Investigation of the thermal-hydraulic properties of a l-footed spiral finned tube heat exchanger and derivation of new empirical correlations

Öz

The aim of this study is to investigate the thermal hydraulic properties of the l-footed spiral fin-and-tube heat exchanger and to derive empirical correlations giving the Colburn j factor and the Fanning f friction factor. In the cross-flow heat exchanger, the rows of tubes were arranged staggered in the direction of the air flow. Under constant water inlet volumetric flow rate (2.3 l/min) and ambient air conditions, experimental study was carried out for seven different water inlet temperatures (40 °C to 70 °C) and air inlet velocity (3.40 m/s to 7.90 m/s). The temperature effectiveness-the number of transfer units (P-NTU) method with one fluid mixed and one fluid unmixed was employed to determine the overall heat transfer coefficient. The nonlinear least squares method was used for regression analysis. Reynolds number ranged from 9043 to 21579. As a result of the study, average heat transfer, P1 and P2 temperature effectiveness, overall heat transfer coefficient, fin efficiency, total surface efficiency, heat transfer coefficient, Nusselt number, Colburn j-factor, pressure drop and Fanning f-friction factor values were obtained. Using experimental findings, air side Colburn j factor and Fanning f friction factor correlations were obtained. Dimensionless maximum temperature difference (DMTD) has been proposed as a new parameter to add the effect of water inlet temperature to the Reynolds number-Colburn j factor relationship. Adding DMTD to the Colburn j factor -Re number relationship increased the correlation coefficient (r) from 0.717 to 0.965.

Anahtar Kelimeler

• L-footed spiral fin
• P-NTU method
• heat exchanger
• Colburn j factor
• Fanning f-friction factor.

L-ayaklı spiral kanatlı borulu ısı değiştiricisinin ısıl hidrolik özelliklerinin araştırılması ve yeni deneysel bağıntıların türetilmesi

Öz

Bu çalışmanın amacı l-ayaklı spiral kanatlı borulu ısı değiştiricisinin ısıl hidrolik özelliklerinin araştırılması ve Colburn j faktörü ile Fanning f sürtünme faktörünü veren deneysel bağıntıların türetilmesidir. Çapraz akışlı ısı değiştiricisinde boru sıraları hava akış yönünde kaydırılmış olarak düzenlenmiştir. Sabit su giriş hacimsel debisi (2,3 l/min) ve çevre havası koşullarında, yedi farklı su giriş sıcaklığı (40 °C ila 70 °C) ve hava giriş hızı (3,40 m/s ila 7,90 m/s) için deneyler gerçekleştirilmiştir. Toplam ısı geçiş katsayısının eldesinde, bir akışkanın karıştığı diğerinin karışmadığı sıcaklık etkinliği-geçiş birimi sayısı (P-NTU) yöntemi kullanılmıştır. Regresyon analizi için doğrusal olmayan (nonlineer) en küçük kareler yöntemi uygulanmıştır. Reynolds sayısı 9043 ila 21579 aralığında değişmiştir. Çalışma sonucunda ortalama ısı geçişi, P1 ve P2 sıcaklık etkinliği, toplam ısı geçiş katsayısı, kanat verimi, toplam yüzey verimi, ısı taşınım katsayısı, Nusselt sayısı, Colburn j faktörü, basınç düşümü ve Fanning f sürtünme faktörü değerleri elde edilmiştir. Deneysel bulgular kullanılarak hava tarafı Colburn j faktörü ve Fanning f sürtünme faktörü bağıntıları elde edilmiştir. Reynolds sayısı-Colburn j faktörü ilişkisine su giriş sıcaklığının etkisini, önerilen bağıntılara eklemek için yeni bir parametre olarak boyutsuz maksimum sıcaklık farkı (BMSF) önerilmiştir. Colburn j faktörü -Re sayısına ilişkisine BMSF’nin eklenmesi, korelasyon katsayısını (r) 0,717’den 0,965’e yükseltmiştir.

Anahtar Kelimeler

• L-ayaklı spiral kanat
• P-NTU yöntemi
• ısı değiştiricisi
• Colburn j faktörü
• Fanning f sürtünme faktörü

Teşekkür

Bu çalışma Ege üniversitesinde “Spiral kanatlı-borulu ısı değiştiricilerin ısıl-hidrolik özelliklerinin incelenmesi” başlıklı doktora tezinden türetilmiştir.

