısı değiştiricilerinin performanslarını artırmak için parametrik bir çalışma yapılması gerekmektedir. Bu çalışmanın konusunu oluşturan çok ağızlı spiral boğumlu esnek metal hortumun geometri parametreleri olan boğum hatvesi, boğum derinliği ve hidrolik çap ve spiral boğumların başlangıç sayıları değiştirilerek nümerik analizler yapılarak bu parametrelerin ısı transferine etkisi araştırılmıştır. Metal hortum özellikleri olarak; 1 m boyunda pürüzsüz yüzeyli düz boru, paralel boğumlu, bir, iki ve üç başlangıç sayılı spiral boğumlu düz hortumların 5.4-19.5 mm hatve aralığında, 24.2 mm, 25 mm ve 26,2 mm hidrolik çaplarda ve 2.1-3.525 mm boğum derinliği değerleri aralığında ele alınarak sayısal analizler gerçekleştirilmiştir. Analizlerden elde edilen basınç düşümü, f sürtünme faktörü ve Nusselt sayıları hesaplanmıştır ve sonuçlar düz boru sonuçlarıyla kıyaslanarak irdelenmiştir. Yapılan nümerik analizlerde girişe akışın hidrodinamik olarak tam gelişmiş olması için, hidrolik çapın yaklaşık 10 katı uzunluğa sahip 300 mm pürüzsüz düz boru ve yine çıkışa 300 mm pürüzsüz düz boru yerleştirilmiştir. Metal hortum içinden geçen akış tek fazlı olup akışkan sudur, akışkan özellikleri ele alınırken ortalama 25 °C sıcaklık kabul edilmiştir. Sınır şartları olarak giriş ve çıkıştaki pürüzsüz düz borular adyabatik kabul edilip, ısı transferi ve basınç düşümlerinin araştırıldığı 1 m uzunluğunda olan pürüzsüz düz boru, paralel ve spiral boğumlu düz hortumların sabit 70 °C yüzey sıcaklığında olduğu varsayılmıştır. Çıkış basıncı atmosferik olup, giriş hızları türbülanslı akış şartlarını sağlayan 10000, 20000, 30000, 40000, 50000 Reynolds sayıları için hesaplanmıştır. Girişteki akışkan sıcaklığı 15 °C 'dir. Nümerik çalışmalar, sonlu hacimler yöntemini kullanarak sayısal çözümlemeler yapan ve birçok mühendislik uygulamasında tercih edilen ANSYS Fluent yazılım programının 2022 R1 versiyonu ile yapılmıştır. Nümerik çalışmaların doğruluğunu göstermek adına bir deney düzeneği kurulmuştur. Pürüzsüz düz boru, paralel boğumlu hortum ve 1 başlangıçlı spiral hortum için kurulan düzenekte, amaçlanan Reynolds değerlerine karşılık gelen hızlar için debiler belirlenmiş ve bu değerler debimetrede ayarlanmıştır. Ayrıca bir smart fark basınç ölçer aracılığıyla incelenen hortumların giriş ve çıkışındaki basınç farkı ±% 0,075 𝐹𝑆 hassasiyetle ölçülmüştür. Veriler anlık olarak veri toplayıcı cihaz kullanılarak bilgisayar ortamına aktarılmıştır. Simülasyon sonuçlarıyla deneysel sonuçlar karşılaştırılmış ve sonuçların uyumlu olduğu görülmüştür.