Mathematical modelling of the unsteady operation of a plate and fin heat exchanger for the time-varying mass flow rate of liquid and air velocity

• Autorzy: Korzeń A. , Taler D.

Identyfikatory

DOI

10.4467/2353737XCT.17.041.6352

Warianty tytułu

PL

Modelowanie matematyczne pracy wymiennika ciepła z rur ożebrowanych dla zmiennych w czasie strumienia masy płynu i prędkości powietrza

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The mathematical simulation of a plate fin and tube heat exchanger is presented in this paper. The simulation of the transient operation of the heat exchanger was carried out using a general numerical model that was previously developed by the authors. The Reynolds number of the water flowing inside the tubes varied in the range from 4000 to 12000. A detailed analysis of the transient response of a heat exchanger to sudden increase in water mass flow rate and the simultaneous reduction in air flow velocity was modelled. Heat transfer correlations for air and water were determined based on the experimental data. Unknown parameters appearing in the relationships for the Nusselt numbers on the airand water-sides were estimated using the least squares method. A set of partial differential equations for the temperature of water, air, tube wall, and fins was solved using the finite volume method. The results of the numerical simulations of a heat exchanger using experimentally determined air and water-side heat transfer formulas for the calculation of heat transfer coefficients were compared with the experimental data. Excellent agreement between computation results (air and water temperatures at the outlet of the heat exchanger) and experimental results was obtained.

PL

Przedstawiona została symulacja matematyczna wymiennika ciepła z rur ożebrowanych. Symulacja nieustalonej pracy wymiennika przeprowadzona została za pomocą modelu matematycznego opracowanego wcześniej przez autorów. Liczba Reynoldsa po stronie wody zmieniała się w zakresie od 4000 do 12 000. Szczegółowa analiza zmian temperatury została przeprowadzona dla przypadku nagłego wzrostu strumienia masowego płynu z jednoczesnym obniżeniem prędkości powietrza. Korelacje na współczynniki wnikania ciepła dla powietrza i wody określono na podstawie danych doświadczalnych. Nieznane parametry, które pojawiają się w równaniach na liczbę Nusselta dla powietrza i wody wyznaczono za pomocą metody najmniejszych kwadratów. Układ równań różniczkowych cząstkowych umożliwiający wyznaczenie temperatury wody, powietrza, ścianki rury i żeber zostały rozwiązane z użyciem metody objętości skończonej. Wyniki numerycznej symulacji pracy wymiennika z użyciem współczynników wnikania ciepła wyznaczonych z korelacji na liczby Nusselta od strony powietrza i wody porównano z danymi eksperymentalnymi. Uzyskano bardzo dobrą zgodność wyników obliczeń i pomiarów.

Słowa kluczowe

EN

plate-fin heat exchanger; tube heat exchanger; experimental determination of heat transfer correlations; numerical modelling; transient response; transition tube flow

PL

instalacje energetyczne; badania termowizyjne; termogram; emisyjność; temperatura odbicia

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej im. Tadeusza Kościuszki
• Czasopismo: Technical Transactions
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 3(114)
• Strony: 183--196
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., wz., wykr., tab.

Twórcy

autor

Korzeń A.

• Institute of Thermal Power Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, Cracow University of Technology

autor

Taler D.

• Institute of Heat Engineering and Air Protection, Faculty of Environmental Engineering, Cracow University of Technology

Bibliografia

• [1] Taler D., Mathematical modeling and control of plate fin and tube heat, Energy Conversion and Management, 96, 2015, 452–462.
• [2] Roetzel W., Xuan Y., Dynamic behaviour of heat exchangers, Computational Mechanics Publications, Vol. 3, WIT Press, Southampton 1998.
• [3] Ataer Ö.E., An approximate method for transient behavior of finned-tube cross-flow heat exchangers, Int. J. Refrig., 27, 2004, 529–539.
• [4] Taler D., Direct and inverse heat transfer problems in dynamics of plate fin and tube heat exchangers, in: Belmiloudi A. (ed.) Heat transfer, mathematical modelling, numerical methods and information technology, InTech, Rijeka 2011, 77–100, free online edition: www.intechopen.com.
• [5] Vaisi A., Talebi S., Esmaeilpour M., Transient behavior simulation of fin-and-tube heat exchangers for the variation of the inlet temperatures of both fluids, International Communications in Heat and Mass Transfer, 38, 2011, 951–957.
• [6] Korzeń A., Taler D., Modeling of transient response of a plate fin and tube heat exchanger, Int. J. Therm. Sci., 92, 2015, 188–198.
• [7] Arpaci V.S., Kao S.H., Selamet A., Introduction to Heat Transfer, Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, USA 1999.
• [8] Bejan A., Kraus A.D., Ed., Heat Transfer Handbook, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey 2003.
• [9] Wiśniewski S, Wiśniewski T.S., Wymiana ciepła (Heat exchange), Wydanie 6, WNT, Warszawa 2009.
• [10] Gnielinski V., Neue Gleichungen für den Wärme- und den Stoffübergang in turbulent durchströmten Rohren und Kanälen, Forschung im Ingenieurwesen, 41/1975 Nr 1, 8–16.
• [11] Webb R. L., Principles of enhanced heat transfer, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey 1994.
• [12] Mirth D.R., Ramadhyani S., Hittle D.C., Thermal performance of chilled-water cooling coils operating at low water velocities, ASHRAE Transactions, 99, 1993, Part 1, 43–53.
• [13] Mirth D. R., Ramadhyani S., Correlations for predicting the air side Nusselt numbers and friction factors in chilled-water cooling coils, Experimental Heat Transfer, 7, 1994, 143–162.
• [14] Petukhov B.S., Genin A.G., Kovalev S.A., Heat transfer in nuclear power plants, Atomizdat, Moscow 1974 (in Russian).
• [15] Brandt S., Data Analysis. Statistical and computational methods for scientists and engineers, 3rd edn. Springer, Berlin 1999.
• [16] Coleman H.W., Steele W.G., Experimentation, validation, and uncertainty analysis for engineers, 3rd edn. Wiley, Hoboken 2009.

Uwagi

EN

Section "Mechanics"

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017)