Kaynakça

1. 1. Incropera, F.P., DeWitt, D.P., Isı ve Kütle Geçişinin Temelleri, (Çev. T. Derbentli, O. F. Genceli, A. Güngör, A. Hepbaşlı, Z. İlken, N. Özbalta, F. Özgüç, C. Parmaksızoğlu ve Y. Uralcan), Literatür Yayınları, 51, İstanbul, Türkiye, 2007.
2. 2. Pongsoi, P., Promoppatum, P., Pikulkajorn, S., Wongwises, S., Effect of fin pitches on the air-side performance of l-footed spiral fin-and-tube heat exchangers, Int. J. Heat Mass Transfer, 59, 75–82, 2013.
3. 3. Kırtepe, E., Özbalta, N., Experimental investigation of heat transfer and friction characteristics in l-footed spiral fin-tube banks, European Journal of Science and Technology, Special Issue, 38–44, 2018.
4. 4. Jiang, H.F., Wu, C.W., Ping, Y., Experimental investigation of heat transfer and flowing resistance for air flow cross over spiral finned tube heat exchanger, Energy Procedia, 17, 741–749, 2012.
5. 5. Lee, M., Kang, T., Kim, Y., Air-side heat transfer characteristics of spiral-type circular fin-tube heat exchangers, Int. J. Refrig., 33, 313–320, 2010.
6. 6. Genic, S.B., Jacimovic, B.M., Soto, G., Latinovic, B.R., Research on air pressure drop in helically-finned tube heat exchangers, Appl. Therm. Eng., 26, 478–485, 2006.
7. 7. Krupiczka, R., Rotkegel, A., Walczyk, H., Dobner, L., An experimental study of convective heat transfer from extruded type helical finned tubes, Chemical Engineering and Processing, 42, 29–38, 2003.
8. 8. Keawkamrop, T., Mesgarpour, M., Dalkılıç, A.S., Ahn, H.S., Mahian, O., Wongwises, S., Effect of the segmented fin height on the air-side performance of serrated welded spiral fin-and-tube heat exchangers, Case Stud. Therm. Eng., 35, 102128, 2022.

