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

Ünverdi, Murat; Küçük, Hasan

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

Murat ÜNVERDİ, (Aydın Adnan Menderes Üniversitesi, Aydın Meslek Yüksekokulu, Makine ve Metal Teknolojileri, Aydın)

Hasan KÜÇÜK (Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği, Sakarya)

Tesisat Mühendisliği

16 6

Yıl: 2021 Cilt: 2021 Sayı: 182 Sayfa Aralığı: 22 - 34 Metin Dili: Türkçe İndeks Tarihi: 13-09-2021

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

Öz:

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.

Anahtar Kelime:

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

Öz:

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.

Anahtar Kelime:

Belge Türü: Makale Makale Türü: Araştırma Makalesi Erişim Türü: Erişime Açık

[1] Cuce, M., P., Riffat, S., “A Comprehensive Review of Heat Recovery Systems for Building Applications”, Renewable and Sustainable Energy Reviews (47) 665–682, 2015.
[2] Werner, S., “International Review of District Heating and Cooling”, Energy (137) 617-631, 2017.
[3] Picon-Nunez, M., Polley, G., Torres-Reyes, E., Gallegos-Munoz, A., “Surface Selection and Design of Plate–Fin Heat Exchangers”, Applied. Thermal. Engineering (19) 917–931, 1999.
[4] Ren, C., Deng, Y., Cao, S.J., “Evaluation of Polyethylene and Steel Heat Exchangers of ground Source Heat Pump Systems Based on seasonal Performance Comparison and Life Cycle Assessment”, Energy and Building (162) 54-64, 2018.
[5] M.K. Kim, M.K., Liu, J., Cao, S.J., “Energy Analysis of a Hybrid Radiant Cooling System Under Hot and Humid Climates: A Case Study at Shanghai in China”, Building and Environment (137) 208–214, 2018.
[6] Wadekar, V.,V., “Heat Exchangers in Process Industry and Mini and Microscale Heat Transfer, Proceedings of Fifth International Conference on Enhanced, Compact and Ultra-Compact Heat Exchangers: Science, Engineering and Technology”, Eds. Shah, R.K., Ishizuka, M., Rudy, T.M., Wadekar, V.V., Engineering Conferences International, Hoboken, NJ, USA, September, 2005.
[7] Zhang Xiaosong, L.S., Kaitao, Z., Jiming, C., “Research on Energy Recovery From Exhaust Air Using Plate-Fin Heat Exchanger in Air Conditioning System”, Ventilation Dust Removal 4–7, 1998.
[8] Junghans, L., Widerin, P., “Thermal Comfort and Indoor Air Quality of the “Concept 22/26”, A New High Performance Building Standard”, Energy and Buildings (149) 114–122, 2017.
[9] Wang, Y., Kuckelkorn, J., Zhao, F.y., Spliethoff, H., Lang, W., “A State of Art of Review on Interactions Between Energy Performance and Indoor Environment Quality in Passive House Buildings”, Renewable and Sustainable Energy Reviews 72, 1303–1319, 2017.
[10] Wang, Y., Kuckelkorn, J., Liu, Y., “A State of Art Review on Methodologies for Control Strategies in Low Energy Buildings in the Period From 2006 to 2016”, Energy and Buildings 147, 27–40, 2017.
[11] Küçük, H., Ünverdi̇, M., Macar, ., “Havadan- Havaya Isı Geri Kazanım Cihazının Taguchi Yöntemi ve HAD analizleri ile Tasarımı”, ULIBTK’17 21. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi, 429-437, 2017.
[12] Testo Whitepaper, “CO2 Izleme ve Iç Hava Kalitesi”.
[13] Kim, M. K., Baldini, L., “Energy Analysis of a Decentralized Ventilation System Compared With Centralized Ventilation Systems in European Climates: Based on Review of Analyses”, Energy and Buildings (111) 424–433, 2016.
[14] Zeng, C., Liu, S., Shukla, A., “A Review on the Air-To-Air Heat and Mass Exchanger Technologies for Building Applications”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 75, 753–774, 2017.
