Numerical Investigation of Effects of Pore Density and Thickness of the Porous Material on Heat Transfer and Pressure Drop in In-Line Tube Banks

Abstract

In this study, effects of pore density and thickness of the porous material in in-line tube banks on heat transfer and pressure drop are numerically investigated. Numerical calculations are carried out under two dimensional, laminar and steady flow conditions. In the analyses, considering the porous material covers the tubes, the pore density of the porous material () is taken as 10, 20 and 40 PPI, and the thickness of the porous material (tp) is taken as 1, 2, 3 and 4 mm for each pore density. Effects of the porous material thickness and pore denstiy on heat transfer and pressure drop are evaluated, and heat transfer, pressure drop, ratio of the heat transfer to the pumping power and velocity and temperature contours are presented. As a result of the analyses, it is determined that the highest heat transfer is obtained at 20 PPI pore density and 4 mm metal foam thickness, and the highest pressure drop is obtained at 40 PPI pore density and 4 mm porous material thickness. When the ratio of the heat transfer to the pumping power is evaluated, that the optimum case is found for 20 PPI pore density and 1 mm thick metal foam.

Keywords

• In-line tube bank; Porous material
• Heat transfer
• Pressure drop
• CFD.

Sıralı Tip Boru Demetinde Gözenekli Malzeme Gözenek Yoğunluğu ve Kalınlığının Isı Transferi ve Basınç Düşümüne Etkilerinin Sayısal Olarak İncelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, sıralı tip boru demetinde borular etrafında bulunan gözenekli malzemenin gözenek yoğunluğunun ve malzeme kalınlığının ısı transferi ve basınç düşümüne olan etkileri sayısal olarak incelenmiştir. Sayısal hesaplamalar iki boyutlu olarak, laminer ve kararlı akış koşullarında gerçekleştirilmiştir. Çalışmada, etrafı çevresel olarak tamamen gözenekli malzeme kaplı borular dikkate alınarak, gözenekli malzemenin gözenek yoğunluğu () 10, 20 ve 40 PPI ve her bir gözenek yoğunluğu için gözenekli malzeme kalınlığı (tp) 1, 2, 3 ve 4 mm olacak şekilde analizler gerçekleştirilmiştir. Gözenekli malzeme kalınlığı ve gözenek yoğunluğunun, ısı transferi ve basınç düşümüne etkileri değerlendirilmiş olup; ısı transferi, basınç düşümü, ısı transferinin fan gücüne oranı ve hız-sıcaklık konturları sunulmuştur. Analizler sonucunda, en yüksek ısı transferinin 20 PPI gözenek yoğunluğunda ve 4 mm metal köpük kalınlığında, en yüksek basınç düşümünün 40 PPI gözenek yoğunluğunda ve 4 mm gözenekli malzeme kalınlığında elde edildiği belirlenmiştir. Isı transferinin fan gücüne oranı değerlendirildiğinde 20 PPI gözenek yoğunluğu ve 1 mm kalınlığındaki metal köpüğün ısı transferi ve basınç düşümü açısından optimum olduğu belirlenmiştir.

Keywords

• Sıralı tip boru demeti
• Gözenekli malzeme
• Isı transferi
• Basınç düşümü
• HAD

References

1. [1] Kuruneru, A.T.W., Vafai, K., Sauret, E., Gu, Y.T. 2020. Application of Porous Metal Foam Heat Exchangers and The Implications of Particulate Fouling For Energy-Intensive Industries, Chemical Engineering Science, Cilt. 228, s. 115968.
2. [2] Rashidi, S., Kashefi, M.H., Kim, K.C., Samimi-Abianeh, O. 2019. Potentials of Porous Materials for Energy Management in Heat Exchangers - A Comprehensive Review, Applied Energy, Cilt. 243, s. 206–232.
3. [3] Büyükalaca, O. 1999. Gözenekli Seramik Malzemeler İçerisinde Konveksiyonla Isı Transferi, Tr. J. of Engineering And Environmental Science, Cilt. 23, s. 219-228.
4. [4] Schampheleire, S.D., Jaeger, P.D., Huisseune, H., Ameel, B., T’joen, C., Kerpel, K.D., Paepe, M.D. 2013. Thermal Hydraulic Performance of 10 PPI Aluminium Foam as Alternative for Louvered Fins in An HVAC Heat Exchanger, Applied Thermal Engineering, Cilt. 51, s. 371-382.
5. [5] Jaeger P.D., T’joen, C., Huisseune, H., Ameel, B., Schampheleire, S.D. Paepe, M.D. 2013. Influence of Geometrical Parameters of Open-Cell Aluminum Foam on Thermohydraulic Performance”, Heat Transfer Engineering, Cilt. 34(14), s. 1202–1215.
6. [6] Huisseune, H., Jaeger, P.D., Schampheleire, S.D, Ameel, B., Paepe, M.D. 2014. Simulation of An Aluminum Foam Heat Exchanger Using The Volüme Averaging Technique, Procedia Materials Science, Cilt 4. s. 353-358.
7. [7] Huisseune, H., Schampheleire, S.D., Ameel, B., Paepe, M.D. 2015. Comparison of Metal Foam Heat Exchangers to A Finned Heat Exchanger for Low Reynolds Number Applications, International Journal of Heat And Mass Transfer, Cilt. 89, s. 1–9.
8. [8] Xu, H.J., Gong, L., Zhao, C.Y., Yang, Y.H., Xu, Z.G. 2015 Analytical Considerations of Local Thermal Non-Equilibrium Conditions for Thermal Transport in Metal Foams”, International Journal Of Thermal Sciences, Cilt 95. s. 73-87.

