Gövde Borulu Bir Isı Değiştiricide Gözenekli Yapı Geometrisi ve Akış Özelliklerinin Isı Transferi Etkinliği Üzerindeki Etkisinin İncelenmesi

Yıl 2025, Cilt: 9 Sayı: 2, 201 - 210, 29.12.2025

Mahir Şahin , Mustafa Kılıç , Murat Gökçek

https://doi.org/10.46460/ijiea.1803466

https://izlik.org/JA78EF46CT

Öz

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.

Anahtar Kelimeler

Re sayısı , gözenekli yapı , ısı değiştiricisi , akışkan akımı

Etik Beyan

Bu çalışma, herhangi bir insan katılımcı, hayvan ya da etik kurul onayı gerektiren veri içermemektedir. Bu nedenle, bu araştırma için etik kurul onayı gerekli değildir.

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

https://izlik.org/JA78EF46CT

Öz

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.

Anahtar Kelimeler

Re number , porous structure , heat exchanger , fluid flow

Etik Beyan

This study does not involve any human participants, animals, or data requiring ethics committee approval. Therefore, ethical approval was not required for this research.

Kaynakça

• Mohammadi, M. H., Abbasi, H. R., Yavarinasab, A., & Pourrahmani, H. (2020). Thermal optimization of shell and tube heat exchanger using porous baffles. Applied Thermal Engineering, 170, 115005.
• Rashidian, S., & Tavakoli, M. R. (2017). Using porous media to enhancement of heat transfer in heat exchangers. International Journal of Advanced Engineering, Management and Science, 3(11), 239937.
• Abbasi, H. R., Sedeh, E. S., Pourrahmani, H., & Mohammadi, M. H. (2020). Shape optimization of segmental porous baffles for enhanced thermo-hydraulic performance of shell-and-tube heat exchanger. Applied Thermal Engineering, 180, 115835.
• Tian, H., Zhao, T., Shi, L., Chen, T., Ma, X., Zhang, H., & Shu, G. (2020). Assessment and optimization of exhaust gas heat exchanger with porous baffles and porous fins. Applied Thermal Engineering, 178, 115446.
• Wang, X., Zheng, N., Liu, Z., & Liu, W. (2018). Numerical analysis and optimization study on shell-side performances of a shell and tube heat exchanger with staggered baffles. International Journal of Heat and Mass Transfer, 124, 247-259.
• Rad, S. E., Afshin, H., & Farhanieh, B. (2015). Heat transfer enhancement in shell-and-tube heat exchangers using porous media. Heat Transfer Engineering, 36(3), 262-277.
• Marzouk, S. A., Abou Al-Sood, M. M., El-Said, E. M., Younes, M. M., & El-Fakharany, M. K. (2023). A comprehensive review of methods of heat transfer enhancement in shell and tube heat exchangers. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 148(15), 7539-7578.
• You, Y., Fan, A., Lai, X., Huang, S., & Liu, W. (2013). Experimental and numerical investigations of shell-side thermo-hydraulic performances for shell-and-tube heat exchanger with trefoil-hole baffles. Applied Thermal Engineering, 50(1), 950-956.
• Bichkar, P., Dandgaval, O., Dalvi, P., Godase, R., & Dey, T. (2018). Study of shell and tube heat exchanger with the effect of types of baffles. Procedia Manufacturing, 20, 195-200.
• Wen, J., Yang, H., Wang, S., Xue, Y., & Tong, X. (2015). Experimental investigation on performance comparison for shell-and-tube heat exchangers with different baffles. International Journal of Heat and Mass Transfer, 84, 990-997.
• Wang, X., Zheng, N., Liu, Z., & Liu, W. (2018). Numerical analysis and optimization study on shell-side performances of a shell and tube heat exchanger with staggered baffles. International Journal of Heat and Mass Transfer, 124, 247-259.
• Chen, J., Zhao, P., Wang, Q., & Zeng, M. (2021). Experimental investigation of shell-side performance and optimal design of shell-and-tube heat exchanger with different flower baffles. Heat Transfer Engineering, 42(7), 613-626. Nie, C., Chen, Z., Liu, X., Li, H., Liu, J., & Rao, Z. (2024). Design of metal foam baffle to enhance the thermal-hydraulic performance of shell and tube heat exchanger. International Communications in Heat and Mass Transfer, 159, 108005.
• Cao, Y., Ke, H., Klemeš, J. J., Zeng, M., & Wang, Q. (2021). Comparison of aerodynamic noise and heat transfer for shell-and-tube heat exchangers with continuous helical and segmental baffles. Applied Thermal Engineering, 185, 116341.
• Yang, J., & Liu, W. (2015). Numerical investigation on a novel shell-and-tube heat exchanger with plate baffles and experimental validation. Energy conversion and management, 101, 689-696.
• He, L., & Li, P. (2018). Numerical investigation on double tube-pass shell-and-tube heat exchangers with different baffle configurations. Applied Thermal Engineering, 143, 561-569.
• He, S., Wang, M., Tian, W., Qiu, S., & Su, G. H. (2022). Development of an OpenFOAM solver for numerical simulations of shell-and-tube heat exchangers based on porous media model. Applied Thermal Engineering, 210, 118389.
• Riyadi, T. W., Herawan, S. G., Tirta, A., Ee, Y. J., Hananto, A. L., Paristiawan, P. A., ... & Veza, I. (2024). Nanofluid heat transfer and machine learning: Insightful review of machine learning for nanofluid heat transfer enhancement in porous media and heat exchangers as sustainable and renewable energy solutions. Results in Engineering, 24, 103002.
• Moraga, N. O., Rosas, C. E., Bubnovich, V. I., & Tobar, J. R. (2009). Unsteady fluid mechanics and heat transfer study in a double-tube air–combustor heat exchanger with porous medium. International journal of heat and mass transfer, 52(13-14), 3353-3363.
• Qader, F., Hussein, A. M., Danook, S. H., Mohamad, B., & Khaleel, O. S. (2023). Enhancement of double-pipe heat exchanger effectiveness by using porous media and TiO2 water. CFD Letters, 15(4), 31-42.
• Juan, D., & Hai-Tao, Z. (2018). Numerical simulation of a plate-fin heat exchanger with offset fins using porous media approach. Heat and Mass Transfer, 54(3), 745-755.
• Kılıç, M., & Şahin, M. (2023). Nanoakışkan Hacimsel Oranının ve Parçacık Boyutunun Gövde Borulu Isı Değiştiricisindeki Isı Transferine Etkisinin Deneysel ve Sayısal İncelenmesi. Çukurova Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, 38(2), 531-543.
• Cengel, Y. A., & Ghajar, A. J. (2014). Heat and Mass Transfer (in SI Units). Mcgraw-Hill Education-Europe, London.