Computational Fluid Dynamics Analysis In Heat Exchanger Using Graphite-Containing Nanofluid

Year 2025, Volume: 12 Issue: 26, 173 - 186, 31.08.2025

Sevil Duman , Tarkan Koca

Abstract

This study, the effects of using a nanofluid on heat transfer were investigated in a double-pipe heat exchanger, where the inner pipe is of helical type and parallel flow conditions are applied. The main purpose of this study is to compare the results by examining the thermal performance of a heat exchanger using graphite/pure water nanofluids experimentally and with Computational Fluid Dynamics (CFD). Graphite-pure water nanofluid was used as the hot fluid, while pure water acted as the cold fluid. The hot fluid flow rate was kept constant at 3 l/min, and the inlet temperature was fixed at 55 °C. The cold fluid flow rate was tested at three different values: 3 l/min, 6 l/min, and 12 l/min. Calculations were performed using simulation data for both fluids, and the results were compared. According to the analysis, when the cold fluid flow rate was 3l/min, a deviation of 6.4% and 5.4% was observed in the hot and cold fluid outlet temperatures, respectively. As the flow rate increases, the error rate in the hot fluid increases up to 10.7%, while this rate remains between 1.2% and 4.1% on the cold fluid side. This study demonstrates the reliability of the model by performing the numerical verification of the heat exchanger model with the CFD analysis performed using the existing experimental data and contributes to the verification process of numerical methods for similar systems.

Keywords

Nanofluid , CFD , heat exchanger , helical pipe , graphite

Project Number

4021042024

Grafit İçeren Nanoakışkan Kullanılan Isı Değiştiricisinde Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Analizi

Abstract

Bu çalışmada iç içe borulu bir ısı değiştiricide, iç borusu helisel tipte seçilen ve paralel akış koşullarında, nanoakışkan kullanımının ısı transferi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu çalışmanın temel amacı, grafit/saf su nanoakışkanları kullanarak bir ısı değiştiricisinin ısıl performansını deneysel ve Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ile inceleyerek sonuçları karşılaştırmaktır. Çalışmada sıcak akışkan olarak grafit-saf su nanoakışkanı, soğuk akışkan olarak ise saf su tercih edilmiştir. Sıcak suyun debi değeri 3 l/dk ve giriş sıcaklık değeri 55 °C olarak sabit tutulmuş, soğuk akışkan debisi ise 3 l/dk, 6 l/dk ve 12 l/dk olarak üç farklı seviyede ayarlanmıştır. Saf su ve nanoakışkan kullanımı ile gerçekleştirilen simülasyonlardan ortaya çıkan verilerle hesaplamalar gerçekleştirilmiş ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Analize göre ise soğuk akışkan debisi 3 l/dk iken sıcak ve soğuk akışkan çıkış sıcaklıklarında sırasıyla %6,4 ve %5,4 sapma gözlemlenmiştir. Debi arttıkça sıcak akışkandaki hata oranı %10,7’ye kadar çıkarken, soğuk akışkan tarafında bu oran %1,2–%4,1 aralığında kalmıştır. Bu çalışma, mevcut deneysel veriler kullanılarak gerçekleştirilen HAD analiziyle, söz konusu ısı değiştirici modelinin sayısal doğrulamasını yaparak modelin güvenilirliğini ortaya koymakta ve benzer sistemler için sayısal yöntemlerin doğrulama sürecine katkı sağlamaktadır.

Keywords

Nanoakışkan , HAD , ısı değiştirici , helisel Boru , grafit

Supporting Institution

Ulusal Yüksek Başarımlı Hesaplama Merkezi

Project Number

4021042024

Thanks

Bu çalışmada kullanılan hesaplama kaynakları Ulusual Yüksek Başarımlı Hesaplama Merkezi’nin (UHeM), 4021042024 numaralı desteğiyle sağlanmıştır.