[15] Mardiana-Idayua, A., Riffat S.B., “Review on Physical and Performance Parameters of Heat Recovery Systems for Building Applications, Renewable and Sustainable Energy Reviews (28) 174–190, 2013.
[16] T’joena, C., Park, Y., Wang, Q., Sommers, A., Han, X., Jacobi, A., “A Review on Polymer Heat Exchangers for HVAC&R Applications”, International Journal of Refrigeration (32) 763–779, 2009.
[17] Cevallos, J.G., Bergles, A.E., Bar-Cohen, A., Rodgers, P., Gupta, S.K., “Polymer Heat Exchangers History, Opportunities, and Challenges”, Heat Transfer Engineering 33 (13), 1075–1093, 2012.
[18] Lu, Y., Wang, Y., Zhu, L., Wang, Q., “Enhanced Performance of Heat Recovery Ventilator by Airflow-Induced Film Vibration (HRV Performance Enhanced by FIV)”, International Journal of Thermal Sciences (49), 2037-2041, 2010.
[19] Fernández-Seara, J., DIZ, R., Uhía, F.J., Dopazo, A., Ferro, J.M., “Experimental Analysis of an Air-To-Air Heat Recovery Unit for Balanced Ventilation Systems in Residential Buildings Energy Conversion and Management (52), 635–640, 2011.
[20] Mardiana-Idayu, A., Riffat, S.B., “An Experimental Study on the Performance of Enthalpy Recovery System for Building Applications”, Energy and Building (43), 2533–8, 2011.
[21] AL-Waked, R., Nasif, M.S., Morrison, G., BEHNIA, M., “CFD Simulation of Air To Air Enthalpy Heat Exchanger: Variable Membrane Moisture Resistance”, Applied Thermal Engineering (84), 301-309, 2015.
[22] Al-Wakeda, R., Nasif, M.S., Mostafa, D.B., “Enhancing the Performance of Energy Recovery Ventilators”, Energy Conversion and Management (171), 196–210, 2018.
[23] Šibalija, T. V., Majstorović, V.D., “Advanced Multiresponse Process Optimization: An Intelligent and Integrated Approach”, Springer, 2016.
[24] Mori, T., Tsai, S.C., “Taguchi Methods Benefits, Impacts, Mathematics, Statistics, and Applications”, ASME, 2011.
[25] Mitra, A., “Fundamentals of Quality Control and Improvement”, Wiley, 2016.
[26] h t t p s : // w w w. l i b r a r y t o p . c o m /d e n e y / y 8 9 4 r 0 wd12 _ d e n e y _ t a s a r i m i _ve _ t a - guchi%CC%87_metodu, Erişim tarihi: 12/12/2018.
[27] Raweni, A., Majstorović, V., Sedmak, A., Tadić, S., Kirin, S., “Optimization of AA5083 Friction Stir Welding Parameters Using Taguchi Method”, Tehnički vjesnik, 3(25), 861-866, 2018.
[28] ANSYS/Fluent Theory Guide, version 15, Ansys Inc., 2013.
[29] Wen, J., Li, Y., Zhou, A., Zhang, K., “An Experimental and Numerical Investigation of Flow Patterns in the Entrance of Plate-Fin Heat Exchanger”, International Journal of Heat and Mass Transfer, (49), 667–1678, 2006.
[30] Ismail, L.S., Ranganayakulu, C., Shah R.K., “Numerical Study of Flow Patterns of Compact Plate-Fin Heat Exchangers and Generation of Design Data for Offset and Wavy Fins”, International Journal of Heat and Mass Transfer, 52, 3972–3983, 2009.
[31] Çengel, Y., “Introduction to Thermodynamics and Heat Transfer”, USA, McGraw-Hill, 2007.
[32] Patankar, S.V., “Numerical Heat Transfer and Fluid Flow”, Hemisphere, Washington, DC, 1980.
[33] ANSYS/Fluent User’s Guide, version 15, Ansys Inc., 2013.
[34] Bejan, A., “Advanced Engineering Thermodynamics”, Fourth Edition, USA, Wiley, 2016.
[35] Hesselgreaves, J.E., Law, R., Reay, D.A., “Compact Heat Exchangers: Selection, Design and Operation”, 2017.
[36] Nelson, P.R., Wludyka, P.S., Copeland, K.A.F., “The Analysis of Means, Society for Industrial and Applied Mathematics”, Philadelphia, Pennsylvania, 2005.
[37] Montgomery, D.C., Runger G.C., “Applied Statistics and Probability for Engineers (Fifth Ed.)”, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, 2011.
[38] Phadke, M.S., “Quality Engineering Using Robust Design”, Prentice Hall, New Jersey, 1989.

