Boru İçerisine Yerleştirilen Gözenekli Bir Kanatçığın Akışkan Akışı ve Sıcaklığına Etkisinin Sayısal Olarak İncelenmesi

Abstract

İnsanlar günlük yaşantılarında sürekli olarak enerji tüketmektedirler. İnsanlar kullandıkları, cihazlarda, taşıtlarda vb. enerjinin verimli olarak kullanılmasını talep etmektedirler. Enerji verimliliği sadece insanların kullandığı araç ve gereçlerde değil enerjinin üretilip kullanıldığı tüm sektörlerde önemlidir. Isıtma ve soğutma işlemleri için kullanılan donanımlardan birisi de ısı değiştiricilerdir. Çeşitli tiplerde farklı amaçlar için kullanılan ısı değiştiriciler mevcuttur. Bu çalışmada eş eksenli çift borulu bir ısı değiştirici ele alınmıştır. İçteki boru içerisine eklenen kanatçık ile ısı transferinin artırılması amaçlanmıştır. Bu çalışmada, boru içinden geçen havanın ısıtılması için yapılan gözenekli bir kanatçığın yakma havasının akışına ve sıcaklığına olan etkisi incelenmiştir. Kanatçığın yüksekliğinin etkisi (h =3 mm, 5 mm, 7 mm), gözenekliliği ( = 0.1, 0.2, 0.3), akışın laminer (Re = 100, 250, 500) ve türbülanslı (Re = 25000, 45000, 60000) olma durumu incelenmiştir. Yapılan bu çalışmada elde edilen sonuçlar incelendiğinde, sürtünme faktörünün akış hızı ile azaldığı, kanatçık yüksekliğinin artışı ile arttığı görülmüştür. Laminer şartlarda akış hızının artışı ile sıcaklık farkı azalırken, türbülanslı akışlarda ise kanatçık yüksekliğinin artışı ile sıcaklık farkının arttığı belirlenmiştir.

Keywords

• Boru
• hesaplamalı akışkanlar dinamiği
• ısıtma
• kanatçık

Numerical Investigation of the Effects of a Porous Fin Placed Into the Pipe on Fluid Flow and Temperature

Abstract

Energy is consumed continuously by people in their daily lives. People use energy in the devices, vehicles, etc. they demand efficient use of energy. Energy efficiency is important not only in the tools and equipment used by people, but also in all sectors where energy is produced and used. One of the equipment used for heating and cooling processes is heat exchangers. There are various types of heat exchangers used for different purposes. In this study, a double pipe heat exchanger is considered. It is aimed to increase the heat transfer with the fin added to the inner tube. In this study, the effect of a porous fin made for heating the air passing through the pipe on the flow and temperature of the combustion air was investigated. The effect of the height of the fin (h =3 mm, 5 mm, 7 mm), its porosity (= 0.1, 0.2, 0.3), and the laminar (Re = 100, 250, 500) and turbulent (Re = 25000, 45000, 60000) flow have been investigated. When the friction factor is examined, it decreases with the flow velocity and increases with the height of the fin. While the flow velocity and temperature difference decreases under laminar conditions, the height of the blade increases with the temperature difference in turbulent flows.

Keywords

• Pipe
• fin
• computational fluid dynamics
• heating

References

1. [1] Alkam M.K. and Al-Nimr M.A., “Improving the performance of double-pipe heat exchangers by using porous substrates”, International Journal of Heat and Mass Transfer, 42, 19: 3609-3618, (1999).
2. [2] Dinler N. and Yucel N., “Flow and heat transfer in a pipe with a fin attached to inner wall”, Heat Mass Transfer , 43:817–825, (2007).
3. [3] Pavel B.I. and Mohamad A.A., “An experimental and numerical study on heat transfer enhancement for gas heat exchangers fitted with porous media”, International Journal of Heat and Mass Transfer, 47, 23: 4939-4952, (2004).
4. [4] Mahjoob S. and Vafai K., “A synthesis of fluid and thermal transport models for metal foam heat exchangers”, International Journal of Heat and Mass Transfer, 51, 15–16: 3701-3711, (2008).
5. [5] Boomsma K., Poulikakos D. and Zwick F., “Metal foams as compact high performance heat exchangers”, Mechanics of Materials, 35, 12: 1161-1176, (2003).
6. [6] Hayes A.M., Khan J.A., Shaaban A.H. and Spearing I.G., “The thermal modeling of a matrix heat exchanger using a porous medium and the thermal non-equilibrium model”, International Journal of Thermal Sciences, 47, 10, 1306-1315, (2008).
7. [7] Targui N. and Kahalerras H., “Analysis of fluid flow and heat transfer in a double pipe heat exchanger with porous structures”, Energy Conversion and Management, 49, 11: 3217-3229, (2008).
8. [8] Ejlali A., Ejlali A., Hooman K. and Gurgenci H., “Application of high porosity metal foams as air-cooled heat exchangers to high heat load removal systems”, International Communications in Heat and Mass Transfer, 36, 7: 674-679, (2009).

9. [9] Gorman J.M., Krautbauer K.R. and Sparrow E.M, “Thermal and fluid flow first-principles numerical design of an enhanced double pipe heat exchanger”, Applied Thermal Engineering, 107: 194-206, (2016).
10. [10] Shirvan K.M., Ellahi R., Mirzakhanlari S. and Mamourian M., “Enhancement of heat transfer and heat exchanger effectiveness in a double pipe heat exchanger filled with porous media: Numerical simulation and sensitivity analysis of turbulent fluid flow”, Applied Thermal Engineering, 109: 761-774, (2016).
11. [11] Shirvan K.M., Mirzakhanlari S., Kalogirou S.A., Öztop H.F. and Mamourian M., “Heat transfer and sensitivity analysis in a double pipe heat exchanger filled with porous medium”, International Journal of Thermal Sciences, 121: 124-137, (2017).
12. [12] Nasr A., “Heat and mass transfer for liquid film condensation along a vertical channel covered with a thin porous layer”, International Journal of Thermal Sciences, 124: 288-299, (2018).
13. [13] Pour-Fard P.D., Afshari E., Ziaei-Rad M. and Taghian-Dehaghani S., “A numerical study on heat transfer enhancement and design of a heat exchanger with porous media in continuous hydrothermal flow synthesis system”, Chinese Journal of Chemical Engineering, 25, 10: 1352-1359, (2017).
14. [14] Salehpour A., Salehi S., Salehpour S. and Ashjaee M., “Thermal and hydrodynamic performances of MHD ferrofluid flow inside a porous channel”, Experimental Thermal and Fluid Science, 90: 1-13, (2018).
15. [15] Sayar E., “Heat transfer from an oscillated vertical annular fluid column through a porous domain: a thermodynamic analysis of the experimental results”, Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 37, 2: 1-12, (2017).
16. [16] Baysal, E., “Eşmerkezli Boru Tipli Isı Değiştiricilerinde Deneysel ve Sayısal Isı Transferi Sonuçlarının Karşılaştırılması”, Politeknik Dergisi, 11, 4: 345-352, (2008).
17. [17] Versteeg H. K. and Malalasekera W. “An Introduction to Computational Fluid Dynamics, The Finite Volume Method”, Addison Wesley Longman, (1995).
18. [18] Shih T.-H., Liou W.W., Shabbir A., Yang Z. and Zhu J., “A new k-ϵ eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows”, Computers & Fluids, 24, 3: 227-238, (1995).
19. [19] Ansys Fluent Theory Guide, (2020).