Title Utjecaj raspodjele zraka na termohidraulička svojstva lamelnog izmjenjivača topline : doktorska disertacija Title (english) Effect of airflow distribution on thermal-hydraulic properties of finned tube heat exchanger : doctoral thesis Author Paolo Blecich Mentor Bernard Franković (mentor)Mentor Anica Trp (komentor)Committee member Zmagoslav Prelec (predsjednik povjerenstva)Committee member Bernard Franković (član povjerenstva)Committee member Anica Trp (član povjerenstva)Committee member Antun Galović (član povjerenstva)Committee member Igor Wolf (član povjerenstva)Granter University of Rijeka Defense date and country 2014-01-01, Croatia Scientific / art field, TECHNICAL SCIENCES Universal decimal classificationUDC ) 621 - Mechanical engineering. Nuclear technology. Machinery Abstract U doktorskoj disertaciji istražen je utjecaj raspodjele zraka na termohidraulička svojstva lamelnih izmjenjivača topline. Ponuđena je nova metoda proračuna lamelnih izmjenjivača topline s jednolikom ili nejednolikom raspodjelom brzina strujanja zraka. Ovom se metodom, nazvanom metoda cijevnih elemenata (MCE), cijevi lamelnog izmjenjivača topline dijele na cijevne elemente, a postavljanjem odgovarajućih jednadžbi očuvanja može se odrediti raspodjela temperatura
... More fluida, iskoristivost topline i izmijenjeni toplinski tok u izmjenjivaču topline. MCE može predvidjeti i iskoristivost topline u lamelnim izmjenjivačima topline sa složenim međusobnim smjerom strujanja fluida uzimajući u obzir i utjecaje provođenja topline u lamelama te nejednolike raspodjele ulaznih temperatura zraka. Rezultati MCE metode uspoređivani su s rezultatima eksperimentalnih ispitivanja te su postignuta vrlo dobra poklapanja između predviđenih i izmjerenih vrijednosti. Opisivanjem dosad nedovoljno istraženih utjecaja poput nejednolike raspodjele ulaznih temperatura i brzina strujanja zraka, utjecaja provođenja topline u lamelama i geometrije spajanja cijevi, MCE metoda predstavlja napredak i proširenje standardne metode za proračun iskoristivosti topline. Utjecaj nejednolike raspodjele brzina strujanja zraka analiziran je i numeričkim putem za nekoliko jednostavnijih slučajeva. Iako se numeričkim putem ne može modelirati cijeli lamelni izmjenjivač topline, numerička je analiza u sprezi s MCE metodom otkrila da nejednolika raspodjela ulaznih brzina strujanja zraka povećava koeficijente prijelaza topline konvekcijom.
Od važnijih zaključaka potrebno je spomenuti da nejednoliki profili brzina strujanja zraka s malim ili umjerenim stupnjem nejednolikosti smanjuju izmijenjeni toplinski tok za 10-15% u odnosu na izmjenjivače topline s jednolikim profilom brzina strujanja zraka. U slučaju ekstremno nejednolikih profila brzina strujanja zraka smanjenje izmijenjenog toplinskog toka može iznositi i do 30%. Smanjenje izmijenjenog toplinskog toka je najveće kada su toplinski kapaciteti dviju struja fluida jednaki, a najmanje kada je toplinski kapacitet slabije struje zanemariv u odnosu na toplinski kapacitet jače struje – kao u isparivačima i kondenzatorima. Nadalje, smanjenje toplinskog toka je najveće u slučaju laminarnog strujanja, a najmanje u slučaju turbulentnog strujanja zraka. U određenim slučajevima nejednoliki profili brzina zraka, umjesto smanjenjem, mogu rezultirati povećanjem izmijenjenog toplinskog toka, pogotovo u isparivačima. Spomenuto povećanje toplinskog toka pripisuje se povećanju prosječnog koeficijenta prijelaza topline konvekcijom kojeg uzrokuje nestabilno strujanje zraka u izmjenjivaču topline s nejednolikom raspodjelom ulaznih brzina zraka. Provođenje topline u lamelama pogoršava iskoristivost topline i smanjuje izmijenjeni toplinski tok u lamelnim izmjenjivačima topline. U većini slučajeva provođenje topline u lamelama smanjuje iskoristivost topline za nekoliko postotaka, a rjeđe smanjenje iskoristivosti topline može iznositi
10% ili više. Utjecaj provođenja topline u lamelama je najsnažniji u izmjenjivačima s unakrsnim i protusmjernim strujanjem fluida, a najmanji u izmjenjivačima s istosmjernim strujanjem fluida. Nejednolika raspodjela ulaznih temperatura zraka uzrokuje promjenu iskoristivosti topline od 1% do 2%. Iskoristivost topline se može povećati ili smanjiti ovisno o novonastaloj raspodjeli razlika temperatura između dvaju fluida u izmjenjivaču topline.
