شبیه‌سازی عددی اثر هندسه استفاده از لوله پره‌دار در یک مبدل حرارتی پوسته و لوله

نوع مقاله : گرایش پیشرانش و انتقال حرارت

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی دانشگاه امام علی(ع)، تهران، ایران

2 نویسنده مسئول: استادیار، دانشکده مهندسی دانشگاه امام علی(ع)، تهران، ایران

3 کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی قم، قم، ایران

چکیده

در این مقاله، یک مبدل حرارتی پوسته و لوله که برای انتقال حرارت بین دو سیال مختلف استفاده می‏شود، به‌صورت سه‏بعدی شبیه‏سازی شده است. این مبدل متشکل از یک پوسته است که 90 عدد لوله به‌صورت U شکل درون آن قرار دارد. برای انتقال حرارت بیشتر یک‌بار لوله‌ها بدون پره و بار دیگر همراه با پره که به‌صورت طولی و یکپارچه با بدنه لوله تولید می‏شوند، شبیه‌سازی و مقایسه شدند. سیال جاری در پوسته، روغن MIL-PRF 23699 و سیال جاری در لوله‏ها، سوخت JP-4 است. این دو سیال در مسیرهای جداگانه‏ و مخالف هم جریان دارند و از طریق تماس با سطح لوله‏ها، با همدیگر تبادل حرارت انجام می‏دهند. با استفاده از نرم‌افزار Aspen طراحی به گونه‌ای انجام ‌شده که مبدل حرارتی طول و وزن کمتری داشته باشد تا تأثیر بهتر و بالاتری در راندمان بالگرد داشته باشد. به‌منظور بررسی اثر هندسه لوله‏ها و دبی جرمی روغن بر میزان انتقال حرارت بین سوخت و روغن، شبیه‏سازی در برنامه  ANSYS Fluent انجام‌ شده است. در این شبیه‏سازی‏، بخشی از کل مبدل حرارتی به‌عنوان هندسه انتخاب شده و اثر تغییر هندسه لوله‏ها، دبی جرمی سوخت و روغن بر ضریب انتقال حرارت، ضریب کولبرن، ضریب اصطکاک و نسبت آن‌ها و تغییرات دمای خروجی بررسی شده است. نتایج حاصل از این شبیه‏سازی نشان می‏دهد که نرخ انتقال حرارت بین سوخت و روغن برای مبدل حرارتی با لوله‏های پره‏دار، حدود 11 درصد بیشتر از حالت بدون پره است. همچنین کاهش دبی جرمی روغن واردشده به پوسته موجب افزایش بازدهی مبدل حرارتی می‏شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical Simulation of the Effect of Using a Finned Tube on the Thermal Efficiency of Heat Exchangers

نویسندگان [English]

  • Mohsen Rostami 1
  • Amirhamzeh Farajollahi 2
  • Morteza Ghanbari 3
  • Aliasghar Naderi 3
1 Ph.D. Student, Faculty of Engineering, University of Imam Ali, Tehran, Iran
2 Corresponding author: Assistant Professor, Faculty of Engineering, Imam Ali University, Tehran, Iran
3 MSc, Faculty of Mechanical Engineering, University of Qom, Iran
چکیده [English]

In this paper, a shell and tube heat exchanger used to transfer heat between two different fluids is simulated in three dimensions.This converter consists of a shell with 90 U-shaped tubes inside. For further heat transfer, the tubes were simulated and compared once without fins and again with fins, which are produced longitudinally and integrally with the tube body.The current flowing in the shell is MIL-PRF23699 oil and the flowing fluid in the tubes is JP-4fuel.These two fluids flow in separate and opposite directions and exchange heat with each other through contact with the surface of the tubes. Using Aspen software, the design is done in such a way that the heat exchanger has a shorter length and weight to have a better and higher effect on the efficiency of the helicopter.To investigate the effect of tube geometry and oil mass flow on the rate of heat transfer between fuel and oil,simulation has been performed in ANSYSFluent program.In this simulation, a part of the whole heat exchanger is selected as the geometry and the effect of changing the geometry of the tubes, mass flow of fuel and oil on the heat transfer coefficient,Colburn coefficient, coefficient of friction and their ratio, and outlet temperature changes are investigated.The results of this simulation show that the heat transfer rate between fuel and oil for a heat exchanger with finned tubes is about 11%higher than without a fin.Also, reducing the mass flow of oil entering the shell increases the efficiency of the heat exchanger.

