Second Law-Based Comparative Analysis of Entropy Generation in Mini and Macro Tubes

Abstract

In this study, the behavior of heat transfer and entropy generation under forced convection was experimentally investigated in two pipes of different diameters: a 13.7 mm macro pipe and a 2.74 mm mini pipe. Based on the second law of thermodynamics, entropy generation due to heat transfer, frictional entropy generation, and total entropy generation were calculated. System performance was also evaluated using second-law indicators such as the Bejan number and Entropy number. Experimental studies conducted in a Reynolds number range of approximately 6000–17000 revealed that while the dimensionless entropy generation due to heat transfer decreased with increasing Re in both pipes, the frictional entropy generation significantly increased in the mini pipe. Total entropy generation decreased with increasing Reynolds in the macro pipe but continuously increased in the mini pipe. Bejan number analysis showed that frictional effects dominate entropy generation in the mini pipe, whereas heat transfer is more dominant in the macro pipe. Although high surface-to-volume ratio in mini pipes enhances heat transfer, it also leads to greater frictional losses, reducing second-law efficiency. Therefore, a multi-objective design approach considering both thermal and viscous effects is recommended for system optimization.

Keywords

• Entropy production
• Bejan number
• Mini pipes
• Macro pipes
• Second law analysis

Mini Ve Makro Borularda Entropi Üretiminin İkinci Yasa Temelli Karşılaştırmalı Analizi

Abstract

Bu çalışmada, farklı çaplara sahip iki boruda (13.7 mm makro boru ve 2.74 mm mini boru) suyun zorlanmış konveksiyon altındaki ısı transferi ve entropi üretimi davranışı deneysel olarak incelenmiştir. Termodinamiğin ikinci yasası esas alınarak yapılan analizlerde; ısı transferine bağlı entropi üretimi, sürtünme kaynaklı entropi üretimi ve toplam entropi üretimi hesaplanmıştır. Ayrıca sistem performansı Bejan Sayısı ve Entropi Sayısı gibi ikinci yasa göstergeleri kullanılarak değerlendirilmiştir. Reynolds sayısı aralığı yaklaşık 6000–17000 arasında değişen deneysel çalışmalarda hem mini hem de makro borularda artan Reynolds ile birlikte ısı transferi kaynaklı entropi üretim değerinin azaldığı, buna karşın mini boruda sürtünme kaynaklı entropi üretimi’nin belirgin şekilde arttığı gözlemlenmiştir. Toplam entropi üretimi incelendiğinde, makro boruda Reynolds sayısı arttıkça entropi üretimi azalırken, mini boruda bu değerin sürekli arttığı tespit edilmiştir. Bejan sayısı analizleri, mini boruda entropi üretiminin büyük ölçüde sürtünmeye dayalı olduğunu; makro boruda ise ısı transferi etkisinin daha baskın kaldığını ortaya koymuştur. Elde edilen bulgular, özellikle mini borularda yüksek yüzey-hacim oranının ısı transferini iyileştirmesine rağmen, sürtünme kaynaklı kayıpların ikinci yasa verimliliğini olumsuz etkileyebileceğini göstermektedir. Bu nedenle, optimum sistem tasarımı için hem termal hem de viskoz etkilerin dikkate alındığı çok bileşenli bir yaklaşım önerilmiştir. Çalışma, borularda ikinci yasa temelli optimizasyonun önemini vurgulamakta ve bu alanda yapılacak ileri düzey tasarımlara temel teşkil etmektedir.

Keywords

• Entropi üretimi
• Bejan sayısı
• Mini borular
• Makro borular
• İkinci yasa analizi

