Eş-Eksenli Yivli Isı Değiştirici Üzerinde Öncül ve Geri Etkilerin Tepki Yüzeyi Yöntemi ve Stokastik Optimizasyon Algoritmaları İle Analizi

Analysis of Backward and Forward Effects on Grooved Co-Axial Heat Exchanger by Response Surface Methodology and Stochastic Optimization Algorithms

Özet

Boru içi akış problemi hakkında araştırmalar yapan literatür çalışmaları, yivli boru geometrilerinin yivsiz borulara göre daha yüksek ısıl verime sahip olduğu sonucunu ortaya koymuştur. Dikdörtgen, trapez ve dairesel gibi birçok farklı şekil ve boyutlar ile yapılan deneysel ve numerik çalışmalar neticesinde dairesel yiv geometrilerine sahip borularda ısı transfer katsayısının daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Boru içi akış problemini ele alan çalışmalar sabit kesitli yiv geometrileri ile ilgilenmiş ve yerel etkiler göz ardı edilip toplam ısı transferi incelenmiştir. Bu çalışmada, dairesel yivli ısı değiştirici modelinde yiv yarıçapı ve yivler arası mesafedeki değişimlerin yerel ısı transfer katsayısına etkisi hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yöntemi ile incelenmiş ve ısı transferi açısından optimizasyon çalışmaları yürütülmüştür. Hesaplama hacmi, her biri beş adet yivden meydana gelen üç yiv bölgesi oluşturularak, akış yönünde değişken yiv yarıçaplarının ısı transferi katsayısına etkisi araştırılmıştır. Hesaplama hacminin ağ yapısı, ağdan bağımsızlık çalışmaları yapılarak en uygun ağın belirlenmesi neticesinde oluşturulmuştur. Yivli duvar sıcaklıkları 350 K olarak kabul edilmiş ve oda sıcaklığında ısı değiştiriciye giren havanın farklı Reynolds sayılarında (1200<Re<24000) ve farklı yiv boyutlarında yerel ısı transfer katsayısına etkileri incelenmiştir. Yiv yarıçapları her bir yiv bölgesi için 2 mm ile 6 mm arasında üretilebilirlik kriteri göz önünde bulundurularak 0.2 mm artış hassasiyeti ile değiştirilmiş ve HAD analizleri parametrik ölçü tanımlamaları sayesinde farklı yiv senaryoları için tekrarlanmıştır. Bu noktada senaryo sayısını azaltmak ve mühendislik probleminin fenomenini doğru tanımlayabilmek adına farklı deney tasarımı (DOE) araçları kullanılmış, sonuçlar tepki yüzeyi yöntemi ile incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. Ayrıca, Mathematica programında çok değişkenli ve lineer olmayan regresyon modelleri ile yapılan çalışmalar sonucunda optimizasyon problemlemine ait bir hedef fonksiyonu oluşturulmuş, yiv bölgelerindeki yarıçapların tasarım değişkeni, ısı transfer katsayılarının sistem çıktıları olduğu bir kod yazılmış ve üretilebilirlik kısıtlarını da içeren optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. Sonuçlar incelendiğinde, yiv bölgelerindeki yerel ısı transferi katsayılarının maksimum olduğu senaryoların ara yiv yarıçapı değerlerinde elde edildiği ve öncül-geri etkilerin yerel ısı transferi çalışmalarının kaçınılmaz bir parçası olduğu tespitleri yapılmıştır.

Abstract

In the literature, it is proved that grooved pipe models are thermally more efficient than the smooth pipe model. Some kinds of groove geometries (rectangular, trapezoidal, circular etc.) were compared both experimentally and numerically, eventually circular grooved pipe model gave the best results by means of heat transfer co efficient. Studies dealing with the internal flow were concerned with constant-section groove geometries and total heat transfer was investigated whereas local effects were ignored. In this study, the effects of variations in groove radius and the gap between adjacent grooves on local heat transfer coefficients were investigated by computational fluid dynamics (CFD) method and optimization studies were also performed in terms of heat transfer. The grooved section consists of three sub-sections to see the effects of groove dimension in stream wise flow direction. Each section includes five grooves with constant radius in each one. We vary the radius of circular grooves parametrically in each section to optimize the local groove radius throughout the pipe. We couple the fluid flow (1200<Re<24000) with energy equations, and the grooved sections are set as heated wall at constant temperature of 350 K. The optimal mesh has been selected by performing mesh independence study and finer mesh has been used in heated wall section. The radii of grooves are varied from 2 to 6 mm with an increment of 0.2 mm considering the manufacturability of the pipe, to do so we use the design of experiments (DOE). All DOE tools in ANSYS software are examined and compared with full factorial results. After DOE process, local heat transfer coefficient values of all groove parts are examined by response surface method ology (RSM). In addition, in the Mathematica program, an objective function which describes the problem is formed by studies with multiple nonlinear regression models. An optimization code has been performed as the radii of the grooved sections are design variable, the local heat transfer coefficients are the system outputs and the manufacturability limits are constraints. We observed and detected that the scenarios in which the local heat transfer coefficients in the grooved sections are maximum has been obtained at the intermediate groove radii values, therefore, backward-forward effects are an inevitable part of the local heat transfer studies.