Experimental investigation of heat transfer performance of fin-and-tube heat exchangers for dry and wet conditions

Abstract

Bu çalışmada kanatlı borulu ısı değiştiriciler üzerinde deneysel bir çalışma yapılmıştır. Kanatlı borulu ısı değiştiricileri iklimlendirme sektöründe ortam şartlandırılması için kullanılan bir ısı değiştirici tipidir. En sık kullanıldığı yerler ofis, toplum merkezleri (alışveriş merkezleri, hastane vb.) , konut gibi yerlerdir. Bu yerlerin ortak özelliği insanların aktif halde bu yerlerde bulunmasıdır. İnsanların bulunduğu yerlerde daha rahat çalışması, bulunması veya yaşaması için termal konfor gereklidir. Termal konfor tanımı genel olarak ofislerde çalışanların ideal sıcaklık, nem ve hava akımının olduğu iklim koşullarında çalışmasını ifade eder. Farklı yerlerde bu tanımdaki sıcaklık, nem ve hava akımı değerlerinin sınırları değişse de tanımın kendisi değişmez. Klima santralleri insanların bulunduğu yerlerdeki termal konfor için kurulmuş sistemlerdir. Kanatlı borulu ısı değiştiricileri bu sistemin en önemli kısımlarından biridir. Kanatlı borulu ısı değiştiricileri temel olarak lamel ve borudan oluşmaktadır. Isı transfer yüzeyinin arttırmak amacıyla birçok kanadın arka arkaya belirli bir aralıklarla konulması ve düzenli olarak dizilmiş boru demetinin boru kanatların içerisinden sıkı geçmesiyle oluşturulmuş yapılardır. Kanatlı borulu ısı değiştiricilerindeki ısı transferi performansını etkileyen birçok parametre mevcuttur. Geometrik olarak bakıldığında boru dizilimi, kanat geometrisi ve kalınlığı, boru çapı, boru malzemesi en önemli etken parametrelerindendir. Isı değiştiricisinin hava tarafı giriş şartları da ısı transferi performansını etkileyen parametreler arasındandır. Literatürde kanatlı borulu ısı değiştiricilerinde boru içi akışının ısı transferine etkisini ve hava tarafındaki koşulların ısı transferine performansını inceleyen birçok çalışma bulunmaktadır. Yapılan çalışmalar neticesinde, literatürde boru içerisindeki akışın ısı transferine etkisi hava tarafının ısı transfer performansına etkisine kıyasla daha çok kabul edilmiş bilgiler mevcuttur. Hava tarafı ile ilgili çalışmalar hala devam edilmektedir. Kanatlı borulu ısı değiştiricilerinde hava şartlandırılmak için ısıtılır veya soğutulur. Nemli havanın ısıtıldığı yani yüzeylerde yoğuşma olmayan kuru şartlardaki çalışmalar literatürde mevcuttur. Nemli havanın soğutulduğu durumlar ile ilgili de literatürde çalışmalar mevcuttur. Bu durumda kanat yüzey sıcaklığı, havanın sıcaklığı ve nemi göz önüne alındığında o şartlardaki çiğ noktasından daha küçük olduğu durumlarda yoğuşma meydana gelmektedir. Bu tez kapsamında, kanatlı borulu ısı değiştiricisinin kuru ve ıslak şartlarda deneyleri yapılmıştır. Kuru şart ve ıslak şartlardaki yapılan deneylerde hava sıcaklığı aynıdır. Deneyler aynı sıra sayısı, aynı kanat aralığı ve aynı geometrik boru dizilimi olmak üzere tek bir ısı değiştiricisi üzerinden yapılmıştır. Hava tarafı giriş bağıl nemi ve hava hızı değişken parametre olarak kabul edilmiştir. Sırası ile %90,%80 ve %70 giriş bağıl neminde deneyler yapılmıştır. Birinci bölümde tezin amacından ve literatür çalışmalarından bahsedilmiştir. Bu çalışmada, 4 sıralı ve 31.75 x 28 mm tüp düzenine sahip bir kanatlı ve borulu ısı eşanjörü farklı bağıl nemlerde test edilmiştir. Deneysel çalışmalar yoğuşmasız kuru koşullar ve yoğuşmalı ıslak koşullar