9. 9. Kiatpachai, P., Keawkamrop, T., Mesgarpour, M., Ahn, H.S., Dalkılıç, A.S., Mahian, O., Wongwises, S., Air-side performance of embedded and welded spiral fin and tube heat exchangers, Case Stud. Therm. Eng., 30, 101721, 2022.
10. 10. Yuan, M., Liu, G., Zhang, X., Zhang, W., Yang, Y., Song, JH., Lim, HC., Heat transfer enhancement for spiral finned tubes with triangular winglets, Int. J. Heat Mass Transfer, 205, 123918, 2023.
11. 11. Kiatpachai, P., Pikulkajorn, S., Wongwises, S., Air-side performance of serrated welded spiral fin-and-tube heat exchangers, Int. J. Heat Mass Transfer, 85, 724–732, 2015.
12. 12. Naess, E., Experimental investigation of heat transfer and pressure drop in serrated-fin tube bundles with staggered tube layouts, Appl. Therm. Eng., 30,1531–1537, 2010.
13. 13. Nuntaphan, A., Kiatsiriroat, T., Wang, C.C., Heat transfer and friction characteristics of crimped spiral finned heat exchangers with dehumidification, Appl. Therm. Eng., 25, 327–340, 2005.
14. 14. Nuntaphan, A., Kiatsiriroat, T., Wang, C.C., Air side performance at low Reynolds number of cross-flow heat exchanger using crimped spiral fins, Int. Commun. Heat Mass Transfer, 32, 151–165, 2005.
15. 15. Keawkamrop, T., Asirvatham, L.G., Dalkılıç, A.S., Ahn, H.S., Mahian, O., Wongwises, S., An experimental investigation of the air-side performance of crimped spiral fin-and-tube heat exchangers with a small tube diameter, Int. J. Heat Mass Transfer, 178, 121571, 2021.
16. 16. Wang, C.C., Chi, K.Y., Chang, C.J., Heat transfer and friction characteristics of plain fin-and-tube heat exchangers, part II: Correlation, Int. J. Heat Mass Transfer, 43, 2693–2700, 2000.
17. 17. Abu Madi, M., Johns, R.A., Heikal, M.R., Performance characteristics correlation for round tube and plate finned heat exchangers, Int J. Refrig., 21 (7), 507–517, 1998.
18. 18. Wang, C. C., Lee, W.S., Sheu, W. J., A comparative study compact enhanced fin-and-tube heat exchangers, Int. J. Heat Mass Transfer, 44, 3565–3573, 2001.
19. 19. Tang, L.H., Zeng, M., Wang, Q.W., Experimental and numerical investigation on air-side performance of fin-and-tube heat exchangers with various fin patterns, Exp. Therm Fluid Sci., 33, 818–827, 2009.
20. 20. Kim, Y., Kim, Y., Heat transfer characteristics of flat plate finned-tube heat exchangers with large fin pitch, Int. J. Refrig., 28, 851–858, 2005.
21. 21. Kong, Y. Q., Yang, L. J., Du, X. Z., Yang, Y. P., Effects of continuous and alternant rectangular slots on thermo-flow performances of plain finned tube bundles in in-line and staggered configurations, Int. J. Heat Mass Transfer, 93, 97–107, 2016.
22. 22. Xie, G., Wang, Q., Sunden, B., Parametric study and multiple correlations on air-side heat transfer and friction characteristics of fin-and-tube heat exchangers with large number of large-diameter tube rows, Appl. Therm. Eng., 29, 1–16, 2009.
23. 23. Ömeroğlu, G., Farklı tipte kanatçıkların çapraz akışlı ısı değiştiricisinde deneysel olarak incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Atatürk Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Erzurum, 2007.
24. 24. Bilen, K., Akyol, U., Yapici, S., Heat transfer and friction correlations and thermal performance analysis for a finned surface, Energy Conversion and Management, 42, 1071–1083, 2001.
25. 25. Kotcioglu, I., Khalaji, M. N., Cansiz, A., Heat transfer analysis of a rectangular channel having tubular router in different winglet configurations with Taguchi method, Appl. Therm. Eng., 132, 637-650, 2018.
26. 26. Colak, A. B., Kotcioglu, I., Khalaji, M. N., Tree shaped in channels parallel and counter flow through heat exchanger heat transfer and flow investigation of characteristic, Hittite Journal of Science and Engineering, 5, 33-49, 2018.
27. 27. Tekin, Y., Bilgili, M., Numerical and experimental investigation of fin height effect in plug-in modules cooled by direct airflow through method, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 39 (4), 2617–2630, 2024.
28. 28. Köse, U., Öğüt, E., Heat exchanger design and CFD analysis for milk powder production process needs in a milk factory, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 38 (4), 2119-2132, 2023. 29. Burgess, W.A, Ellenbecker, M.J., Treitman, R.D, Ventilation for Control of the Work Environment, John Willey & Sons, Inc., USA, 2004.
29. 30. Şenoğlu, B., Acıtaş, Ş., İstatistiksel Deney Tasarımı: Sabit Etkili Modeller, Nobel Akademik, Ankara, Türkiye, 2014.
30. 31. Erbaş, S.O., Olmuş, H., Deney Düzenleri ve İstatistik Analizleri, Gazi Kitabevi, Ankara, Türkiye, 2006.
