NUMERICAL INVESTIGATION OF THE AIR-SIDE HEAT TRANSFER AND PRESSURE DROP WITH HELICAL FINNED-TUBE HEAT EXCHANGERS

Year 2023, Volume: 26 Issue: 1, 78 - 85, 15.03.2023

Murat Göreli İshak Gökhan Aksoy

https://doi.org/10.17780/ksujes.1174750

Abstract

In this study, numerical analysis of a helical finned tube heat exchanger was performed in the Ansys-Fluent computational fluid dynamics (CFD) package program. In the numerical analysis, fluid inlet temperature and pipe outher surface temperature was defined as constant and surrounding air was used as a fluid. In the analysis, Nusselt number and friction factor were investigated according to the inlet velocities calculated in the range of 5000-20000 Re number, obtained outlet temperatures and pressure drop by changing the fin height, pipe diameter, fin thickness and fin pitch. It has been seen that increasing the pipe diameter, fin pitch increases the heat transfer, besides increasing the fin height and fin thickness decreases the heat transfer. In addition, it has been observed the fin thickness and fin pitch increases the friction factor, besides increasing the pipe diameter and fin height decreases friction factor. The verification of numerical results was done by compared the experimental results in the literature and a good agreement was observed between results.

Keywords

helical fin, heat exchanger, computational fluid dynamics

HELİSEL KANATLI BORULU ISI DEĞİŞTİRİCİLERİNDE HAVA TARAFI ISI TRANSFERİ VE BASINÇ DÜŞÜMÜNÜN SAYISAL ANALİZİ

Abstract

Bu çalışmada helisel kanatlı borulu bir ısı değiştiricisinin Ansys-Fluent hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) paket programında sayısal çözümlemesi yapılmıştır. Sayısal çözümlemede akışkan giriş sıcaklığı ve boru dış yüzey sıcaklığı sabit tanımlanmış, akışkan olarak da dış ortam havası kullanılmıştır. Analizlerde kanat yüksekliği, boru çapı, kanat kalınlığı ve kanat adımı değiştirilerek 5000-20000 Re sayısı aralığında hesaplanan giriş hızlarıyla, elde edilen çıkış sıcaklıkları ve basınç düşümüne göre Nusselt sayısı ve sürtünme faktörü incelenmiştir. Değişken parametrelerden boru çapı ve kanat adımının artması ısı transfer etkisini artırırken, kanat yüksekliğinin ve kanat kalınlığının artması ise ısı transfer etkisinin azalttığı görülmüştür. Ayrıca, kanat kalınlığı ve kanat adımının artması sürtünme etkisini artırırken, boru çapı ve kanat yüksekliğinin artması ise sürtünme etkisinin azaldığı görülmüştür. Sayısal analizin doğrulaması literatürdeki deneysel sonuçlar ile karşılaştırılarak yapılmış ve sonuçlar arasında iyi bir uyum olduğu görülmüştür.

Keywords

Helisel kanat, ısı değiştiricisi, hesaplamalı akışkanlar dinamiği

References

• Çengel, Y. (2015). Ghajar, A.J., Isı ve Kütle Transferi, Esaslar ve Uygulamalar, Vedat Tanyıldızı, İhsan Dağtekin (Çev.). Ankara: Palme Yayıncılık.
• Çorak, A. (2010). Kanatçıklı Isı Değiştiricilerinin Isıl Performanslarının Sayısal Olarak İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Kayseri 82s.
• Erek, A., Özerdem, B., Bilir, L. & _lken, Z. (2005). Effect of geometrical parameters on heat transfer and pressure drop characteristics of plate fin and tube heat exchangers, Applied Thermal Engineering, 25, 2421-2431.
• Karabulut, Ö.O. (2011). Kanatçıklı Yüzeylerde Isı Aktarımının Üç Boyutlu Sayısal Olarak İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Cumhuriyet Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Sivas 139s.
• Kayataş, N. (2003). İç İçe Borulu Isı Değiştiricisinde Isı Transferinin İyileştirilmesinin Nümerik Olarak İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Kayseri 93s.
• Kırtepe, E. (2014). Kanatlı Dairesel Borularda Isı Transfer Etkinliğinin İncelenmesi, Ege Üniversitesi, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, Yüksek Lisans Tezi, İzmir.
• Mon, M.S. & Gross, U. (2004). Numerical study of fin-spacing effects in annular-finned tube heat exchangers, International Journal of Heat and Mass Transfer, 47, 1953-1964.
• Naess, E. (2010). Experimental investigation of heat transfer and pressure drop in serrated-fin tube bundles with staggered tube layouts, Applied Thermal Engineering, 30, 1531-1537.
• Pongsoi, P., Pikulkajorn, S., Wang, C.C. & Wongwises, S. (2011). Effect of fin pitches on the air-side performance of crimped spiral fin-and-tube heat exchangers with a multipass parallel and counter cross-flow configuration, International Journal of Heat and Mass Transfer, 54, 2234-2240.
• Pongsoi, P., Pikulkajorn, S., Wang, C.C. & Wongwises, S. (2012b). Effect of number of tube rows on the air-side performance of crimped spiral fin-andtube heat exchanger with a multipass parallel and counter cross flow confuguration, International Journal of Heat and Mass Transfer, 55, 1403-1411.
• Pongsoi, P., Pikulkajorn, S. & Wongwises, S. (2012a). Experimental study on the air-side performance of a multipass parallel and counter cros-flow Lfooted spiral fin-and-tube heat exchanger, Heat Transfer Engineering, 33(15), 1251-1263.
• Pongsoi, P., Pikulkajorn, S. & Wongwises, S. (2012c). Effect of fin pitches on the optimum heat transfer performance of crimped spiral fin-and-tube heat exchangers, International Journal of Heat and Mass Transfer, 55, 6555-6566.
• Pongsoi, P., Promoppatum, P., Pikulkajorn, S. & Wongwises, S. (2013). Effect of fin pitches on the air-side performance of L-footed spiral fin-and tube heat exchangers, International Journal of Heat and Mass Transfer, 59, 75-82.
• Srisawad, K. & Wongwises, S. (2009). Heat transfer characteristics of a new helically coiled crimped spiral finned tube heat exchanger, Heat Mass Transfer, 45, 381-391.
• Şahin, H.M., Dal, A.R. & Baysal, E. (2007). 3-D Numerical study on the correlation between variable inclined fin angles and thermal behavior in plate fin-tube heat exchanger, Applied Thermal Engineering, 27, 1806-1816.