NUMERICAL ANALYSIS ON EFFECT OF FIN SHAPE ON DOUBLE PIPE HEAT EXCHANGERS

Abstract

ABSTRACT

Heat exchangers are crucial components of thermal engineering equipment, including power plants, chemical industries, air conditioning systems, and cooling of electronic instruments. Researchers have developed various methods to improve the thermal efficiency of heat exchangers. One of such methods is the use of expanded surfaces. In this context, various surface geometries were examined to enhance the heat transfer efficiency of the heat exchanger. This study evaluated the performance of different heat exchangers using helical-annular finned tube, half-annular finned tube and annular finned tube, as well as the standard double-tube heat exchanger as a reference. A numerical comparison was conducted on four concentric tube double pipe heat exchangers with the same materials and dimensions. The inner tube has length of 1.8 meters, diameter of 20 mm, wall thickness of 2 mm and it is positioned inside a tube with diameter of 50 mm and the same length.

The objective of the study is to investigate how different fin shapes affect the thermal and hydraulic properties of two-tube heat exchangers. The study has been made use of numerical simulations carried out with ANSYS Fluent Software 2022 R2. The simulation model was developed using incoming hot and cold-water temperatures set at 65°C and 20°C, respectively. The simulation was performed under four different hot water conditions, with flow rates ranging from 1 to 4 liters per minute, and corresponding cold water flow rates from 1 to 4 liters per minute. Hot water flows through the tube, while cold water flows in the opposite direction through the annular space.

According to the simulation findings, the use of fins is highly effective in improving the thermal efficiency of heat exchangers compared to heat exchangers with smooth pipes. Among the different types of fins, the helical-annular finned pipe heat exchanger showed the highest convective heat transfer rate increments. The increment of convective heat transfer of helical-annular finned pipe heat exchanger was better than smooth, annular, and half-annular finned pipes by 59.2%, 28.2%, and 31.6%, respectively. The heat transfer rate of all heat exchangers was also found inversely proportional to the resistance. Compared to finned pipe heat exchangers, smooth pipe heat exchangers had lower friction factor magnitudes. The friction factor of smooth pipe heat exchanger was 18.58% , 8.66%, and 29.04% lower than that of annular, half-annular, and helical-annular pipe heat exchangers. Smooth pipe heat exchangers generally had lower effectiveness than finned pipe heat exchangers, except when the value of C is 0.99, at which point their effectiveness surpasses that of annular and half-annular finned pipe heat exchangers. Helical-annular finned pipe heat exchangers exhibited superior performance in terms of C values compared to other heat exchangers. The helical-annular finned tube heat exchange worked more effectively than the smooth, annular-finned, and half-annular tube heat exchangers by 49.9%, 20.3%, and 21.8%, respectively. Furthermore, the numerical simulation results gave a high level of agreement between the experimental investigation data in literature, with an error rate not exceeding 10.32%, thereby validating their accuracy.

ÖZET

Isı değiştiricileri, enerji santralleri, kimya endüstrileri, iklimlendirme sistemleri ve elektronik cihazların soğutulması dahil olmak üzere termal mühendislik ekipmanlarının önemli bileşenleridir. Araştırmacılar ısı değiştiricilerin ısıl verimliliğini artırmak için çeşitli yöntemler geliştirmişlerdir. Bu yöntemlerden biri genişletilmiş yüzeylerin kullanılmasıdır. Bu bağlamda, ısı değiştiricinin ısı transfer verimliliğini arttırmak için çeşitli yüzey geometrileri incelenmiştir. Bu çalışma, referans olarak standart çift borulu ısı değiştiricinin yanı sıra sarmal-halkalı, yarım-dairesel ve dairesel kanatçıklı borular kullanan farklı ısı değiştiricilerin performansını değerlendirmiştir. Aynı malzeme ve boyutlara sahip dört adet eşmerkezli borulu çift borulu ısı değiştirici üzerinde sayısal bir karşılaştırma yapılmıştır. İç borunun uzunluğu 1,8 metre, çapı 20 mm ve et kalınlığı 2 mm'dir ve çapı 50 mm ve aynı uzunlukta olan bir borunun içerisine yerleştirilmiştir.

Çalışmanın amacı, farklı kanatçık şekillerinin iki borulu ısı değiştiricilerin ısıl ve hidrolik özelliklerini nasıl etkilediğini araştırmaktır. Çalışmada ANSYS Fluent Software 2022 R2 ile gerçekleştirilen sayısal analizlerden yararlanılmıştır. Sayısal analiz modeli, sırasıyla sisteme 65°C ve 20°C'de giren sıcak ve soğuk su sıcaklıkları kullanılarak geliştirilmiştir. Analizler, sıcak su akış hızlarının dakikada 1 ila 4 litre arasında olduğu ve buna karşılık gelen soğuk su akış hızlarının ise dakikada 1 ila 4 litre olduğu dört farklı sıcak su koşulu altında gerçekleştirilmiştir. Sıcak su borunun içinden akarken, soğuk su halka şeklindeki boşluktan ters yönde akmaktadır.

Sayısal çalışmaların bulgularına göre kanatçık kullanımının, kanatçıksız ısı değiştiricilere kıyasla ısı değiştiricilerinin ısıl verimliliğini arttırmada oldukça etkili olduğu görülmüştür. Farklı kanatçık türleri arasında, helisel-halka şekilli kanatçıklı borulu ısı değiştirici, en yüksek konvektif ısı transfer hızı artışını göstermiştir. Helisel-halka kanatçıklı borulu ısı değiştiricinin konvektif ısı transferindeki artış, kanatçıksız, dairesel ve yarım-daireli kanatçıklı borulara göre sırasıyla %59.2, %28.2 ve %31.6 oranında daha iyi gerçekleşmiştir. Tüm ısı değiştiricilerin ısı transfer hızı da dirençle ters orantılı bulunmuştur. Kanatçıklı borulu ısı değiştiricilerle karşılaştırıldığında kanatçıksız ısı değiştiricilerin sürtünme faktörü büyüklükleri daha düşük çıkmıştır. Kanatçıksız ısı değiştiricinin sürtünme faktörü, dairesel, yarı dairesel ve helisel-halkalı kanatçıklı borulu ısı değiştiricilere göre %18,58, %8,66 ve %29,04 daha düşük gerçekleşmiştir. Kanatçıksız borulu ısı değiştiricileri, C değerinin 0,99 olduğu durumlar hariç, genellikle kanatçıklı borulu ısı değiştiricilerinden daha düşük verimliliğe sahiptir; bu noktada etkinlikleri, dairesel ve yarım daire kanatçıklı borulu ısı değiştiricilerinkini aşmaktadır. Helisel-halkalı kanatçıklı borulu ısı değiştiriciler diğer ısı değiştiricilere göre C değerleri açısından üstün performans sergilemiştir. Helisel-halka şeklindeki kanatçığa sahip ısı değiştiricisinin verimi, kanatçıksız, dairesel kanatçıklı ve yarım-dairesel kanatçıklı ısı değiştiricilerden sırasıyla, %49,9, %20,3 ve %21,8 oranlarında yüksek olduğu elde edilmiştir. Ayrıca, sayısal analiz sonuçları ile literatürdeki deneysel araştırma verileri arasında %10,32'yi aşmayan bir hata oranıyla yüksek düzeyde bir uyum sağlamış ve sayısal çalışmaların doğruluğu kanıtlanmıştır.