References

• Pordanjani AH, Aghakhani S, Afrand M, Mahmoudi B, Mahian O, Wongwises, S. An updated review on application of nanofluids in heat exchangers for saving energy. Energy Conversion and Management 2019; 198, 111886.
• Choi SU, Eastman JA. (1995). Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles (No. ANL/MSD/CP-84938; CONF-951135-29). Argonne National Lab. (ANL), Argonne, IL (United States).
• Hamilton RL, Crosser OK. Thermal conductivity of heterogeneous two component systems‖, I&EC Fundam 1962; 1: 182–191.
• Gupta SK, Verma H, Yadav N. A review on recent development of nanofluid utilization in shell & tube heat exchanger for saving of energy. Materials Today: Proceedings 2022; 54: 579-589.
• Tawfik MM. Experimental studies of nanofluid thermal conductivity enhancement and applications: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2017; 75: 1239-1253.
• Kadhim SA, Hammoodi KA, Askar AH, Rashid FL, Wahhab HAA. Feasibility review of using copper oxide nanofluid to improve heat transfer in the double-tube heat exchanger. Results in Engineering 2024; 103227.
• Askari S, Koolivand H, Pourkhalil M, Lotfi R, Rashidi A. Investigation of Fe3O4/Graphene nanohybrid heat transfer properties: Experimental approach. International Communications in Heat and Mass Transfer 2017; 87: 30-39.
• Kılıç M, Şahin M. Nanoakışkan Hacimsel Oranının ve Parçacık Boyutunun Gövde Borulu Isı Değiştiricisindeki Isı Transferine Etkisinin Deneysel ve Sayısal İncelenmesi. Çukurova Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi 2023; 38(2): 531-543.
• Xuan Y, Li Q. Heat transfer enhancement of nanofluids. International Journal of heat and fluid flow, 2000: 21(1): 58-64.
• Mapa LB, Mazhar S. Heat transfer in mini heat exchanger using nanofluids. In American Society for Engineering Education 2005: 1-2.
• Al-Obaidi MA, Rashid FL, Rasheed MK, Aljibori HSS, Mohammed HI, Mahdi AJ, Mujtaba IM. Recent achievements in heat transfer enhancement with hybrid nanofluid in heat exchangers: a comprehensive review. International Journal of Thermophysics 2024: 45(9); 133.
• Ghozatloo A, Rashidi A, Shariaty-Niassar M. Convective heat transfer enhancement of graphene nanofluids in shell and tube heat exchanger. Experimental Thermal and Fluid Science 2014: 53; 136-141.
• Godson L, Deepak K, Enoch C, Jefferson B, Raja B. Heat transfer characteristics of silver/water nanofluids in a shell and tube heat exchanger. Archives of Civil and Mechanical Engineering 2014: 14; 489-496.
• Kumar N, Sonawane SS, Sonawane SH. Experimental study of thermal conductivity, heat transfer and friction factor of Al2O3 based nanofluid. International Communications in Heat and Mass Transfer 2018: 90: 1-10.
• Yarmand H, Gharehkhani S, Shirazi SFS, Goodarzi M, Amiri A, Sarsam WS, Kazi SN. Study of synthesis, stability and thermo-physical properties of graphene nanoplatelet/platinum hybrid nanofluid. International Communications in Heat and Mass Transfer 2016; 77: 15-21.
• Akhavan-Zanjani H, Saffar-Avval M, Mansourkiaei M, Sharif F, Ahadi M. Experimental investigation of laminar forced convective heat transfer of Graphene–water nanofluid inside a circular tube. International Journal of Thermal Sciences 2016; 100: 316-323.
• Qasim SM, Sahar AFA, Firas AA. Numerical investigation of forced convection of nano fluid flow in horizontal U-longitudinal finned tube heat exchanger. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 2015; 95(1):012058.
• Huminic G, Huminic A, Morjan I, Dumitrache, F. Experimental study of the thermal performance of thermosyphon heat pipe using iron oxide nanoparticles. International Journal of Heat and Mass Transfer 2021; 54(1-3): 656-661.
• Bhattad A, Babu SS. Thermal analysis of shell and tube type heat exchanger using hybrid nanofluid. Trends in Sciences 2022; 19(5): 2890.
• Singh SK, Chauhan MK, Shukla AK. Heat transfer enhancement in double-pipe heat exchanger: A review. In Journal of Physics: Conference Series 2022; 2178(1): 012007.
• Koca F, Zabun M. Nozul mesafesinin çarpan jet isı transferi ve akışkan akışı üzerindeki etkileri. Osmaniye Korkut Ata Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 2022; 5(2):1008-1021.
• Koca F, Zabun M. The effect of outlet location on heat transfer performance in micro pin-fin cooling used for a CPU. Eur. Phys. J. Plus 2021; 136: 1115.
• Koca F, Gürlek C. Dikdörtgensel engellerin dairesel oluklu bir kanalın isıl-hidrolik özellikleri üzerindeki etkilerinin sayısal olarak incelenmesi. Çukurova Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi 2023; 38(3): 661-670.
• Xuan Y, Roetzel W. Conceptions for heat transfer correlation of nanofluids. International Journal of heat and Mass transfer 200; 43(19): 3701-3707.
• Pak BC, Cho YI. Hydrodynamic and heat transfer study of dispersed fluids with submicron metallic oxide particles. Experimental Heat Transfer an International Journal 1998; 11(2): 151-170.
• Mawell JC, Garnett J.C. Colours in metal glasses and in metallic films. Philosophical Transactions of the Royal Society a Mathematical, Physical and Engeneering Sciences 1904; 203: 385-420.
• Selbaş R, Şencan A, Kılıç B. Alternative approach in thermal analysis of plate heat exchanger. Heat and Mass Transfer 2009; 45: 323-329.
• Çotur Y, Koca T. Grafit içeren nanoakışkan kullanılarak ısı değiştiricilerinin performanslarının iyileştirilmesi. Adıyaman Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 2022: 9(18); 591-599.