کلیدواژه‌ها [English]

  • and tube heat exchanger
  • Colburn factor
  • heat transfer
  • Fin tube
  • Friction factor

Smiley face

[1] Rago G. Concentric fuel/oil filters and heat exchanger package. Google Patents; 2001.##
[2] Burr DN, Danilowicz PS, Franz TC, Mortimer TP, Pero EB. Fuel and oil heat management system for a gas turbine engine. Google Patents; 1987.##
[3] Jafari M, Farajollahi A, Gazori H. The experimental investigation concerning the heat transfer enhancement via a four-point star swirl generator in the presence of water–ethylene glycol mixtures. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2021;144(1):167-78.##
[4] Farajollahi A, Rostami M, Asgari B. Improving the thermal performance of ground heat exchangers using triple helix arrangement. Journal of Mechanical Engineering. 2021(Articles in Press).##
[5] Li H, Kottke V. Effect of the leakage on pressure drop and local heat transfer in shell-and-tube heat exchangers for staggered tube arrangement. International Journal of Heat and Mass Transfer. 1998;41(2):425-33.##
[6] Naphon P. Thermal performance and pressure drop of the helical-coil heat exchangers with and without helically crimped fins. International Communications in Heat and Mass Transfer. 2007;34(3):321-30.##
[7] Zhang J-F, He Y-L, Tao W-Q. 3D numerical simulation on shell-and-tube heat exchangers with middle-overlapped helical baffles and continuous baffles–Part II: Simulation results of periodic model and comparison between continuous and noncontinuous helical baffles. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009;52(23-24):5381-9.##
[8] Chen H, Wang Y, Zhao Q, Ma H, Li Y, Chen Z. Experimental investigation of heat transfer and pressure drop characteristics of H-type finned tube banks. Energies. 2014;7(11):7094-104.##
[9] Hagshenas B, Light SH. Combination fuel-oil and air-oil heat exchanger. Google Patents; 2015.##
[10] Kim M, Ha MY, Min JK. A numerical study on various pin–fin shaped surface air–oil heat exchangers for an aero gas-turbine engine. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2016;93:637-52.##
[11] Wang X, Zheng N, Liu Z, Liu W. 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. 2018;124:247-59.##
[12] Stearns EK, Glahn JA, McKaveney DJ. Gas turbine engine with geared turbofan and oil thermal management system with unique heat exchanger structure. Google Patents; 2012.##
[13] Turcotte H, Ng K, Dubreuil J. Heat exchanger for gas turbine engines. Google Patents; 2018.##
[14] Yogesh SS, Selvaraj AS, Ravi DK, Rajagopal TKR. Heat transfer and pressure drop characteristics of inclined elliptical fin tube heat exchanger of varying ellipticity ratio using CFD code. International journal of heat and mass transfer. 2018;119:26-39.##
[15] Wang P, Jiang J, Li S, Luo X, Wang S, Zhao W. An investigation of influence factor including different tube bundles on inclined elliptical fin-tube heat exchanger. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2019;142:118448.##
[16] El-Said EM, Abou Al-Sood M. Shell and tube heat exchanger with new segmental baffles configurations: a comparative experimental investigation. Applied Thermal Engineering. 2019;150:803-10.##
[17] Mohammadi MH, Abbasi HR, Yavarinasab A, Pourrahmani H. Thermal optimization of shell and tube heat exchanger using porous baffles. Applied Thermal Engineering. 2020;170:115005.##
[18] Unger S, Beyer M, Arlit M, Stasch P, Hampel U. An experimental investigation on the air-side heat transfer and flow resistance of finned short oval tubes at different tube tilt angles. International Journal of Thermal Sciences. 2019;140:225-37.##
[19] Unger S, Beyer M, Szalinski L, Hampel U. Thermal and flow performance of tilted oval tubes with novel fin designs. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020;153:119621.##
[20] Burr DN, Danilowicz PS, Franz TC, Mortimer TP, Pero EB. Fuel and oil heat management system for a gas turbine engine. Google Patents; 1988.##
[21] Keeler BJ, McCabe PS. Engine fuel-oil heat exchange system. Google Patents; 2020.##
[22] Mastrocola NE, Pess M. Super-cooled heat exchanger of an air cycle machine. Google Patents; 2020.##
[23] Ribarov LA, Veilleux Jr LJ. Multiple flow heat exchanger. Google Patents; 2020.##
[24] Rostami M, Farajollahi A, Ghanbari M. Numerical design and analysis of a shell & finned tube heat exchanger for use in the engine of a special helicopter. Aerospace Knowledge and Technology Journal. 2021;10(1):107-27.##
[25] Ambekar AS, Sivakumar R, Anantharaman N, Vivekenandan M. CFD simulation study of shell and tube heat exchangers with different baffle segment configurations. Applied Thermal Engineering. 2016;108:999-1007.##
دوره 18، شماره 1 - شماره پیاپی 67
شماره پیاپی 67، فصلنامه بهار
خرداد 1401
صفحه 53-76
  • تاریخ دریافت: 24 اسفند 1399
  • تاریخ بازنگری: 09 دی 1400
  • تاریخ پذیرش: 20 دی 1400
  • تاریخ انتشار: 01 اردیبهشت 1401