References

1. [1] Y. A. Çengel and M. A. Boles, Thermodynamics: An Engineering Approach, 8th ed. New York, NY, USA: McGraw-Hill Education, 2015.
2. [2] M. J. Moran, H. N. Shapiro, D. D. Boettner, and M. B. Bailey, Fundamentals of Engineering Thermodynamics, 7th ed. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, 2010.
3. [3] A. Bejan, “Thermodynamic optimization of geometry in engineering flow systems,” Exergy, an Int. J., vol. 1, no. 4, pp. 269–277, 2001.
4. [4] López-Núñez, O. A., Lara, F., Gonzalez-Angeles, A., Cárdenas-Robles, A., Ramírez-Minguela, J. D. J., & Alfaro-Ayala, J. A. “Assessment of thermohydraulic performance and entropy generation in an evacuated tube solar collector employing pure water and nanofluids as working fluids,” Heliyon, vol. 10, no. 8, 2024.
5. [5] M. Niazi and H. Xu, “Fully developed flow of a nanofluid through a circular micropipe in the presence of electroosmotic effects,” Math. Probl. Eng., vol. 2020, pp. 1–15, 2020, doi: 10.1155/2020/1723256.
6. [6] O. Fadodun, A. Kaood, and M. Hassan, “Investigation of the entropy production rate of ferrosoferric oxide/water nanofluid in outward corrugated pipes using a two-phase mixture model,” Int. J. Therm. Sci., 107598, 2022. doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2022.107598.
7. [7] Y. Yang, X. Yuan, and Z. Li, “Experimental and numerical study on heat transfer performance of single-phase water in a horizontal mini-annular channel,” Int. J. Heat Fluid Flow, vol. 108, p. 109483, 2024.
8. [8] J. Li and C. Kleinstreuer, “Entropy generation analysis for nanofluid flow in microchannels,” ASME J. Heat Transfer, vol. 132, no. 12, p. 122401, 2010.

9. [9] E. Manay, E. F. Akyürek, and B. Şahin, “Entropy generation of nanofluid flow in a microchannel heat sink,” Results Phys., vol. 9, pp. 615-624, 2018.
10. [10] Hassan, M., Sadri, R., Ahmadi, G., Dahari, M. B., Kazi, S. N., Safaei, M. R., & Sadeghinezhad, E. “Numerical study of entropy generation in a flowing nanofluid used in micro- and minichannels,” Entropy, vol. 15, no. 1, pp. 144–155, 2013, doi: 10.3390/e15010144.
11. [11] F. M. White, Fluid Mechanics, 7th ed. New York, NY, USA: McGraw-Hill, 2011.
12. [12] H. Herwig, “The role of entropy generation in momentum and heat transfer,” J. Heat Transfer, vol. 134, no. 3, p. 031003, 2012.
13. [13] I. Firat, S. Karagoz, O. Yildirim, and M. Yilmaz, “Performance and entropy production analysis of angle blade turbulators used to increase heat transfer,” J. Therm. Anal. Calorim., vol. 148, pp. 7811–7828, 2023.
14. [14] H. Abdi, “Yatay borulardaki türbülatörlerin ısı transferine etkisinin deneysel ve teorik olarak incelenmesi,” M.S. thesis, Dept. Mech. Eng., Atatürk Univ., Erzurum, Turkey, 2014.
15. [15] KARAGÖZ, Ş., Erzincanli, S., YILDIRIM, O., FIRAT, İ., KAYA, M., ÇOMAKLI, Ö., ÖMEROĞLU, G “Experimental investigation of the effect of wave turbulators on heat transfer in pipes,” Thermal Sci., vol. 26, no. 2 Part C, pp. 1771–1783, 2022.
16. [16] Ş. Karagöz and O. Yıldırım, “Analysis of heat transfer in single-phase flow in circular mini-channels,” Int. J. Innov. Res. Rev., vol. 8, no. 2, pp. 50–60, 2024.
17. [17] L. H. K. Goh, Y. M. Hung, G. M. Chen, and C. P. Tso, “Entropy generation analysis of turbulent convection in a heat exchanger with self-rotating turbulator inserts,” Int. J. Therm. Sci., vol. 160, p. 106652, 2021, doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2020.106652.
18. [18] P. K. Singh, K. B. Anoop, T. Sundararajan, and S. K. Das, “Entropy generation due to flow and heat transfer in nanofluids,” Int. J. Heat Mass Transfer, vol. 53, no. 21–22, pp. 4757–4767, 2010.
19. [19] A. Bejan, “Entropy generation minimization: The new thermodynamics of finite‐size devices and finite‐time processes,” J. Appl. Phys., vol. 79, no. 3, pp. 1191–1218, 1996.
20. [20] A. Z. Sahin, “Entropy generation and pumping power in a turbulent fluid flow through a smooth pipe subjected to constant heat flux,” Exergy, an Int. J., vol. 2, no. 4, pp. 314–321, 2002.