Experimental and Analytical Investigation of Heat Transfer Coefficient of a Water Cooled Condenser for Different Water Flows and Condensation Pressures

In the phase change process, latent heat is transferred and the amount of heat transferred will be excessive high compared to the amount of sensible heat transfer. For that reason, condensation and evaporation processes are the main steps in the refrigeration cycle in order to increase the amount of heat transferred. The main objective of this study is to experimentally and analytically examine overall heat transfer coefficient and to present the effect of water flow and refrigerant pressure on condensation process. For this purpose, a refrigeration system where a water cooled condenser with a heat transfer surface area of 0.075 m2 was installed. R134a was used as a refrigerant and condenses on the outer surface of the pipe that water circulates through. In this study, experiments were repeated for water mass flow rates of 15, 20, 25, 30 and 35 g/s at constant 7.0 bar condensation pressure. Then, condensation pressures were changed to 6.5, 6.75, 7.0, 7.25 and 7.5 bar at constant water flow rates of 25 g/s. Correlation of condensation heat transfer coefficient has been applied to refrigerant side of the condenser unit. On the other side, logarithmic mean temperature difference (LMTD) and number of transfer unit (ε-NTU) methods have been applied to experimental results in order to calculate heat transfer coefficient. Experimental results for different water flow rates at constant refrigerant pressure and for different condensation pressures at constant water flow rate are taken from the refrigeration machine unit and have been compared with calculated values that are obtained from condensation heat transfer correlation.

Değişen Su Debisi ve Yoğuşma Basıncı İçin Bir Su Soğutmalı Yoğuşturucunun Isı Transferi Katsayısının Deneysel ve Analitik İncelenmesi

Faz değişiminde gizli ısı transfer edilir ve transfer edilen ısı miktarı, duyulur ısı transferi miktarına kıyasla aşırı yüksek olur. Bu nedenle, transfer edilen ısı miktarını artırmak için yoğunlaşma ve buharlaşma işlemleri, soğutma çevrimindeki ana basamaklardır. Bu çalışmanın temel amacı toplam ısı transferi katsayısını deneysel ve analitik olarak incelemek ve su debisi ile soğutucu akışkan basıncının yoğuşma hal değişimi üzerindeki etkisini ortaya koymaktır. Bu amaçla, ısı transferi yüzey alanı 0.075 m2 olan su soğutmalı yoğuşturuculu bir soğutma sistemi kurulmuştur. Soğutucu akışkan olarak R134a kullanılmış ve soğutucu akışkan suyun içinde dolaştığı borunun dış yüzeyinde yoğuşmaktadır. Bu çalışmada, sabit 7,0 bar yoğuşma basıncında 15, 20, 25, 30 ve 35 g/s su debileri için deneyler tekrarlanmıştır. Daha sonra, 25 g/s su debisinde yoğuşma basınçları 6,5, 6,75, 7,0, 7,25 ve 7,5 bar olacak şekilde değiştirilmiştir. Yoğuşma ısı transfer katsayısı bağıntısı yoğuşturucu ünitesinin soğutucu tarafına uygulanmıştır. Öte yandan ısı transfer katsayısını hesaplamak için logaritmik ortalama sıcaklık farkı (LMTD) ve geçiş birimi sayısı (ε-NTU) metotları deneysel sonuçlara uygulanmıştır. Sabit yoğuşma basıncında farklı su debileri ve sabit su debisinde farlı yoğuşma basınçları için soğutma makinası ünitesinden elde edilen deneysel sonuçlar yoğuşma ısı transferi katsayısı bağıntısından elde edilen sonuçlarla kıyaslanmıştır.

PDF

___

Cavallini, A., Censi, G., Del Col, D., Doretti, L., Longo, G. A., Rossetto, L., Zilio, C., 2003. Condensation Inside and Outside Smooth and Enhanced Tubes-a Review of Recent Research, International Journal of Refrigeration, 26(4), 373-392.

Bejan, A., 2013. Convection heat transfer, John Wiley & Sons, Inc., Canada.

Çengel, Y.A., Ghajar, A.J., 2015. Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications, McGraw-Hill Education, Fifth Edition.

Rahman, M. M., Kariya, K., Miyara, A., 2018. An Experimental Study and Development of New Correlation for Condensation Heat Transfer Coefficient of Refrigerant Inside a Multiport Mini Channel With and Without Fins, International Journal of Heat and Mass Transfer, 116, 50-60.

Jung, D., Song, K., Cho, Y., Kim, S., 2003. Flow Condensation Heat Transfer Coefficients of Pure Refrigerants, International Journal of Refrigeration, 26(1), 4-11.

Ebisu, T., Torikoshi, K., 1998. Experimental Study on Evaporation and Condensation Heat Transfer Enhancement for R-407C using Herringbone Heat Transfer Tube, ASHRAE Trans., 104.

Asker, M., Turgut, O.E., 2013. Boru İçi Yoğuşma Korelasyonlarının Karşılaştırılması, Soğutma Dünyası, 62, 54-62.

Dalkılıç, A.S., Demir, H., 2009. Boru Içinde Yoğuşmada Isı Transferi Katsayısının Tespiti, Tesisat Mühendisliği Dergisi, 113, 50-60.

Kumar, R., Varma, H.K., Mohanty, B., Agrawal, K.N., 2002. Prediction of Heat Transfer Coefficient During Condensation of Water and R-134a on Single Horizontal Integral-fin Tubes, International Journal of Refrigeration, 25, 111-126.

Bergman, T.L., Lavine, A.S., Incropera, F.P., Dewitt, D.P., 2011. Fundamentals of Heat and Mass Transfer, John Wiley & Sons, Inc., Seventh Edition.

Kakaç, S., Liu, H., Pramuanjaroenkij, A., 2012. Heat Exchangers: Selection, Rating, and Thermal Design, Taylor & Francis Group, Third Edition.

Kocaman, Y., Tosun, H., 2013. Kanatlı Borulu Isı Değiştiricileri, Mühendis ve Makina Dergisi, 54(646), 27-36.

Karaçaylı, İ., 2018. Su Soğutmalı Soğutma Makinasında Isı Değiştiricisinin Enerji ve Ekserji Analizi, Ege Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi.

Erdinç, M.T., Yilmaz, A., Yilmaz, T., 2016. Çapraz Akışlı Saptırılmış Boru Demeti Isı Değiştiricilerinin Ekonomik Optimizasyonu, Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlik Fakültesi Dergisi, 31(2), 139–148.

Gnielinski, V., 1976. New Equations for Heat and Mass Transfer in Turbulent Pipe and Channel Flow, International Journal of Chemical Engineering, 16(2), 359-368.

Nusselt, W., 1916. The Condensation of Steam on Cooled Surfaces, Z.d. Ver. Deut. Ing., 60, 541.