Plakalı ısı değiştirgeçlerinin had simülasyonlarının yapılması ve deneysel verilerle doğrulanması

Abstract

The design of plate heat exchangers (HEX) which have been used since 1930's in food industry, was developed in 1960's with the help of new geometries and the developments related to new materials; and the utilization of plate heat exchangers increased. Today, they are used in several applications such as electronic circuits, HVAC applications, and chemical industries on account of their compactness, high efficiency, flexible design and easy maintenance. The heat transfer calculations of plate heat exchangers compose a wide area of research because of its complex geometry and many design parameters. Hence, it is necessary to develop correlations for heat transfer and pressure drop analysis. For different plate types, experiments for hydraulic and thermal performance analysis have to be performed in order to develop plate-dependent correlations for Nusselt number and friction factor, which are used in hydraulic and thermal calculations. These experiments, however, are quite expensive and limited. For this reason, Computational Fluid Dynamics (CFD) can be a powerful tool for performance analysis of plate heat exchangers. It can provide almost realistic visualization of flow zone by zone and by allowing immense fluid library it can also provide wide range of study possibilities so as to predict parameters such as temperature, pressure and velocity in heat exchanger whereas experiments cannot. The main goal of this study is to perform CFD analysis to determine thermal performance of real-sized entire plate heat exchangers and validate the results with previously obtained experimental data and determine the effects of distributing channels and corrugated structure on thermal – hydraulic performance of plate heat exchanger. Temperature, pressure and velocity distribution on each plate, and friction factor and Nusselt number are obtained from the CFD simulations and are compared with the experimental results. These results indicate that thermal hydraulic analysis of a commercial HEX by CFD is in line with the obtained experimental data.

Gıda endüstrisinde 1930'lu yıllardan bu yana kullanılan plakalı ısı değiştirgeçlerinin tasarım yöntemleri, yeni geometriler ve kullanılan malzemelerdeki gelişmeler yardımıyla 1960'larda geliştirilmiş, plakalı ısı değiştirgeçlerinin kullanımı gün geçtikçe artmıştır. Bugün, plakalı ısı değiştirgeçler elektronik devreler, iklimlendirme ve soğutma sistemleri ve kimya endüstrisi gibi çeşitli uygulama alanlarında kompakt, yüksek verimli, esnek tasarıma sahip olmaları ve bakımlarının kolay olmasından dolayı yaygın olarak kullanılırlar. Plakalı ısı değiştirgeçleri için ısı transfer yöntemlerinin belirlenmesi, ısı değiştirgeci ile ilgili çeşitli tasarım parametrelerine bağlı olması ve karmaşık geometriye sahip olmasından ötürü geniş bir araştırma alanıdır. Bundan dolayı, ısı değiştirgecinin ısıl ve hidrolik karakteristiğini tespit etmek için korelasyonlara ihtiyaç duyulmaktadır. Çeşitli plaka tipleri için, plakaya özgü Nusselt sayısı ve sürtünme katsayısını belirlemek için deneyler yapılmaktadır. Ancak bu deneyler oldukça pahalı ve sınırlıdır. Bu sebeple, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) plakalı ısı değiştirgecinin performansının belirlenmesinde güçlü bir araç olabilmektedir. HAD, deneyler ile elde edilemeyecek akışın sıcaklık, basınç ve hız konturları gibi geniş bir yelpazedeki parametreleri için gerçekçi bir görselleştirme sağlayabilmektedir. Bu çalışmanın temel amacı, gerçek boyutlarda bütün bir plakalı ısı değiştirgecinin ısıl ve hidrolik performansını belirlemek için HAD analizlerini gerçekleştirmek ve daha önce elde edilen deneysel veriler ile sonuçları kıyaslamak ve doğrulamak ve dağıtım kanalları ile kıvrımlı yapıların plakalı ısı değiştirgeci termal ve hidrolik performansı üzerine etkilerini incelemektir. HAD simülasyonlarından plaka üzerindeki sıcaklık, basınç ve hız dağılımları görselleştirilmiş ve sürtünme katsayısı ile Nusselt sayısı için sayısal sonuçlar elde edilmiştir. HAD analizlerinden elde edilen sonuçlar plakalı ısı değiştirgeci için deneysel elde edilen ısıl ve hidrolik performans verileri ile karşılaştırılmıştır. Sonuçlar deneysel veriler ile iyi bir uyum içindedir.