Numerical investigation on hydrothermal performance of a helical annular turbulent flow in heat exchanger

Abstract

Bir kabuk ve tüp sıcaklık eşanjörünün sarmal yıllık akışı hidrotermal performansı nümerik olarak araştırılmıştır.Nümerik araştırma; ticari bir paket programı olan ANSYS FLUENT 16.0 tarafından geliştirilen dört modelin üç boyutlu nümerik çözümünü kapsamaktadır.Nümerik çözümleme ile çözülen tüm modellerin sınır şartları süreklik bir sıcaklık ve iç tüp duvarın ısı akışı olarak alınırken kabuk tarafının dış duvarı güneşe maruz bırakılmıştır.İlk modelin yıllık rejim üzerinde düzenli yıllık hava akımı varken,ikinci modelin yıllık rejimde yıllık düzenli su akımı bulunmaktadır.Üçüncü modelin yıllık rejim üzerinde yıllık eğri bir hava akımı varken dördüncü modelin yıllık rejim üzerinde yıllık eğri su akımı mevcuttur.Sıcaklık eşanjörü yıllık rejimindeki hava ve su akımının her bir model için kullanılan farklı Reynolds sayıları şu şekildedir(500, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000, 5500, ve 6000)Sonuçlar yıllık şeklin hidrotermal performans üzerinde önemli etkilerinin olduğunu göstermiştir; yıllık düzenli rejimle karşılaştırıldığında yıllık eğri rejimin tüm sonuçlarında zincir bulunmuştur.Sıcaklık farklılığında 9.1% ve 24.2% oranında artış,çıkış sıcaklığında 3.2 % ve 5.8 oranında artış gözlenirken,ısı akışında,nusselt sayısında ve sıcaklık transfer katsayısında 11.2% ve 31.3% oranında artış belirlenirken sonuç olarak hava akımı basınç düşmesi ve su akımı basınç düşmesi sırasıyla 29% ve 29.2% oranındadır.Nümerik çözümden elde edilen sonuçlar statik sıcaklık kontorlarını ortaya koymuş, yıllık eğri rejim sıcaklık dağılımının yıllık düzenli rejimden daha iyi olduğunu göstermiştir.Şuanki nümerik sonuçlar mevcut önceki çalışmalarla karşılaştırılmış,iyi bir uyum ortaya koymuştur.

A hydrothermal performance of helical annular turbulent flow in a shell and tube heat exchanger has been investigated numerically. The numerical investigation involves a three dimension numerical solution of four models by a commercial package ANSYS FLUENT 16.0. The boundary conditions of all models that solved by the numerical solution was taken as a constant temperature and constant heat flux for inner tube wall, while the outer wall of shell side was insolation. The first model has a straight annular with air flow in annular regime, while the second model has a straight annular with water flow in annular regime. The third model has a twist annular with air flow in annular regime, while the fourth model has a twist annular with water flow in annular regime. Different Reynolds number for the air and water flow inside the annular regime of heat exchanger namely (500, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000, 5500, and 6000) were used for each model. The results indicated that the annular shape has significant effects on the hydrothermal performance; it found enchainment in all results of twist annular compared with the results of the straight annular, which included increasing in temperature difference of 9.1% and 24.2%, outlet temperature of 3.2% and 5.8%, while the increasing in heat flux, Nuselts number, and heat transfer coefficient of 11.2% and 31.3%, finally the increasing in pressure drop of 29% and 29.2% for air and water flow respectively. The results obtained from numerical solution presented the static temperature contours and showed that the temperature distribution of twist annular is better than straight annular. The present numerical results have been compared with the available previous studied and give a good agreement.