Boru Demetinde Kanat Şekilli Boru Kullanımının Entropi Üretimi ve Alan Uyum Faktörü Yönünden Sayısal Olarak İncelenmesi

Yıl 2024, Cilt: 40 Sayı: 2, 181 - 204, 31.08.2024

Muhammet Nasıf Kuru , Mehmet Özkarakoç , Şaban Ünal , Mehmet Tahir Erdinç , İlyas Karasu , Orhan Aydın

Öz

Bu çalışmada, düzgün sıralı ve kaydırılmış sıralı dizilişe sahip boru demetinde dairesel ve kanat şekilli boru kullanımı sayısal olarak incelenmiştir. Çalışmada kanat şekilli boru kullanımını, ısı transferi, basınç düşümü, entropi üretimi ve alan uyum faktörü yönünden incelenerek dairesel olana göre avantajları ve dezavantajları detaylıca tartışılmıştır. Sayısal çalışmalarda; akışın, sıkıştırılamaz, kararlı, türbülanslı ve iki boyutlu olduğu varsayılmıştır. Dairesel ve kanat şekilli boruların ısı transfer yüzey alanları eşit ve eş değer çapları D_e=22,44 mm olarak kabul edilmiştir. Soğutucu akışkan olarak hava kullanılmıştır. Reynolds sayısı (Re_g) giriş hızına bağlı olarak tanımlanmıştır ve 4000 ile 7000 aralığında değişmektedir. Hesaplama sonuçlarında kanat şekilli boru demetinin alan uyum faktörü, entropi üretimi ve basınç düşümü yönünden dairesel olana göre üstün olduğu tespit edilmiştir. Re_g=4000 ve S_T^* xS_L^*=2x2 değerlerinde alan uyum faktörü kaydırılmış sıralı dizilişe sahip kanat şekilli boru demetinde en yüksek değerdedir ve dairesel olana göre %314,93 artmıştır. Bu durumda, entropi üretimi ise %20,62, sürtünme faktörü %74,89 ve ortalama Nusselt sayısı %19,80 azalmaktadır.

Anahtar Kelimeler

BORU DEMETİ, KANAT ŞEKİLLİ BORU DEMETİ, ISI TRANSFERİ, BASINÇ DÜŞÜMÜ, ENTROPİ ÜRETİMİ, ALAN UYUM FAKTÖRÜ

Destekleyen Kurum

TÜBİTAK

Proje Numarası

121C377, 123M484

Teşekkür

Bu çalışma, TÜBİTAK BİDEB 2218 Yurtiçi Doktora Sonrası Araştırma Burs Programı tarafından 121C377 proje numarası ile ve TÜBİTAK ARDEB 1001 Araştırma Programı tarafından 123M484 proje numarası ile desteklenmektedir.

The Parametric Investigation of the Use of Wing-Shaped Tube in Tube Bank in Terms of Entropy Generation and Area Goodness Factor

Öz

In this study, the use of circular and wing-shaped tubes in tube banks with in-line and staggered arrangement is numerically investigated. Thus, the advantages and disadvantages of using a wing-shaped tube over a circular one are discussed in detail by examining heat transfer, pressure drop, entropy generation and area goodness factor. In the numerical studies, the flow is assumed to be incompressible, steady, turbulent and two dimensional. Heat transfer surface areas of circular and wing-shaped tubes are assumed to be equal and the equivalent diameter is taken as D_e=22.44 mm. Air is used as the working fluid. Reynolds number (Re_g) is defined depending on the inlet velocity and ranges from 4000 to 7000. As a result, it is found that wing-shaped tube banks are superior to circular shaped tube banks in terms of area goodness factor, entropy generation and pressure drop. In case of Re_g=4000 and S_T^* xS_L^*=2x2 values, area goodness factor is the highest for the wing-shaped tube bank with staggered arrangement and increases by 314.93% compared to the circular one. In this case, the entropy production decreases by 20.62%, the friction factor by 74.89% and the average Nusselt number by 19.80%.