APA	Ünverdi M, Küçük H (2021). Yerel Havalandırma Sistemleri İçin Isıl Etkenliği Yüksek Çapraz Akışlı Levhalı Isı Değiştirici Tasarımı. , 22 - 34.
Chicago	Ünverdi Murat,Küçük Hasan Yerel Havalandırma Sistemleri İçin Isıl Etkenliği Yüksek Çapraz Akışlı Levhalı Isı Değiştirici Tasarımı. (2021): 22 - 34.
MLA	Ünverdi Murat,Küçük Hasan Yerel Havalandırma Sistemleri İçin Isıl Etkenliği Yüksek Çapraz Akışlı Levhalı Isı Değiştirici Tasarımı. , 2021, ss.22 - 34.
AMA	Ünverdi M,Küçük H Yerel Havalandırma Sistemleri İçin Isıl Etkenliği Yüksek Çapraz Akışlı Levhalı Isı Değiştirici Tasarımı. . 2021; 22 - 34.
Vancouver	Ünverdi M,Küçük H Yerel Havalandırma Sistemleri İçin Isıl Etkenliği Yüksek Çapraz Akışlı Levhalı Isı Değiştirici Tasarımı. . 2021; 22 - 34.
IEEE	Ünverdi M,Küçük H "Yerel Havalandırma Sistemleri İçin Isıl Etkenliği Yüksek Çapraz Akışlı Levhalı Isı Değiştirici Tasarımı." , ss.22 - 34, 2021.
ISNAD	Ünverdi, Murat - Küçük, Hasan. "Yerel Havalandırma Sistemleri İçin Isıl Etkenliği Yüksek Çapraz Akışlı Levhalı Isı Değiştirici Tasarımı". (2021), 22-34.

APA	Ünverdi M, Küçük H (2021). Yerel Havalandırma Sistemleri İçin Isıl Etkenliği Yüksek Çapraz Akışlı Levhalı Isı Değiştirici Tasarımı. Tesisat Mühendisliği, 2021(182), 22 - 34.
Chicago	Ünverdi Murat,Küçük Hasan Yerel Havalandırma Sistemleri İçin Isıl Etkenliği Yüksek Çapraz Akışlı Levhalı Isı Değiştirici Tasarımı. Tesisat Mühendisliği 2021, no.182 (2021): 22 - 34.
MLA	Ünverdi Murat,Küçük Hasan Yerel Havalandırma Sistemleri İçin Isıl Etkenliği Yüksek Çapraz Akışlı Levhalı Isı Değiştirici Tasarımı. Tesisat Mühendisliği, vol.2021, no.182, 2021, ss.22 - 34.
AMA	Ünverdi M,Küçük H Yerel Havalandırma Sistemleri İçin Isıl Etkenliği Yüksek Çapraz Akışlı Levhalı Isı Değiştirici Tasarımı. Tesisat Mühendisliği. 2021; 2021(182): 22 - 34.
Vancouver	Ünverdi M,Küçük H Yerel Havalandırma Sistemleri İçin Isıl Etkenliği Yüksek Çapraz Akışlı Levhalı Isı Değiştirici Tasarımı. Tesisat Mühendisliği. 2021; 2021(182): 22 - 34.
IEEE	Ünverdi M,Küçük H "Yerel Havalandırma Sistemleri İçin Isıl Etkenliği Yüksek Çapraz Akışlı Levhalı Isı Değiştirici Tasarımı." Tesisat Mühendisliği, 2021, ss.22 - 34, 2021.
ISNAD	Ünverdi, Murat - Küçük, Hasan. "Yerel Havalandırma Sistemleri İçin Isıl Etkenliği Yüksek Çapraz Akışlı Levhalı Isı Değiştirici Tasarımı". Tesisat Mühendisliği 2021/182 (2021), 22-34.