INVESTIGATION ON EFFECT OF PITCH RATIO FOR FINNED TUBE IN CROSS-FLOW HEAT EXCHANGER ON FLUID FLOW AND HEAT TRANSFER

Abstract

ABSTRACT

Heat exchangers are very important engineering applications in practical life. This situation has led researchers and scientists to study the types of heat exchangers, to develop new types and to increase their efficiency.

In this study, it was used integral medium finned tube with variable pitch fin to get the perfect aspect ratio that gives the largest possible amount of heat transfer, where a smooth model has been chosen to compare with three models with fin pitch. This study includes two parts; the first part consists of a theoretical study, where a designing program (SolidWorks 2018) and a simulation program (ANSYS Fluent 19R2) have been used to design and simulate the model, respectively. Four different models (smooth tube, tube with pitch fins of P= 1.6, 2.5, and 3.75 mm) have been used for the numerical analyses. Also, different water (2, 3, 4, 5, and 6 L/min) and air (1, 2, 3, and 4m/s) velocity conditions have been tried with different inlet temperatures (50, 60, 70oC). Variations of water and air velocity magnitudes and inlet temperature on convective heat transfer characteristics have been determined. The theoretical results show that the best model that gives the highest heat transfer rate is the finned tube with a fin pitch of (P=1.6 mm) compared to other models and according to the Enhancement Ratio (ER= 341.84%). The effectiveness of the four models have been determined as 2.36%, 11.47%, 9.07%, 8.3% for the tubes of smooth, P=1.6, 2.5, and 3.75 mm, respectively.

In the second part of the study, experimental analyses have been carried out for the condition of tube with P=1.6 mm condition. Variations of water and air velocity magnitudes and inlet temperature on convective heat transfer characteristics have also been determined in this section. It was obtained in the experimental analyses that; The value of pressure drops increases as the flow rate of hot water increases, the difference in water temperature decreases. The rate of heat transfer (Q) increases with the increase in the temperature of entering the hot water and the increase in air velocity for all models. Increasing the air velocity increases the temperature difference of hot water and air and increases the rate of heat transfer. The Nusselt number of the air increases with the flow rate of hot water and the velocity of the air. The finned tube is better than the smooth tube by the ratio of Nu number comparing with smooth tube of 68.1%, 73.5%, 80.4% for the models of P=3.75, 2.5, and 1.6 mm, respectively.

At the conclusion, it was determined that the case of the finned tube with a fin pitch of P=1.6 mm has been determined as the best case for this study.

ÖZET

Isı eşanjörleri pratik yaşamda çok önemli mühendislik uygulamalarıdır. Bu durum, araştırmacıların ve bilim adamlarını ısı eşanjörlerinin türlerini incelemeye, yeni türler geliştirmeye ve verimlerini arttırmaya yönelik çalışmalar yapmalarına neden olmuştur.

Bu çalışmada, mümkün olan en büyük miktarda ısı transferi sağlayan mükemmel en-boy oranını elde etmek için değişken hatveli kanatçıklı kanat oranlarına sahip kanatlı boru kullanılmış ve kanat aralıklı üç modelle karşılaştırılmıştır. Bu çalışma iki bölümden oluşmaktadır; ilk bölüm, sırasıyla bir tasarım programının (SolidWorks 2018) ve bir simülasyon programının (ANSYS Fluent 19R2) modeli tasarlamak ve simüle etmek için kullanıldığı teorik bir çalışmadan oluşmaktadır. Sayısal analizler için dört farklı kanatçıklı boru (P= 1,6, 2,5 ve 3,75 mm) düz boru kullanılmıştır. Ayrıca farklı su (2, 3, 4, 5 ve 6 L/dk) ve hava (1, 2, 3 ve 4m/s) hız koşulları farklı giriş

sıcaklıkları (50, 60, 70oC) ile denenmiş, su ve hava hızı büyüklükleri ile giriş sıcaklığının taşınımla gerçekleşen ısı transfer özellikleri üzerindeki değişimleri belirlenmiştir. Teorik sonuçlar, diğer modellere göre ve İyileştirme Oranına göre (ER= %341,84) en yüksek ısı transfer oranını veren en iyi modelin kanat aralığı P= 1,6 mm olan kanatlı boru olduğunu göstermiştir. Dört model (düz boru ve P=1,6, 2,5 ve 3,75 mm) için etkinlik oranları sırasıyla %2,36, %11,47, %9,07, %8,3 olarak belirlenmiştir.

Çalışmanın ikinci bölümünde P=1,6 mm koşulunda kanatçıklı borunun durumu için deneysel analizler yapılmıştır. Su ve hava hızı büyüklüklerinin ve giriş sıcaklığının taşınımla ısı transfer özellikleri üzerindeki değişimleri de bu bölümde belirlenmiştir. Deneysel analizlerde sıcak suyun akış hızı arttıkça basınç düşüşlerinin değerinin arttığı ve su sıcaklığındaki farkın azaldığı belirlenmiştir. Tüm modeller için sisteme giren sıcak suyun sıcaklığın artması ve hava hızının artması ile ısı transfer hızının (Q) arttığı görülmüştür. Hava hızının arttırılması, sıcak su ve havanın sıcaklık farkını arttırdığı ve ısı transfer oranını arttığı tespit edilmiştir. Havanın Nusselt sayısı, sıcak suyun debisi ve havanın hızı ile arttığı belirlenmiştir. Kanatlı boru (P=3.75, 2.5 ve 1.6 mm) modelleri için Nu sayısının artışı düz boruya kıyasla sırasıyla %68.1, %73.5, %80.4 olarak elde edilmiştir.

Sonuç olarak, kanat aralığı P= 1,6 mm olan kanatlı boru modeli bu çalışma için en iyi durum olarak belirlenmiştir.