için gerçekleştirilmiştir. Tezin amacı, kuru ve ıslak şartlarda yapılan ısı değiştiricisi deneylerinden elde edilen Colburn-j faktörünü literatürde kullanılan korelasyonlarla karşılaştırılmasıdır. Aynı zamanda kanatlı borulu ısı değiştiricileri ile ilgili bilgiler verilmiştir. Bölüm 2'de ise kanatlı borulu ısı değiştiricilerinin ısı transferi için teorik hesaplaması ile ilgili bilgiler verilmiştir. Elektrik benzeşim metotlarının özeti olarak toplam ısı geçiş katsayısının hem ıslak hem de kuru şartlarda teorik hesaplanması detaylı olarak anlatılmıştır. Kanat verimi ve yüzey verimi kavramlarının yanı sıra hava tarafı ve akışkan tarafı ısı taşınım katsayısının bulunması için literatürde kullanılan örnek korelasyonlar paylaşılmıştır. Bölüm 3'de tez çalışmasındaki deneysel çalışma anlatılmıştır. Deneysel çalışmanın gerçekleştiği laboratuvar, deney koşulları ile ilgili bilgiler aktarılmıştır. Deneyler sırasında kullanılan kanatlı borulu ısı değiştiricisinin yapısal özellikleri ile ilgili bilgiler verilmiştir. Kuru şartlarda ve ıslak şartlarda deneylerin yapılma sürecini ve deney sonuçları detaylı olarak Bölüm'3 içerisinde paylaşılmıştır. Bölüm'4 de ise, Bölüm 3 kısmında deneysel verilerden alınan bilgiler kullanılarak deneysel çalışmadaki boyutlu bir parametre olan ısı taşınım katsayısı değeri elde edilmiştir. Elde edilen ısı taşınım katsayısı verisi hem kuru şart hem de ıslak şart içinde kullanılarak boyutsuz bir parametre olan Colburn-J faktörü bulunmuştur. Bölüm 5 içerisinde ise yapılan çalışmanın bir özeti ve sonuçların değerlendirilmesi yapılmıştır. Kuru şartlardaki testler literatürdekiler ile karşılaştırılırken ıslak şartlardaki testler kendi içinde değerlendirilmiştir. Sonuç kısmında ise kuru ve ıslak şartlardaki deney sonuçları kendi içerisinde yorumlanmıştır. Kuru koşullarda, hava hızı arttıkça, ısıl kapasite ve hava tarafı basınç kaybı değeri artmaktadır. Hava hızı iki katına çıktığında hava tarafı basınç kaybı değeri 2.85 kat artmaktadır. Kuru koşullarda, Reynolds sayısı arttıkça kanatçık verimi düşmektedir. Reynolds sayısı iki katına çıktığında kanatçık verimi %6.2 oranında azalmaktadır. Reynolds sayısı arttığında Colburn j-faktörü azalmaktadır. Isı transfer katsayısı Colburn j-faktörünün tamamen tersi bir davranış gösterir. Reynolds sayısı arttıkça ısı transfer katsayısı da artar. Reynolds sayısı iki katına çıktığında Colburn j-faktörü %30.5 oranında azalırken ısı transfer katsayısı değeri %35.5 oranında artmaktadır. Deneysel sonuçlardan elde edilen ısı transfer katsayısı ve Colburn j faktörü değerleri literatürde VDI Heat Atlas (2010) korelasyonuna benzemektedir. Düşük Reynolds sayılarında %10'luk bir fark varken, Reynolds sayısı arttıkça bu fark %1'e düşmüştür. Rich (1973) korelasyonunda ise düşük Reynolds sayılarında sonuçlar oldukça benzer iken Reynolds sayısı arttıkça sonuçların ayrıştığı gözlemlenmiştir. Islak koşullarda aynı Reynolds sayısı ve farklı bağıl nemlerde sonuçlar %3 ile %10 arasında değişmektedir. Kuru ve ıslak koşulların hava tarafı basınç kaybı değerleri aynı Reynolds sayısında karşılaştırıldığında, minimum %56 ve maksimum %80 fark ile ortalama %71 fark vardır. Isı transfer katsayısı ve Colburn j-faktörü değerleri birbiriyle uyumludur. Islak ve kuru şartlarda ısı transfer katsayısı değeri düşük bağıl nemde yaklaşık 2.5 kat daha fazla iken, %90 bağıl nemde bu oran 3.1 kata kadar çıkmaktadır.