Yüksek enerji ayrıştırma etkisine sahip karşıt akışlı ranque-hilsch vorteks tüpü tasarımı geliştirilmesi ve bilgisayar destekli optimizasyonu

Abstract

Vorteks tüpleri hareketli aksamı olmayan ve sadece basınçlı gaz girdisi ile çalışan bir enerji ayrıştırma cihazıdır. Vorteks tüpüne giren gaz sıcak ve soğuk olmak üzere iki farklı sıcaklık profiline ayrılmakta ve tüpten tahliye edilmektedir. Bu çalışmanın amacı, genellikle soğutma amacıyla kullanılan vorteks tüpünün soğutma performansının Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizleri kullanılarak iyileştirilmesi ve optimal tasarıma sahip bir vorteks tüpü tasarımı önerilmesidir. ANSYS Fluent 15.0 paket programı ile yürütülen 3 boyutlu analizlerde, vorteks tüpünün soğutma performansına etki eden "Giriş Sıcaklığı", "Giriş Kütlesel Debi Miktarı" ve "Tüp Yüzeyindeki Isı transfer Katsayısı" operasyonel parametreleri ile birlikte "Lüle Sayısı", "Soğuk Çıkış Çapı", "Sıcak Çıkış Çapı", "Tüp Çapı" ve "Tüp Uzunluğu" geometrik parametreleri incelenmiştir. Operasyonel parametreler incelenirken parametre seviyeleri teker teker ele alınmış ve her bir parametrenin performans üzerindeki etkisi tespit edilmiştir. Giriş sıcaklığının ve giriş kütlesel debi miktarının arttırılmasının vorteks tüpü soğutma performansını olumlu etkilediği belirlenmiş, tüp yüzeyindeki ısı transfer katsayısının arttırılmasının ise soğuk çıkış debi oranının 0,6 düzeyinden daha yüksek olduğu durumda soğutma performansını düşük bir şekilde iyileştirdiği sonucuna ulaşılmıştır. Geometrik parametreler incelenirken, Taguchi'nin L27(3)5 istatistiksel tasarımı kullanılmış, 27 adet seviye kombinasyonu oluşturulmuş, bu kombinasyonlar kullanılarak HAD analizleri yürütülmüş ve elde edilen veriler ANOVA çalışması yapılarak istatistiksel anlamda değerlendirilmiştir. Vorteks tüpü soğutma performansına en çok etkileyen parametrenin "Tüp Çapı" olduğu saptanmış, etki sıralaması olarak bu parametreyi "Lüle Sayısı", "Soğuk Çıkış Çapı" ve "Sıcak Çıkış Çapı" parametrelerinin takip ettiği belirlenmiştir. "Tüp Uzunluğu" parametresi ise, vorteks tüpü soğutma performansına etkisi ihmal edilebilir seviyede olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca, parametrelerin S/N oranları belirlenmiş, bu sayede optimal bir vorteks tüpü geometrisi önerilmiş, bu geometriye ait 3 boyutlu model oluşturulmuş ve HAD analizleri yürütülmüştür. Önerilen vorteks tüpü tasarımı sayesinde soğutma performansı %28,44 oranında iyileştirilmiştir. Bu çalışmada elde edilen ve sistematik bir istatistiksel tasarım yöntemi yardımıyla genelleştirilen bulguların gelecekteki çalışmalara katkı sunması hedeflenmiştir.

Vortex tubes are energy separation devices which have no moving parts and need only pressurized gas. The working gas, which gets inside the vortex tube, is separated into two temperature profiles as hot and cold and evacuated from tube. The aim of this study is to improve cooling performance of vortex tubes, which generally use for refrigerating, by using Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis and suggest a vortex tube with optimal design. The geometrical parameters as "Nozzle Number", "Cold Outlet Diameter", "Hot Outlet Diameter", "Tube Diameter" and "Tube Length" were also evaluated with the operational parameters as "Inlet Temperature", "Mass Flow Inlet" and "Heat Transfer Coefficient of Tube Surfaces"; by using 3D CFD analysis with ANSYS Fluent 15.0. When evaluating operational parameters, all parameters were handled one by one and effect of each parameter on cooling performance was determined. Increasing inlet temperature and mass flow inlet effect cooling performance of vortex tube positively, however increasing heat transfer from tube surfaces effects cooling performance low only when ratio of cold mass flow rate higher than 0,6. When investigating geometrical parameters Taguchi's L27(3)5 orthogonal design was used, 27 level combinations were created, that combinations were used for CFD analysis and worked on ANOVA with obtained results thus sum of analysis were evaluated statistically. Accordingly, the most effective parameter on cooling performance is "Tube Diameter". "Nozzle Number", Cold Outlet Diameter" and "Hot Outlet Diameter" follow that parameter respectively. On cooling performance, the effect of "Tube Length" is too low and negligible. Moreover, the S/N ratios of parameters were determined, optimal vortex tube geometry was suggested, 3D model of that tube was created and CFD analyses were done on that model. Suggested vortex tube improved cooling performance about 28,44%. It is aimed that the findings obtained in this study and the results obtained by generalizing the systematic statistical design will contribute to future works.