Investigation of the Impact of Porous Structure Geometry and Flow Characteristics on Heat Transfer Effectiveness in a Shell-and-Tube Heat Exchanger

Bu çalışma, laminer akış koşulları altında çalışan bir gövde-borulu ısı değiştiricisinde Reynolds sayısı, akışkan giriş sıcaklığı, gözeneklilik oranı ve gözenekli tabaka kalınlığının ısı transfer etkinliği üzerindeki etkilerini incelemektedir. Bu çalışmanın temel amacı, belirlenen parametrelerin ısıl performansı nasıl etkilediğini belirlemek ve ısı transfer etkinliğini artırmadaki rollerini açık bir şekilde ortaya koymaktır. İncelenen parametreler; Reynolds sayıları 1000, 2000, 3000 ve 4000; giriş sıcaklıkları 25°C, 30°C, 35°C ve 40°C; gözeneklilik oranları 0.5, 0.6, 0.8 ve 0.9; ve gözenekli tabaka kalınlıkları 5/80, 10/80, 15/80 ve 20/80 olarak belirlenmiştir. Deneysel verilerle doğrulanan sayısal model, Re = 1000 için 40°C’deki saf suyun ısı transfer etkinliğinin 25°C’deki saf suya göre %1,1 daha yüksek olduğunu, bu farkın Re = 4000’de %1,9’a yükseldiğini göstermiştir. Giriş sıcaklığı 25°C’den 40°C’ye artırıldığında, her Re değeri için etkinlikte ortalama %1,7’lik bir artış elde edilmiştir. Giriş sıcaklığı sabit tutulduğunda, Reynolds sayısının 1000’den 4000’e yükseltilmesi ısı transfer etkinliğini %12,8 oranında artırmıştır. Sonuçlar, tüm Re değerlerinde ısı transfer etkinliğinin (ε) akışkan giriş sıcaklığıyla birlikte arttığını doğrulamaktadır. Ayrıca, Re = 1000 için gözeneklilik oranı Φ = 0,9 olan boruların ısı transfer etkinliği, 0,5 oranına sahip borulara göre aynı sıcaklıkta %1,3 daha yüksektir. Benzer şekilde, L/D (gözenekli yapı kalınlığı/boru çapı) oranı 20/80 oranındaki gözenekli yapı, 5/80 oranındaki yapıya kıyasla %2,2 daha yüksek etkinlik sağlamaktadır. Bu bulgular, gözeneklilik oranı ve gözenekli tabaka kalınlığının yanı sıra akış ve sıcaklık parametrelerinin optimize edilmesiyle ısı transfer performansının önemli ölçüde iyileştirilebileceğini göstermektedir. Elde edilen sonuçlar, gelecekte daha yüksek ısıl etkinliğe ve enerji verimliliğine sahip gövde-borulu ısı değiştiricilerin tasarlanabileceğini ortaya koymaktadır.

The present study investigates the effects of Reynolds number, fluid inlet temperature, porosity ratio, and porous thickness on the heat transfer effectiveness of a shell-and-tube heat exchanger operating under laminar flow conditions. The primary objective of the study is to determine how these parameters influence thermal performance and to establish a clear understanding of their roles in enhancing heat transfer effectiveness. The investigated parameters are Reynolds numbers of 1000, 2000, 3000, and 4000; inlet temperatures of 25°C, 30°C, 35°C, and 40°C; porosity ratios of 0.5, 0.6, 0.8, and 0.9; and porous thicknesses of 5/80, 10/80, 15/80, and 20/80. Numerical model validated by experimental data shows that at Re = 1000, the heat transfer effectiveness of pure water at 40°C is 1.1% higher than that at 25°C, while this difference increases to 1.9% at Re = 4000. When the inlet temperature is raised from 25°C to 40°C, the average enhancement in effectiveness is 1.7% for each Re value. At constant inlet temperature, increasing the Reynolds number from 1000 to 4000 improves the heat transfer effectiveness by 12.8%. The results confirm that heat transfer effectiveness (ε) increases with fluid inlet temperature across all Re values. Furthermore, at Re = 1000, a porosity ratio of Φ = 0.9 yields 1.3% higher effectiveness compared to 0.5 at the same temperature. Similarly, for porous thickness L/D (porous thickness/pipe diameter), a structure with 20/80 provides 2.2% higher effectiveness than 5/80 under identical conditions. These findings demonstrate that optimizing porosity and porous thickness, along with flow and temperature parameters, can significantly enhance heat transfer performance. The results indicate that shell-and-tube heat exchangers with porous inserts can be designed to achieve higher thermal effectiveness and improved energy efficiency in future applications.