Analytical and Numerical Analysis of Baffle Effect in Shell and Tube Heat Exchanger

Abstract

Shell–tube heat exchanger designs were performed by Kern methods. With the development of computational fluid dynamics (CFD) software, heat exchangers can be also designed with the help of CFD. In this work, a small size shell - tube type heat exchanger selected as a model was designed. In modelling, heat exchanger with one shell pass and one tube pass was used and leakage effects have been neglected. Surface temperature of tube surfaces was assumed constant, only shell side flow analysis was performed and shell side heat transfer coefficient and flow properties were investigated. CFD analysis were performed by using ANSYS Fluent to determine the pressure drop and heat transfer coefficient by using different flow velocity values, turbulence models, baffle number, baffle cuts and numerical results obtained for single baffle were compared with Kern analytical method results. When the numerical and analytical data were compared, it was seen that the baffle cut, the heat transfer coefficient and pressure drops decreased as the distance between the baffles increased. Comparisons of turbulence models were made and the k-ε turbulence model, which gives better results, was used in other analyzes.

Keywords

• Shell and tube heat exchanger
• computational fluid dynamics (CFD)
• baffles

Gövde Borulu Isı Değiştiricilerinde Şaşırtma Levhası Etkisinin Analitik ve Sayısal Analizi

Abstract

Gövde–boru tipi ısı değiştiricilerinin analitik tasarımları Kern yöntemiyle gerçekleşmektedir. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yazılımlarının gelişmesi ile birlikte ısı değiştiricileri HAD yardımıyla da tasarlanabilmektedir. Bu çalışmada model olarak seçilen küçük boyutlardaki bir gövde-boru tipi ısı değiştirici tasarlanmıştır. Modellemede bir gövde, bir boru geçişli ısı değiştirici kullanılmış ve sızıntı etkileri ihmal edilmiştir. Yapılan çalışmada gövde içindeki boruların yüzey sıcaklığı sabit kabul edilmiş, sadece gövde tarafı akış analizi gerçekleştirilerek, ısı taşınım katsayısı ve akış özellikleri incelenmiştir. Farklı akış hızları, türbülans modelleri, şaşırtma levha sayıları ve şaşırtma levha kesme oranları kullanılarak gövde tarafı basınç düşümleri ve ısı taşınım katsayıları için ANSYS Fluent programında HAD analizleri yapılmış ve tek parçalı şaşırtma levhaları için elde edilen sayısal sonuçlar Kern analitik yönteminden elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Sayısal ve analitik veriler karşılaştırıldığında şaşırtma levhası kesme oranı, levhalar arası mesafe arttıkça ısı taşınım katsayısı, basınç düşümlerinin azaldığı görülmüştür. Türbülans modellerinin karşılaştırılmaları yapılıp daha iyi sonuç veren k-ε türbülans modeli diğer analizlerde kullanılmıştır.

Keywords

• Gövde–boru tipi ısı değiştirici
• hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD)
• şaşırtma levhası

References

1. Alperen MA, Kurt H, 2016. Gövde Borulu Isı Değiştiricilerinde Gövde Tarafı Isıl Performansın Belirlenmesinde Kullanılan Yöntemlerin Deneysel Verilerle Uyumluluğunun Değerlendirilmesi. IV. International Symposium on Innovative Technologies in Engineering and Science (ISITES2016), 3-5 November 2016, Antalya.
2. Buyruk E, Karabulut K, 2013. Numerical Investigation Into Heat Transfer for Three Dimensional Plate Fin Heat Exchangers with Fins Placed Perpendicular to Flow. Transactions of Famena, 37(2): 87-102.
3. Buyruk E, Karabulut K, Karabulut ÖO, 2013. Three Dimensional Numerical Investigation of Heat Transfer for Plate Fin Heat Exchangers. Heat and Mass Transfer, 49(6): 817-826.
4. Buyruk E, Karabulut K, 2015. Numerical Study of Heat Transfer Enhancement and Flow Characteristics of Three Dimensional Plate Fin Heat Exchangers. Heat Transfer Research, 46(9): 819-837.
5. Buyruk E, Karabulut K, 2018. Enhancement of Heat Transfer for Plate Fin Heat Exchangers Considering the Effects of Fin Arrangements. Heat Transfer Engineering, 39(15): 1392-1404.
6. Buyruk E, Karabulut K, 2020. Research of Heat Transfer Augmentation in Plate Fin Heat Exchangers Having Different Fin Types. Journal of Engineering Thermophysics, 29(2): 316-330.
7. Chalwa CK, Kadli N, 2013. Study of Variation for Pressure Drop and Temperature Distribution in a Shell and Tube Heat Exchanger in case of Vertical Baffle. Mechanica Confab, 2(1): 17-25.
8. Çeteci ÖM, 1999. Bilgisayar Yardımıyla Isı Değiştirici Tasarımı. İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü. Yüksek Lisans Tezi (Basılmış).

9. Jain A, 2015. Comparative Study of Different CFD Models to Evaluate Heat Transfer and Flow Parameters in STHE. International Journal of Engineering Sciences & Research Technology, 4(6): 536-547.
10. Kakac S, Lui H, 2002. Heat Exchangers. Selection, Rating and Thermal Design, CRC Press, Florida.
11. Kara Y. A, Güraras Ö, 2004. A Computer Program for Designing of Shell-and-Tube Heat Exchangers. Applied Thermal Engineering, 24(13): 1797-1805.
12. Kızılkan Ö, 2007. Gövde Borulu Bir Isı Değiştiricisinde Şaşırtma Levhasının Isı Taşınım Katsayısına ve Basınç Düşümüne Etkisinin İncelenmesi. Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 11(3): 246-251.
13. Kiran K, 2014. Investigation of Baffle Spacing Effect on Shell Side Heat Transfer Characteristics in Shell and Tube Heat Exchanger Using Computational Fluid Dynamics. Elixir Thermal Engineering, 73: 26022-26026.
14. Mukherjee R, 1998. Effectively Design Shell-and-Tube Heat Exchangers. Chemical Engineering Progress, 94: 21-37.
15. Özden E. 2007. Detailed desing of Shell-and-Tube Heat Exchangers Using CFD. Middle East Technical University Institute of Science, Master Thesis (Printed).
16. Patil CN, Bhalkikar NS, 2014. CFD Analysis of Shell and Tube Heat Exchanger to Study the Effect of Baffle Cut on the Pressure Drop and Heat Transfer Coefficient. International Journal of Engineering Sciences & Research Technology. 2(5): 649-654.
17. Tinker T, 1951. Shell-Side Characteristics Shell-and-tube Heat Exchanger. Parts 1,2 and 3, Proc. General Discussion on Heat Transfer, Institute of Mechanical Engineers. London, pp.89-116.