9. [9] Buonomo, B., Pasqua, A.D., Ercole, D., Manca, O., Nardini, S. 2018. Numerical Investigation on Aluminum Foam Application in A Tubular Heat Exchanger, Heat And Mass Transfer, DOI:10.1007/s00231-018-2305-7.
10. [10] Bounomo, B., Pasqua, A.D., Ercole, D., Manca, O. 2018. Numerical Investigation on A Heat Exchanger in Aluminum Foam, Energy Procedia, Cilt. 148, s. 782-789.
11. [11] Buonomo, B., Pasqua, A.D., Manca, O., Nardini, S. 2020. Evaluation of Thermal and Fluid Dynamic Performance Parameters in Aluminum Foam Compact Heat Exchangers, Applied Thermal Engineering, Cilt. 176, s. 115456.
12. [12] Odabaee, M., Hooman, K., 2012. Metal Foam Heat Exchangers for the Heat Transfer Augmentation from a Tube Bank, Applied Thermal Engineering, Cilt. 36, s. 456-463.
13. [13] Alvandifar, N., Saffar-Aval, M., Amani, E., 2018. Partially Metal Foam Wrapped Tube Bundle as a Novel Generation of Air Cooled Heat Exchangers , International Journal of Heat and Mass Transfer, Cilt. 118, s. 171-181.
14. [14] Alvandifar, N., Saffar-Avval, M., Amani, E., 2019. An Investigation of Flow Across Porous Layer Wrapped Flat Tube Banks, Transport in Porous Media, Cilt. 127, s. 329-352.
15. [15] Alvandifar, N., Saffar-Avval, M., Amani, E., Mehdizadeh, A.R., Ebrahimipour, M.R., Entezari, S., Namazi, H., Mehni-Esfandiari, M., Ahmadibeni, G., 2021. Experimental Study of Partially Metal Foam Wrapped Tube Bundles, International Journal of Thermal Sciences, Cilt. 162, s. 106798.
16. [16] Akar, S., Rashidi, S., Esfahani, J.A. 2017. Appropriate Position of Porous Insert in A Heat Exchanger By Thermohydraulic Analysis, Heat Transfer-Asian Res., Cilt. 46, s. 1363-1379.
17. [17] Baytaş, A.C. 2015. Taşınım İle Isı Geçişi: Bölüm 6, Gözenekli Ortamlarda Taşınım, Birinci Basım., Nobel, Ankara.
18. [18] Whitaker, S. 1998. The Method of Volume Averaging, Springer, Netherlands.
19. [19] Nield, D.A., Bejan, A. 2013. Convection in Porous Media, Fourth Ed., Springer, New York.
20. [20] Bhattacharya, A., Calmidi, V.V., Mahajan, R.L. 2002. Thermophysical Properties of High Porosity Metal Foams, International Journal Of Heat And Mass Transfer, Cilt. 45, s. 1017-1031.
21. [21] Calmidi, V.V., Mahajan, R.L. 2000. Forced Convection in High Porosity Metal Foams, Asme J. Heat Transfer, Cilt. 122, s. 557–565.
22. [22] Ibrahim, T.A, Gomaa, A., 2009. Thermal Performance Criteria of Elliptic Tube Bundle in Crossflow, International Journal of Thermal Sciences, Cilt. 48, s. 2148–2158.
23. [23] ANSYS Fluent User's Guide, Release 2020 R2.