Numerical Study of Friction Factor and Heat Transfer Characteristics for Single-Phase Turbulent Flow in Tubes with Helical Micro-Fins

• Autorzy: Jasiński P.

Identyfikatory

DOI

10.2478/v10180-012-0025-y

Warianty tytułu

PL

Numeryczne badanie charakterystyk cieplnych i współczynników tarcia turbulentnych przepływów jednofazowych w rurach z mikro-ożebrowaniem helikalnym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents a numerical study on the heat transfer and pressure drop, related to flow in pipes with helical micro-fins. For all tested geometries, one applied a constant wall heat flux and fully developed 3D turbulent flow conditions. The influence of the angle of micro fins (referred to the tube axis) on thermal-flow characteristics were tested. The value of this angle was varied – with a step of 10 degrees – from 0 to 90 degrees (representing grooves parallel and perpendicular to the axis, respectively). Before numerical investigation, the pipe with helical angle of 30 degree was tested on an experimental stand. The results obtained from experiment and numerical simulations were compared and presented on the charts. As an effect of the numerical simulations, the friction factor f and Nusselt number characteristics was determined for the range of Re=10⁴/1.6x10⁶. The analysis of the results showed high, irregular influence of the helical angle on thermal characteristics and pressure drops. Additionally, the ratios: f/f_plain, Nu/Nu_plain and efficiency indexes (Nu/Nu_plain)/( f/f_plain) as a function of the Reynolds number for every helical angle were shown on the charts.

PL

W tym artykule przedstawiono badania wymiany ciepła i spadku ciśnienia rur z mikroożebrowaniem śrubowym z wykorzystaniem symulacji numerycznych. Dla wszystkich badanych geometrii założono stały strumień ciepła na ściance oraz w pełni rozwinięty, turbulentny przepływ 3D. Badano wpływ kąta mikro-ożebrowania ścianki (odniesionego do osi rury) na charakterystyki cieplno-przepływowe takiego kanału. Wartość wspomnianego kąta zmieniano – co 10 stopni – w zakresie od 0 do 90 stopni (odpowiada on rowkom: równoległym i prostopadłym do osi rury). Przed wykonaniem symulacji numerycznych, zbadano doświadczalnie rurę z 30-stopniowym kątem mikro-ożebrowania i porównano tak otrzymane rezultaty. Z symulacji numerycznych uzyskano charakterystyki współczynnika tarcia i liczby Nusselta w zakresie liczb Reynoldsa 10⁴ /1.6 x10⁶. Ponadto, na wykresach zostały pokazane współczynniki ( f/f_plain) oraz (Nu/Nu_plain) a także wskaźnik efektywności (Nu/Nu_plain)/( f/f_plain) w funkcji liczby Reynoldsa dla każdego kąta mikro-ożebrowania. Analiza wyników wykazuje duży i nierównomierny wpływ kąta mikro-ożebrowania zarówno na spadki ciśnienia jak i na charakterystyki cieplne.

Słowa kluczowe

EN

numerical simulation; heat transfer; friction factor; helical micro-fins; micro-ribs

PL

symulacja numeryczna; przepływ ciepła; współczynnik tarcia; mikro-ożebrowanie helikalne; mikro-żebra

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Archive of Mechanical Engineering
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. LIX, nr 4
• Strony: 469--485
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Jasiński P.

• Technical University of Lodz, Institute of Turbomachinery, Division of Heat Technology and Refrigeration, 219/223 Wolczanska Street, 90-924 Lodz, Poland

Bibliografia

• [1] Ravigururajan T.S., Bergles A.E.: Development and Verification of General Correlations for Pressure Drop and Heat Transfer in Single-Phase Turbulent Flow in Enhanced Tubes. Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 13, No 1, 1996, pp. 55-70.
• [2] Wang C.C., Chiou C.B., Lu D.C.: Single-phase heat transfer and flow friction correlations for microfin tubes, Int. J. Heat and Fluid Flow 17, 500-506, 1996.
• [3] Wen-Tao Ji, Ding-Cai Zhang, Ya-Ling He, Wen-Quan Tao: Prediction of fully developed turbulent heat transfer of internal helically ribbed tubes – An extension of Gnielinski equation, International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 55, Issue 4, 31 January 2012, Pages 1375-1384.
• [4] Mansoor Siddique, Majed Alhazmy: Experimental study of turbulent single-phase flow and heat transfer inside a micro-finned tube, International Journal of refrigeration 31 (2008) 234-241.
• [5] Han D.H., Lee K.J.: Single-phase heat transfer and flow characteristics of micro-fin tubes. Applied Thermal Engineering 25 (2005) 1657-1669.
• [6] Dong Y., Huixiong L., Tingkuan C.: Pressure drop, heat transfer and performance of singlephase turbulent flow in spirally corrugated tubes. Experimental Thermal and Fluid Science 2001, V:24, p. 131-138.
• [7] Naphon P., Nuchjapo M., Kurujareon J.: Tube side heat transfer coefficient and friction factor characteristics of horizontal tubes with helical rib. Energy Conversion and Management 47 (2006) p. 3031-3044.
• [8] Jasiński P.: Numerical optimization of flow-heat ducts with helical micro-fins, using Entropy Generation Minimization (EGM) method. Proceedings of WSEAS International Conferences (HTE’11), August 23-25 2011, Florence, Italy, p. 47-54.
• [9] Di Piazza I., Ciofalo M., Numerical prediction of turbulent flow and heat transfer in helically coiled pipes. International Journal of Thermal Sciences 49 (2010) 653-663.
• [10] Eiamsa-ard S., Wongcharee K., Sripattanapipat S.: 3-D Numerical simulation of swirling flow and convective heat transfer in a circular tube induced by means of loose-fit twisted tapes. International Communications in Heat and Mass Transfer 36 (2009) 947-955.
• [11] Manual ANSYS-CFX, Release 12.1, http://www.ansys.com.
• [12] Jasiński P.: Thermodynamic optimization of pipes with cross micro-ribs by criterion of EGM method, with support of computer simulations. Proceedings of 14th Symposium of Heat and Mass Transfer, Szczecin, Poland, September, 2010, pp. 233-240.
• [13] Brognaux L.J., Webb R.L., Chamra L.M., Baik Y.C.: Single-phase heat transfer in micro-fin tubes, International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 40, Issue 18, 1997, Pages 4345-4357.
• [14] Webb, R.L., Scott M.J.: A parametric analysis of the performance of internally finned tubes for heat exchanger application. Journal of Heat Transfer, 1980, 102, 38-43.
• [15] Swamee P.K., Jain A.K.: (1976). ”Explicit equations for pipe-flow problems”. Journal of the Hydraulics Division (ASCE) 102 (5): 657-664.