Anahtar Kelimeler

TUBE BANK, WING-SHAPED TUBE, HEAT TRANSFER, PRESSURE DROP, ENTROPY GENERATION, AREA GOODNESS FACTOR

Proje Numarası

121C377, 123M484

Kaynakça

• Hilpert, R., 1933. Waermeabgabe Von geheizten Rohren and Graehten. Forschung Auf Dem Gebeit Des Ingenieurwesens, 4(1933), 1027-1038.
• Grimison, E. D., 1937. Correlation and Utilization of New Data on Flow Resistance and heat Transfer for Cross Flow of Gases over Tube Banks. Trans. ASME., 59(1937), 583-594.
• Bergelin, O. P., Brown, G. A., Hull, H. L., Sullivan, F. W., 1950. Heat Transfer and Fluid Friction during Viscous Flow across Banks of Tubes-III: A Study of Tube Spacing and Tube Size. Trans. A. Sot. Mech. Engrs., 72(1950), 881-888.
• Bergelin, O. P., Brown, G. A., Doberstein, S. C., 1952. Heat Transfer and Fluid Friction during Flow across Banks of Tubes-IV: A Study of the Transition Zone between Viscous and Turbulent Row. Trans. A. Sot. Mech. Engrs., 74(1952), 953-960. Žukauskas, A. 1972. Heat Transfer from Tubes in Crossflow. Advances in Heat Transfer, 8(1972), 93–160. Žukauskas, A., Ulinskas, R., 1985. Efficiency parameters for heat transfer in tube banks. Heat Transfer Engineering, 6(1985), 19-25.
• El-Shaboury, A. M. F., Ormiston, S. J., 2005. Analysis of Laminar Forced Convection of Air Crossflow in In-Line Tube Banks with Nonsquare Arrangements. Numerical Heat Transfer, 48(2005), 99-126.
• Khan, W. A., Culham, J. R., & Yovanovich, M. M., 2006. Convection heat transfer from tube banks in crossflow: Analytical Approach. International Journal of Heat and Mass Transfer, 49(2006), 4831–4838.
• Gaddis, E. S., 2010. Pressure Drop of Tube Bundles in Cross Flow. VDI Heat Atlas, Berlin (2010), 1076-1091.
• Yılmaz, A., Yılmaz, T., 2016. Çapraz Akışlı Paralel Borulu Boru Demetinde Entropi Üretiminin Analitik ve Deneysel Olarak İncelenmesi. Çukurova Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 31(2016), 223- 230. Horvart, A., Leskovar, M., Mavko, B., 2006. Comparison of Heat Transfer Condition in Tube Bundle Cross-Flow for Different Tube Shapes. International Journal of Heat and Mass Transfer, 49(2006), 1027-1038.
• Bayat, H., Lavasani, A. M., Maarefdoost, T., 2014. Experimental Study of Thermal-Hydraulic Performance of Cam-Shaped Tube Bundle with Staggered Arrangement. Energy Conversion and Management, 85(2014), 470- 476. Mangrulkar, C. K., Dhoble, A. S., Deshmukh, A. R., Mandavgane, S. A., 2017. Numerical Investigation of Heat transfer and Friction Factor Characteristics from In-Line Cam Shaped Tube Bank in Crossflow. Appl. Therm. Eng., 110(2017), 521-538.
• Khan, W. A., Culham, J. R., Yovanovich, M. M., 2004. Fluid Flow and Heat Transfer from Elliptical Cylinder: Analytical Approach. 37th AIAA Thermophys. Conf., 19(2004).
• Sayed Ahmed, S. A. E., Mesalhy O. M., Khass, T. M., Hassan, A. H. 2012. Parametric Study of Air Cooling Process via Water Cooled Bundle of Wing-Shaped Tubes. Egyptian International Journal of Engineering Sciences and Technology, 15(2012), 1172-1184.
• Fluent, A. (2021). Ansys fluent theory guie. In ANSYS Inc., USA. Kuru, M. N., Erdinç, M. T., Karasu, İ., Ünal, Ş. 2023. Boru Demeti Isı Değiştiricilerinde Farklı Boru Çapı Kullanımının Akış ve Isı Transferini İyileştirmeye Etkisi. Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 26(2023), 625-636.
• Aslan, E., Taymaz, İ., Çakır, K., Eker Kahveci, E. 2023. Numerical and Experimental Investigation of Tube Bundle Heat Exchanger Arrangement Effect on Heat Transfer Performance In Turbulent Flows. Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 43(2023), 175-190. Khan, W. A., Culham, J. R., Yovanovich, M. M. 2007. Optimal Design of Tube Banks in Crossflow Using Entropy Generation Minimization Method. Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 21(2007), 372-378.