31. 32. Mazmanoğlu, A., Deney Tasarımı ve Genelleştirilmiş Ters Matrislerle İstatistik Analiz Yöntemleri, Nobel Akademik, Ankara, Türkiye, 2014.
32. 33. Çengel, Y.A., Boles, M.B., Termodinamik Mühendislik Yaklaşımıyla (Beşinci Baskı), (Çev. A. Pınarbaşı, E. Buyruk, Ç. Özalp, A. Bilgin, H. Günerhan ve S. Basan), İzmir Güven Kitabevi, İzmir, Türkiye, 2008.
33. 34. Shah, R.K., Sekulić D.P., Fundamentals of Heat Exchanger Design, John Wiley and Sons, New Jersy, USA, 2003. 35. Kakaç, S., Liu H., Heat Exchanger Selection, Rating and Thermal Design, CRC Press, Boca Raton, Florida, USA, 2002.
34. 36. Kraus, A.D, Aziz, A., Welty, J., Extended Surface Heat Transfer, A Wiley-Interscience Publication, New York, USA, 2001.
35. 37. Yılmaz, R., Spiral kanatlı-borulu ısı değiştiricilerin ısıl-hidrolik özelliklerinin incelenmesi, Doktora Tezi, Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir, 2023.
36. 38. Kays, V. M., London, A.L., Compact Heat Exchangers (Second Edition), McGraw-Hill, New York, USA, 1964. 39. Sadıkhov, E., Kangı, R., Uğur, S., Ölçüm Belirsizliği, Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME), Türkiye, 1995.
37. 40. Demirpolat, A.B., Etilen glikol bazlı nanoakışkanların üretilmesi, viskozite ve termal özelliklerinin deneysel incelenmesi, Doktora Tezi, Fırat Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Elâzığ, 2018.
38. 41. Kırtepe, E., Özbalta, N., Kanatlı-borulu ısı değiştiricilerde belirsizlik analizi, DÜMF Mühendislik Dergisi, 9 (1), 161–175, 2018.
39. 42. Kırtepe, E., Yılmaz, R., Özbalta, N., Eğimli Güneş Bacasının Matematiksel Modellenmesi ve Optimum Eğim Açısının Bulunması, 4. Uluslararası Katılımlı Anadolu Enerji Sempozyumu, Edirne-Türkiye, 2003–2015, 18-20 Nisan, 2018.
40. 43. Rehman, S., Empirical model development and comparison with existing correlations, Appl. Energy, 64, 369–378, 1999.
41. 44. Demir, İ., SPSS ile İstatistik Rehberi, Efe Akademi Yayınları, İstanbul, Türkiye, 2020.
42. 45. Pongsoi P., Pikulkajorn, S., Wongwises S., Heat transfer and flow characteristics of spiral fin-and-tube heat exchangers: A review, Int. J. Heat Mass Transfer, 79, 417–431, 2014.
43. 46. Nuntaphan, A., Kiatsiriroat, T., Thermal behavior of spiral fin-and-tube heat exchanger having fly ash deposit, Exp. Therm Fluid Sci., 31, 1103–1109, 2007.
44. 47. Lee, S.H., Lee, M., Yoon, W.J., Kim, Y., Frost growth characteristics of spirally-coiled circular fin-tube heat exchangers under frosting conditions, Int. J. Heat Mass Transfer, 64, 1–9, 2013.
45. 48. Briggs, D.E., Young, E.H., Convective heat transfer and pressure drop of air flowing across triangular pitch banks of finned tubes, 427–429, 1963, Heat transfer and flow characteristics of spiral fin-and-tube heat exchangers: A review, P. Pongsoi, S. Pikulkajorn, S. Wongwises (Eds.), Int. J. Heat Mass Transfer, 79, 417–431, 2014.
46. 49. Wang, C.C., Chang, C.T., Heat and mass transfer for plate fin-and-tube heat exchangers, with and without hydrophilic coating, Int. J. Heat Mass Transfer, 41, 3109–3120, 1998.
47. 50. Pongsoi, P., Pikulkajorn, S., Wang, C.C., Wongwises, S., Effect of number of tube rows on the air-side performance of crimped spiral fin-and-tube heat exchanger with a multipass parallel and counter cross-flow configuration, Int. J. Heat Mass Transfer, 55, 1403–1411, 2012.
48. 51. Robinson K.K., Briggs D.E., Pressure drop of air flowing across triangular pitch banks of finned tubes, 427–429, 1966, Heat transfer and flow characteristics of spiral fin-and-tube heat exchangers: A review, P. Pongsoi, S. Pikulkajorn, S. Wongwises (Eds.), Int. J. Heat Mass Transfer, 79, 417–431, 2014.
49. 52. Wang, C.C., Chang, Y.J., Hsieh, Y.C., Lin, Y.T., Sensible heat and friction characteristics of plate fin-and-tube heat exchangers having plane fins, Int J. Refrig., 19 (4), 223–230, 1996.
50. 53. ASHRAE STANDARS 33-78, Methods of Testing Forced Circulation Air Cooling and Air Heating Coils, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, INC., Atalanta, USA, 1978.
51. 54. Pongsoi, P., Pikulkajorn, S., Wongwises, S., Experimental study on the air-side performance of a multipass parallel and counter cross-flow l-footed spiral fin-and-tube heat exchanger, Heat Transfer Eng., 33 (15), 1251–1263, 2012.
52. 55. Kiatpachai, P., Keawkamrop, T., Asirvatham, L.G., Mesgarpour, M., Dalkılıç, A.S., Ahn, H.S., Mahian, O., Wongwises, S., An experimental study of the air-side performance of a novel louver spiral fin-and-tube heat exchanger, Alexandria Eng. J., 61, 9811–9818, 2022.
53. 56. VDI Heat Atlas, Second Edition “VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen”, Springer, Verlag Berlin Heidelberg, Germany, 2010.