Utjecaj nejednolike raspodjele zraka na pad tlaka u lamelnim izmjenjivačima topline analiziran je numeričkim i eksperimentalnim putem, a ponuđena je i matematička formulacija koja predviđa povećanje pada tlaka na temelju statističkih momenata profila brzina strujanja zraka. Povećanje pada tlaka ovisi najviše o stupnju nejednolikosti (relativna standardna devijacija) profila brzina zraka i može iznositi do 100% u slučaju nejednolikih profila s visokim stupnjem nejednolikosti. Less Abstract (english) In this doctoral thesis, the influence of airflow distribution on thermal-hydraulic properties of finned tube heat exchangers is investigated. A new method for calculating the rate of heat transfer in finned tube heat exchangers with uniform or non-uniform airflow has been proposed. Using this method, called the tube element method (TEM), tubes in finned tube heat exchangers are divided into tube elements, and after setting appropriate
... More conservation equations, the fluid temperature distributions, the heat transfer rate and the heat exchangers effectiveness can be determined. The TEM method is capable of predicting the thermal effectiveness of finned tube heat exchangers with complex flow arrangement and furthermore it can take into account the effects of fin longitudinal heat conduction and non-uniform air inlet temperatures. The TEM results were compared to the experimental tests and a very good accordance between the predicted and the measured quantities has been achieved.
Being able to determine the effects of inlet airflow and temperature nonuniformities as well as the effects of longitudinal heat conduction and complex tube-side fluid circuitry, the TEM method
presents an improvement and extension of the standard -NTU method.
The effect of non-uniform airflow is investigated numerically for a few simple cases. Although CFD cannot compute whole finned tube heat exchangers, the numerical analysis coupled with the TEM method revealed that non-uniform airflow increases the convective heat transfer coefficient.
Out of the most important conclusions it is necessary to point out that non-uniform airflow profiles with low or moderate degrees of nonuniformity reduce the heat transfer rate by 10-15% compared to heat exchangers with uniform airflow profiles. Severely non-uniform airflow profiles can reduce the heat transfer rate and thus the exchanger effectiveness by up to 30%. Generally, maximum heat transfer deterioration occurs in a heat exchanger having balanced heat capacity rates between fluids while minimum deteriorations occurs in heat exchangers where the heat capacity rate of the weaker fluid is negligible to that of the stronger fluid - as in evaporators and condensers. Furthermore, the heat transfer deterioration is largest for laminar airflow and smallest for turbulent airflow. In certain cases, non-uniform airflow, instead of reducing, may lead to increases in the heat transfer rate - especially in evaporators. This increase in heat tranfer rate is attributed to a larger convective heat transfer coefficient caused by unstable airflow which arises in heat exchangers with non-uniform inlet air velocities.
Longitudinal heat conduction in fins reduces the effectiveness and the heat transfer rate of a heat exchanger. The heat transfer deterioration is a few percent in most cases but in particular cases the deterioration can be 10% or more. The effect of longitudinal heat conduction is the largest in crossflow and counterflow heat exchangers and the lowest in parallel flow heat exchangers.
Non-uniform air inlet temperatures have a weak influence on the heat exchanger effectiveness – only 1-2%. The heat exchanger effectiveness can be increased or decreased depending on the new distribution of temperature differences between the two fluids in the heat exchanger.
The impact of non-uniform airflow on pressure drop in finned tube heat exchangers is investigated numerically and experimentally. A mathematical formulation including the statistical moments of the airflow profile is given for predicting the pressure drop increase. The pressure drop increase depends mostly on the degree of airflow nonuniformity (i.e. the relative standard deviation) and can amount up to 100% for severely non-uniform airflow profiles. Less Keywords
Lamelni izmjenjivač topline
nejednolika raspodjela brzina zraka
smanjenje iskoristivosti topline
složeni međusobni smjer strujanja fluida
provođenje topline u lamelama
nejednolika raspodjela temperatura zraka
povećanje pada tlaka
Keywords (english)
Finned tube heat exchanger
Airflow nonuniformity
Effectiveness deterioration
Complex fluid flow arrangement
Longitudinal heat conduction
Air temperature nonuniformity
Pressure drop increase
Language croatian URN:NBN urn:nbn:hr:188:128114 Study programme Title: Postgraduate university (doctoral) study Catalog URL http://libraries.uniri.hr/cgi-bin/ucat/unilib.cgi?form=D1160524097 Type of resource Text Extent 238 str; 30 cm File origin Born digital Access conditions Open access Terms of use Created on 2017-01-19 19:40:16
