Computational analysis for the effect of the taper angle and helical pitch on the heat transfer characteristics of the helical cone coils

• Autorzy: Abo-Elazm M , Ragheb A , Elsafty A , Teamah M

Warianty tytułu

PL

Analiza numeryczna różnic między charakterystykami działania stożkowych wężownic spiralnych i zwykłych wężownic spiralnych stosowanych jako osuszacze w zespołach osuszania i nawilżania w instalacjach odsalania wody

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This numerical research is devoted to introducing the concept of helical cone coils and comparing the performance of helical cone coils as heat exchangers to the ordinary helical coils. Helical and spiral coils are known to have better heat and mass transfer than straight tubes, which is attributed to the generation of a vortex at the helical coil. This vortex, known as the Dean Vortex, is a secondary flow superimposed on the primary flow. The Dean number, which is a dimensionless number used in describing the Dean Vortex, is a function of Reynolds Number and the square root of the curvature ratio, so varying the curvature ratio for the same coil would vary the Dean Number. Numerical investigation based on the commercial CFD software fluent is used to study the effect of changing the structural parameters (taper angle of the helical coil, pitch and the base radius of curvature changes while the height is kept constant) on the Nusselt Number, heat transfer coefficient and coil outlet temperature. Six main coils having pipe diameters of 10 and 12.5 mm and base radius of curvature of 70, 80 and 90 mm were used in the investigation. It was found that, as the taper angle increases, both Nusselt Number and the heat transfer coefficient increase, also the pitch at the various taper angles was found to have an influence on Nusselt Number and the heat transfer coefficient. A MATLAB code was built to calculate the Nusselt Number at each coil turn, then to calculate the average Nusselt number for all of the coil turns. The MATLAB code was based on empirical correlation of Manlapaz and Churchill for ordinary helical coils. The CFD simulation results were found acceptable when compared with the MATLAB results.

PL

W pracy przedstawiono badania numeryczne mające na celu prezentację koncepcji stożkowych wężownic spiralnych i porównanie charakterystyk ich działania jako wymienników ciepła do charakterystyk zwykłych wężownic spiralnych. Jak wiadomo, wężownice spiralne i stożkowe charakteryzują się lepszym przenoszeniem ciepła i masy niż proste rury, co jest związane z powstawaniem wiru w wężownicy spiralnej. Ten tzw. wir Deana (Dean Vortex) jest przepływem wtórnym, nałożonym na przepływ pierwotny. Bezwymiarowy współczynnik Deana, stosowany do opisu wiru Deana, jest funkcją liczby Reynoldsa i pierwiastka kwadratowego ze współczynnika krzywizny, toteż liczba Deana zmienia się dla danej wężownicy wraz z jej krzywizną. Obliczenia numeryczne wykonano przy użyciu komercyjnego oprogramowania CFD w celu zbadania wpływu zmian parametrów strukturalnych wężownicy spiralnej (kąt zbieżności, skok i promień bazowy krzywizny zmieniały się, podczas gdy wysokość pozostawała stała) na liczbę Nusselta, współczynnik wymiany ciepła i temperaturę na wyjściu wężownicy. W badaniach wykorzystano sześć głównych wężownic, o średnicach rury 10 i 12,5 mm i promieniach bazowych krzywizny 70, 80 i 90 mm. W wyniku badań stwierdzono, że zarówno liczba Nusselta jak współczynnik wymiany ciepła rosną wraz ze wzrostem kąta zbieżności. Stwierdzono również, że przy różnych kątach zbieżności skok spirali ma wpływ na liczbę Nusselta i współczynnik wymiany ciepła. Opracowano program w środowisku MATLAB przy pomocy którego obliczono liczby Nusselta dla każdego zwoju wężownicy; na tej podstawie obliczono następnie wartość średnią liczby Nusselta dla całej wężownicy. Program obliczeniowy był oparty na równaniu empirycznym Manlapaza i Churchilla dla zwykłych wężownic spiralnych. Wyniki symulacji uzyskane przy użyciu oprogramowania CFD okazały się możliwe do przyjęcia w zestawieniu z wynikami obliczeń w programie MATLAB.

Słowa kluczowe

EN

computational analysis; helical cone coil; heat exchanger; heat transfer

PL

analiza numeryczna; wężownica spiralna stożkowa; wymiennik ciepła; wymiana ciepła

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Archive of Mechanical Engineering
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. LIX, nr 3
• Strony: 361—375
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Abo-Elazm M

• Arab Academy for Science, Technology and Maritime Transport, Alexandria, Egypt

autor

Ragheb A

• Arab Academy for Science, Technology and Maritime Transport, Alexandria, Egypt

autor

Elsafty A

• American University of the Middle East, Kuwait

autor

Teamah M

• Faculty of Engineering, Alexandria University, Alexandria, Egypt

Bibliografia

• [1] Rohsenow W.M., James R.H., Cho Y.I: 1998, Handbook of Heat Transfer, United States of America: McGraw Hill.
• [2] Bejan A., Kraus A.D.: 2002, Heat Transfer Handbook. United States of America: WILEY.
• [3] Dennis S.C.R., Ng M.: 1982, Dual solutions for steady laminar flow through a curved tube. Quarterly Journal of Mechanics and Applied Mathematics, Vol. 35 (3): 305-324.
• [4] Dennis S.C.R., Riley N.: 1991, On the fully developed flow in a curved pipe at large Dean number. Proc. R. Soc. London Ser. A 434 (1891), 473-478.
• [5] Austen D.S., Soliman H.M.: 1988, Laminar flow and heat transfer in helically coiled tubes with substantial pitch. Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 1, 183-194.
• [6] Yang G., Dong F., Ebadian M.A.: 1995, Laminar forced convection in a helicoidal pipe with finite pitch. International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol.38(5):853-862.
• [7] Germano M.: 1982, On the effect of torsion on a helical pipe flow. Journal of Fluid Mechanics, Vol. 125:1-8.
• [8] Tuttle E.R.: 1990, Laminar flow in twisted pipes. Journal of Fluid Mechanics, Vol. 219:545-570.
• [9] Kalb C.E., Seader J.D.: 1972, Heat and mass transfer phenomena for viscous flow in curved circular tubes. International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 15:801-817.
• [10] Zapryanov Z., Christov C., Toshev E.: 1980, Fully developed laminar flow and heat transfer in curved tubes. International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 23:873-880.
• [11] Figueiredo A.R., Raimundo A.M.: 1996, Analysis of the performances of heat exchangers used in hot-water stores. Applied Thermal Engineering, 16:605-11.
• [12] Paisarn Naphon, Jamnean Suwagrai: 2007, Effect of curvature ratios on the heat transfer and flow developments in the horizontal spirally coiled tubes, International Journal of Heat and Mass Transfer, 50: 444-451.
• [13] Yan Ke, Ge Pei-qi, Sue Yan-cai, Meng Hai-tao: 2011, Numerical simulation on heat transfer characteristic of conical spiral tube bundle, Applied Thermal Engineering, 31: 284-292.