THERMAL and HYDRAULIC PERFORMANCE ANALYSIS of a SHELL and TUBE HEAT EXCHANGER UNDER VARYING FLOW VELOCITIES USING CFD

Year 2025, Volume: 1 Issue: 2, 8 - 15, 29.09.2025

Hilmi Saygın Sucuoğlu

Abstract

This study investigates how flow velocities between 0.1 and 1.0 m/s affect the thermal and hydraulic performance of a tube-in-tube heat exchanger under constant inlet conditions (cold stream at 298 K and hot stream at 373 K). As the flow rate increases, convective heat transfer intensifies, yielding a pronounced rise in the hot stream’s Nusselt number, while the cold stream experiences a slight reduction due to shorter residence times. Experimentally obtained Prandtl Nusselt correlations align closely with well-established empirical models. Simultaneously, the pressure drops across the exchanger increases with velocity following an approximately quadratic relationship, with critical Reynolds numbers clearly marking the transition between flow regimes. Numerical results are presented alongside analytical visuals to enable both visual and quantitative interpretation of the exchanger’s behavior. These findings provide practical guidance for optimizing design and operating parameters in real-world applications, and future research could investigate different materials and geometric configurations to further enhance performance.

Keywords

Flow Velocity , Heat Transfer , Nusselt Number , Pressure Drop , Reynolds Number.

CFD KULLANARAK DEĞİŞEN AKIŞ HIZLARI ALTINDA BİR KABUK VE BORU ISI DEĞİŞTİRİCİSİNİN TERMAL ve HİDROLİK PERFORMANS ANALİZİ

Abstract

Bu çalışma, 0,1 ile 1,0 m/s arasındaki akış hızlarının sabit giriş koşulları altında (298 K'de soğuk akış ve 373 K'de sıcak akış) bir tüp içinde tüp ısı değiştiricisinin termal ve hidrolik performansını nasıl etkilediğini araştırmaktadır. Akış hızı arttıkça, konvektif ısı transferi yoğunlaşır ve sıcak akışın Nusselt sayısında belirgin bir artışa neden olurken, soğuk akış daha kısa kalma süreleri nedeniyle hafif bir azalma yaşar. Deneysel olarak elde edilen Prandtl Nusselt korelasyonları, iyi kurulmuş ampirik modellerle yakından uyumludur. Eş zamanlı olarak, değiştirici boyunca basınç düşüşleri, yaklaşık olarak ikinci dereceden bir ilişkiyi takip ederek hızla artar ve kritik Reynolds sayıları akış rejimleri arasındaki geçişi açıkça işaretler. Eşanjörün davranışının hem görsel hem de nicel yorumlanmasını sağlamak için sayısal sonuçlar analitik görsellerle birlikte sunulmuştur. Bu bulgular, gerçek dünya uygulamalarında tasarım ve işletme parametrelerini optimize etmek için pratik rehberlik sağlar ve gelecekteki araştırmalar, performansı daha da artırmak için farklı malzemeleri ve geometrik yapılandırmaları inceleyebilir.

Keywords

Akış Hızı , Isı Transferi , Nusselt Sayısı , Basınç Düşüşü , Reynolds Sayısı.

References

• [1] S. S. Deshpande and S. A. Hinge, "Design and performance study of shell and tube heat exchanger with single segmental baffle having perpendicular & parallel-cut orientation," Int. J. Eng. Res. Technol., pp. 1–5, 2014.
• [2] D. Gireesh and J. B. Rao, "Design and analysis of heat exchanger with different baffles," Int. J. Mag. Eng. Technol. Manag. Res., pp. 1–12, 2017.
• [3] H. Haran and R. Reddy, "Thermal analysis of shell and tube heat exchanger using C and Ansys," Int. J. Comput. Trends Technol., vol. 4, 2013.
• [4] P. Bichkar, O. Dandgaval, P. Dalvi, R. Godase, and T. Dey, "Study of shell and tube heat exchanger with the effect of types of baffles," Procedia Manuf., vol. 20, pp. 195–200, 2018.
• [5] M. O. Petinrin and A. A. Dare, "Performance of shell and tube heat exchangers with varying tube layouts," unpublished, 2016.
• [6] A. K. Prasad and K. Anand, "Design analysis of shell tube type heat exchanger," Int. J. Eng. Res. Technol., vol. 9, no. 1, 2020.
• [7] Y. S. Son and J. Y. Shin, "Performance of a shell-and-tube heat exchanger with spiral baffle plates," KSME Int. J., vol. 15, pp. 1555–1562, 2001.
• [8] A. H. Cahya and R. Permatasari, "Design of shell and tube heat exchanger for waste water using heat transfer research inc," Int. J. Adv. Sci. Technol., pp. 611–622, 2020.
• [9] E. J. Fernandes and S. H. Krishanmurthy, "Design and analysis of shell and tube heat exchanger," Int. J. Simul. Multidiscip. Des. Optim., vol. 13, p. 15, 2022.
• [10] O. E. Turgut, M. S. Turgut, and M. T. Coban, "Design and economic investigation of shell and tube heat exchangers using improved intelligent tuned harmony search algorithm," Ain Shams Eng. J., vol. 5, no. 4, pp. 1215–1231, 2014.
• [11] S. Wang, J. Wen, and Y. Li, "An experimental investigation of heat transfer enhancement for a shell-and-tube heat exchanger," Appl. Therm. Eng., vol. 29, no. 11–12, pp. 2433–2438, 2009.
• [12] Q. Wang, Q. Chen, G. Chen, and M. Zeng, "Numerical investigation on combined multiple shell-pass shell-and-tube heat exchanger with continuous helical baffles," Int. J. Heat Mass Transf., vol. 52, no. 5–6, pp. 1214–1222, 2009.
• [13] M. A. Alperen, E. Kayabaşi, and H. Kurt, "Detailed comparison of the methods used in the heat transfer coefficient and pressure loss calculation of shell side of shell and tube heat exchangers with the experimental results," Energy Sources Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, vol. 45, no. 2, pp. 5661–5680, 2023.
• [14] H. Bayram and G. Sevilgen, "Numerical investigation of the effect of variable baffle spacing on the thermal performance of a shell and tube heat exchanger," Energies, vol. 10, no. 8, p. 1156, 2017.