Bir ısı değiştiriciyi boyutlandırmak için CFD gerekmez. Etkinlik-NTU (ε-NTU) ve LMTD yöntemleri, yüzey ısı transfer ve sürtünme karakteristikleri biliniyorsa toplam performansı hızlı ve güvenilir biçimde verir [1]. Bu yöntemler deneye dayanır ve kendi geçerlilik aralıklarında CFD'den daha güvenilirdir. Bkz. CFD ne zaman gereklidir notu.
Asıl soru, o aralığın nerede bittiğidir.
ε-NTU'nun sessiz varsayımları
Yöntem birkaç kabule dayanır ve endüstriyel cihazlarda bu kabuller sıklıkla tutmaz:
- Akış her kanala eşit dağılır. Gerçekte giriş başlığı (header) tasarımı yüzünden dağılım eşit değildir.
- Isı transfer katsayısı yüzey boyunca sabittir. Giriş bölgesinde ve ayrılma sonrası yeniden yapışma noktalarında yerel değer ortalamanın katlarına çıkar.
- Yüzey ailesi, korelasyonun türetildiği aileyle aynıdır. Yeni bir kanat geometrisi ya da alışılmadık bir adım/yükseklik oranı bu şartı bozar.
- Kirlenme düzgün dağılır. Dağılmaz; düşük hızlı bölgelerde birikir.
CFD'yi çağırmanın anlamlı olduğu yerler
Dağılım problemi. Akışın kanallara nasıl paylaştığını görmek. Bu, toplam performansı doğrudan düşüren ve korelasyonun hiç göremediği bir etkidir. Başlık geometrisini değiştirip dağılımı iyileştirmek, yüzey alanı eklemekten çok daha ucuza performans kazandırır.
Yeni yüzey geometrisi. Korelasyonu olmayan bir kanat için j ve f karakteristiklerini periyodik bir hücre üzerinde çözüp çıkarmak. Bütün cihazı çözmek gerekmez; tek bir tekrar birimi yeterlidir ve bu, hesabı mertebe olarak ucuzlatır.
Yerel sorunlar. Ölü hacim, donma riski, termal gerilme yaratan sıcaklık gradyanı, titreşim uyaran girdap kopması. Bunlar ortalama değerde görünmez.
Eşlenik davranış. Katı iletkenliğinin akışkan tarafındaki dirençle yarışır hâle geldiği kompakt cihazlarda. Bkz. eşlenik ısı transferi notu.
Pratik iş akışı
Sıra şudur: önce ε-NTU ile boyutlandır, sonra CFD ile o boyutun varsayımlarını sına. İkisi arasında mertebe farkı varsa önce onu anlayın — deneyime göre hata çoğu zaman CFD kurulumundadır, korelasyonda değil.
Yeni yüzey karakteristiği çıkarıyorsanız o sonuç bir hesap değil bir veridir ve doğrulanması gerekir; en azından bilinen bir yüzey için aynı yöntemle koşup yayımlanmış j–f eğrisiyle karşılaştırın. Bkz. doğrulama ve geçerleme notu.
Kaynaklar
- Shah, R. K. & Sekulić, D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9780470172605
- Celik, I. B., Ghia, U., Roache, P. J., Freitas, C. J., Coleman, H. & Raad, P. E. (2008). Procedure for estimation and reporting of uncertainty due to discretization in CFD applications. Journal of Fluids Engineering, 130(7), 078001. DOI: 10.1115/1.2960953