Yerel Havalandırma Sistemleri İçin Isıl Etkenliği Yüksek Çapraz Akışlı Levhalı Isı Değiştirici Tasarımı

Design of Cross Flow Plate Heat Exchanger With High Thermal Effectiveness for Local Ventilation Systems

Özet

Bu çalışmada, küçük kapasitelerdeki havalandırma ihtiyaçlarını karşılayacak bir ısıgeri kazanım cihazında kullanılan levhalı ısı değiştiricinin, düşük maliyetli ve geri dönüştürülebilir malzemeler kullanılarak tasarımı amaçlanmıştır. Levhalı ısı değiştiricinin (LID) tasarımında, Taguchi yöntemi ve Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD)kullanılmıştır. Isı değiştiricinin boyutları, üç-dört kişinin yaşadığı küçük bir konut içingerekli taze hava debisi (50-200 m3/h) dikkate alınarak belirlenmiştir. Isı değiştirici tasarımı için yapılan üç seviyeli Taguchi analizinde seçilen değişkenler; kanal yüksekliği,bölünmüş alt kanal sayısı, ortalama hava akış hızı ve levha malzemesidir. Isı değiştiricinin 3-boyutlu HAD modeli, sıcak ve soğuk hava akımlarının kanala giriş-çıkış etkilerini değerlendirecek şekilde oluşturulmuştur. Taguchi analizinde hedeflenen performansparametresi olarak, temiz tarafta geri kazanılan ısıl gücün, aktarabilecek maksimum ısılgüce oranı şeklinde tanımlanan, ısıl etkenlik seçilmiştir. Taguchi yönteminden tahminedilen ısıl etkenlik ile en uygun tasarım parametreleri kullanılarak oluşturulan HAD modeli çözümünden hesaplanan ısıl etkenlik arasındaki fark, %2,42 olarak elde edilmiştir.LID’nin elde edilen en uygun tasarımı ile konutun temiz hava ihtiyacı için yeterli debi(~105 m3/h) sağlanmaktadır. Bu LID tasarımında ısı değiştirici kanallarındaki ortalamahava akış hızı 2 m/s, ısı değiştiricideki toplam basınç düşümü ~30 Pa ve geri kazanılanısıl güç de ~330 W (~7.9 kW-h/gün) olarak elde edilmiştir.

Abstract

This study employed the Taguchi method and Computational Fluid Dynamics (CFD) to design a plate heat exchanger (PHE) for heat recovery devices using low-cost and recyclable materials to meet ventilation requirements at small capacities. The fresh air-flow rate (50-200 m3 /h) required for a small residential building inhabited by three to four people was taken into account to determine the dimensions of the PHE. The variables for the three-level Taguchi analysis were channel height, number of divided sub-channels, average air velocity, and plate material. A three-dimensional CFD model was designed to evaluate the channel inlet-outlet effects of hot and cold (stale and fresh) air streams. Thermal effectiveness is a performance parameter in Taguchi analysis defined as the ratio of recovered thermal power on the fresh side to the maximum thermal power that can be transferred. Thermal effectiveness was also calculated from the CFD model solution using optimum design parameters. The difference between the estimated (Taguchi) and numerical (CFD) thermal effectiveness was 2,42%. A sufficient flow rate was supplied for the fresh air requirement (~105 m3/h) of the dwelling with the optimum design of the PHE. The average air velocity on the PHE channels, the total pressure drop through the PHE, and the recovered thermal power on the fresh side were 2 m/s, ~30 Pa, and ~330 W (~7.9 kW-h/day), respectively, for the optimum PHE design.