Parametric study of heat transfer and pressure drop characteristics in a tube using different types of inserts

Abstract

Isı değiştiricinin performansı bir takım takviye teknikleri ile ciddi ölçüde geliştirilebilirdir. Mevcut çalışma sıvı karışımını geliştirmek için tek tüplü ısı değiştiriciye uyan değişik biçimli ve kıvrımlı şeritlerin kullanılmasının düz kıvrımlı şeritlere oranla daha yüksek ısı transfer oranı sağladığını öne sürmektedir. Tüp (23mm) iç çap ve (1000 mm) uzunluğuna sahip olup, bakır malzemeden üretilmiştir. Bu tezde, kıvrımlı şeridin deneysel araştırılması ısı transferini arttırma ve sürtünme faktörü üzerindeki etkilerini incelemek için sabit ısı akışı altında ve karışık akıntı bölgesinde yatay, dairesel ve yalıtımlı tüp ile yapılmıştır. Isı transferi ve sürtünme faktörü deneyleri bakır malzemeden yapılmış şeritlerin bükülme oranları ve şerit merkezi oyunca oluklu şekilleri değiştirilerek elde edilen dört farklı geometriye sahip kıvrımlı şeritler üzerinde yapılmıştır. Deneysel sonuçlar kıvrımlı şeritlerin kullanılmasının düz tüpte damıtılmış su kullanılmasına oranla büyük ölçüde ısı transferi artışının ve sürtünme azalışının ortaya çıktığını göstermiştir. Ayrıca ısı transferi ve sürtünme kaybının Reynolds sayısında artış ve bükülme oranında azalış ile arttığı gözlemlenmiştir. Oluklu dairesel şekil ısı transferi açısından oluklu kare şekle göre daha iyi performans göstermektedir. Burada, ısı transferi artışında kıvrımlı şeritlerin en iyi performansı kullanılan diğer kıvrımlı şeritlere göre oluklu, dairesel, saat yönünde ve saat yönünün tersinde kıvrımlı şeritler ile elde edilmiştir. Elde edilen maksimum Nusselt sayı oranı (Nukıvrımlı şerit/Nudüz tüp) (5.3) olup, bu oran (4140) Reynolds sayısında bükülme oranı (TR=4), Reynolds sayısında termal performans faktörü (4.2) olan, damıtılmış su kullanan, oluklu, dairesel, saat yönünde-saat yönünün tersinde kıvrımlı olan şerit ile elde edilmiştir. Kıvrımlı şerit sokulmuş tüplerin içerisindeki sıvı akışının sürtünme faktörü ve Nusselt sayısının tahmin edilebilmesi için deneysel korelasyonlar geliştirilmiştir. Bu korelasyonlar deneysel veriyi (% ±7) hata payı ile tahmin etmektedir.

The heat exchangerperformance can be enhanced by a number of enhancement techniques. The study reported the employee of differentinserted tapes fitted in a single tube to enhance the mixing of fluid, that leads to higher rate of convective heat transfer in comparison with that of the typical inserted tape. The tubehas been fabricated from copper material of (23 mm) inner diameter, (1000mm) length. Experimental investigation of twisted tape has been performed in this thesis for horizontal circular insulated tube under constant heat flux condition in turbulent flow region to study its effect on the heat transfer improvement and pressure drop. Heat transfer and friction factor experiments were implemented with four variant geometries of twisted tapes made from copper materials by changing their twist ratios and the perforated shapes along the tape center. The results show that, the use of twisted tapes leads to increase the heat transfer enhancement and friction losses more than using distilled water in smooth tube. Also, the heat transfer and friction losses increase with the increases in the Reynolds number and witha decrease in the twist ratio. The perforated circular shape shows better performance on heat transfer than perforated square shape. Where, the best performance of twisted tapes on heat transfer enhancement is for the perforated circular clockwise-counter clockwise twisted tape over the other twisted tapes used. The obtained maximum Nusselt number ratio ( / ) was (5.3) which occurred in perforated circular clockwise-counter clockwise twisted tape with twist ratio (TR = 4) at Reynolds number (4140), and the maximum factor of thermal performance was (4.2) at Reynolds number (4140). Empirical correlations are developed to predict the average Nusselt number and factor of friction of the fluids flow inside twisted tapes inserted tubes. These correlations can predict the experimental data with a maximum error of (±7%).