Nanoakışkanlı levhalı ısı değiştirici kanallarında ısı geçişinin deneysel ve sayısal incelenmesi

Abstract

Bu çalışma, nanoakışkanlı contalı levhalı ısı değiştirici kanallarında taşınımla ısı geçişi ve basınç düşüşünü deneysel ve sayısal olarak incelemek amacıyla yapılmıştır. Deneysel ve sayısal çalışmalarda, balıksırtı şeklinde geometriye sahip dalgalı yüzeyli ısı değiştirici levhaları ve Al2O3/su (40 nm) nanoakışkanı kullanılmıştır. Deneyler süresince ısıyı veren sıcak akışkanın kütlesel debisi 90 kg/h, ısı değiştiricisine giriş sıcaklığı 40 oC'de sabit tutulmuştur. Isıyı alan soğuk akışkanın (nanoakışkan) ise kütlesel debisi 90, 120, 150, 180, 240 ve 300 kg/h debi aralığında değiştirilmiş ve ısı değiştiricisine giriş sıcaklığı 17,5 oC'de sabit tutulmuştur. Levhalı ısı değiştirici kanalları için oluşturulan iki boyutlu (2B) ve üç boyutlu (3B) modellerin, ANSYS-Fluent yazılım (paket) programı ile sayısal çözümlemeleri de yapılmıştır. Sayısal çözümlemelerde tek fazlı (single phase) ve çift fazlı (mixture, Euler) yaklaşımları kullanılmıştır. Sayısal çözüm ile elde edilen ısı taşınım katsayısı ve sürtünme faktörü değerleri, deneysel sonuçlarla karşılaştırılarak sayısal sonuçlar doğrulanmıştır. Deneyler ve sayısal çözümlemeler, hacimsel oranları % 0,25, % 0,5, % 0,75 ve % 1 olan nanoakışkanları için yapılmış ve Reynolds sayısı 500-2000 aralığında seçilmiştir. Nanoakışkanın hacimsel oranı ve kütlesel debisiyle ısı taşınım katsayısının arttığı ancak sürtünme faktörünün azaldığı deneysel olarak belirlenmiştir. Isı geçişinde suya göre iyileşme en küçük hacimsel oran için ortalama % 7,72 en yüksek hacimsel oran için ise ortalama % 42,4 belirlenmiştir. Nanoakışkanlı ısı geçişi için literatürdeki sonuçlar dikkate alındığında, çalışmalarımız sırasında elde edilen deneysel ve sayısal sonuçların uygun olduğu görülmektedir.

The aim of this study is to investigate convection heat transfer and pressure drop experimentally and numerically by using nanofluids in the gasket plate heat exchanger channels. In the experimental and numerical studies, chevron type corrugated plates in the plate heat exchanger and Al2O3/water (40 nm) as nanofluids have been used. During the experiments, the mass flow rate of the hot fluid which loss heat was kept constant at 90 kg/h while the heat exchanger inlet temperature was kept constant at 40 °C. In additional to the mass flow rate of the cooling fluid (nanofluids) that the inlet temperature was kept constant at 17.5 °C has been changed as 90, 120, 150, 180, 240 and 300 kg/h. Numerical analysis of the two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) models set up for plate heat exchanger channels has also been carried out using ANSYS-Fluent software (package) programme. Single phase and two phase (mixture, Eulerian) approaches have been used in the numerical analyzes. In order to verifiy the numerical result of convection heat transfer coefficient and friction factor values obtained with the numerical analyzes were compared with the results of the experiments. Experiments and numerical analyzes were carried out in the nanofluids volume fraction of 0.25 %, 0.5 %, 0.75 % and 1 % and in the range of 500-2000 Reynolds number. In the experiments, it has been observed that increases with the volume fraction and mass flow rate of the nanofluids the convection heat transfer coefficient increases while the friction factor decreases. The enhancement heat transfer has been determined to be about 7.72 % for the minimum volume fraction while it is about 42.4 % for the maximum volume fraction compared to water. Upon taking the results of the heat transfer using nanofluids in the literature into consideration, experiments and numerical results obtained have been found out to be coherent.