In this thesis, the design and analysis of a shell and tube heat exchanger used to combine parabolic trough solar collectors and an organic Rankine cycle based geothermal power plant is presented. A thermal model for the parabolic trough solar collector was first used to find the temperature of the thermal oil entering the heat exchanger under different solar irradiation intensity. Then, a detailed thermal model for the shell and tube heat exchanger based on logarithmic mean temperaturedifference method was formed. In addition, for this heat exchanger, the temperature and velocity variations were examined in a solar - geothermal shell and tube heat exchanger in a COMSOL Multiphysics® environment. On the other hand, a detailed thermal model for a shell and tube heat exchanger used in an organic Rankine cycle was formed. Two different configurations of the cycle was considered, which are subcritical and supercritical organic Rankine cycles. For this purpose, the heat exchanger was divided into several zones and the outlet conditions of each zone were calculated applying logarithmic mean temperature difference method. Different Nusselt correlations according to the relevant phase (single, two-phase and supercritical) were also used in this model. A parametric study was conducted to assess the effect of some key design parameters (e.g. diameter of the tubes, tube length, baffle spacing, the type of working fluid, solar irradiation, and source temperature) on the performance of the heat exchanger. The performance parameters are taken as the heat transfer surface area, pumping power, overall heat transfer coefficient, and total pressure drop. As a result of these parametric studies, the design and operating parameters and the working fluid that give the best performance for the heat exchanger are found.

Bu tez çalışmasında parabolik oluklu güneş kolektörü ile jeotermal temelli organik Rankin çevriminde hibrit olarak yer alan gövde boru tipi ısı değiştiricisinin tasarım ve analizi sunulmuştur. Parabolik oluklu güneş kolektörü için termal model kullanılarak kolektör akışkanının ısı değiştiricisine giriş sıcaklığı farklı güneş radyasyonu şiddetleri altında bulunmuştur. Daha sonra gövde boru tipi ısı değiştiricisi için logaritmik ortalama sıcaklık farkı metodu kullanılarak detaylı bir ısıl model oluşturulmuştur. Buna ek olarak bahsedilen bu ısı değiştiricisi için COMSOL Multiphysics® programında sıcaklık ve hız dağılımları sayısal yöntemlerle bulunmuştur. Öte yandan jeotermal kaynak ile organik Rankin çevriminde hibrit olarak yer alan gövde boru tipi ısı değiştiricisi için de detaylı bir ısıl model oluşturulmuştur. Süper kritik ve kritik altı olmak üzere iki farklı çevrim konfigürasyonunda bu modelleme yapılmıştır. Bu amaçla, ısı değiştiricisi birden fazla bölgeye ayrılarak her bir bölge için çıkış şartları logaritmik ortalama sıcaklık farkı metoduyla bulunmuştur. Bu model de farklı Nusselt bağıntıları belli fazlar (tek faz, iki fazlı ve süper kritik) için kullanılmıştır. Parametrik çalışma yapılarak bazı önemli parametrelerin (boru çapı, boru uzunluğu, şaşırtma levhası mesafesi, çevrim akışkanı çeşidi, güneş radyasyonu şiddeti ve kaynak sıcaklığı) ısı değiştiricisi performansına etkisi değerlendirilmiştir. Bu performans parametreleri ısı transferi yüzey alanı, pompa gücü, toplam ısı geçiş katsayısı, toplam basınç düşümü şeklindedir. Bu parametrik çalışmalar sonucunda, ısı değiştiricisi için en iyi performansı veren tasarım, çalışma parametreleri ve çalışma sıvısı bulunur.