Investigation of the effect of nanofluid flow on heat transfer in double pipe heat exchangers

Abstract

Bu çalışmada, iç borunun dış yüzeyinde kanatçıklar bulunan ve "Alümina nanoakışkan" ilavesiyle bir "çift borulu ısı eşanjöründe" ısı transferi iyileştirmesinin sayısal bir araştırması yapılmıştır. Düz bakır boru üzerine sabitlenmiş, 35 mm yüksekliğinde, 1 mm kalınlığında ve her iki ayak arasında 8,5 mm mesafe bulunan dört çift bakır kanatlı malzemeden oluşan geometrinin oluşturulması sayısal çalışma kapsamındadır. Dış ve iç bakır boruların iç çapı 51,78 mm ve uzunlukları sırasıyla 1500 mm ve 1530 mm'dir. Halkalardan, değişen kütle akış hızlarına (0,03 ila 0,07) kg/sn sahip su ve değişen Reynolds sayılarına (250 ila 2500) sahip sıcak deiyonize su akarken, sıcak deiyonize su iç borudan akar. Nanoakışkanlar kullanılmadan düz ve kanatlı borulu ısı eşanjörülerin performansı sayısal olarak incelenmiştir. Kanatlı borulu bir ısı eşanjörü kullanmak, 2,3 ile 3,1 arasında bir iyileştirme oranıyla sonuçlandı. Simülasyon sırasında hacim konsantrasyonlarına (%1, %3 ve %5) sahip bir tür nanopartikül (Al2O3) kullanılmıştır. Konvektif ısı transfer katsayısı, hacim konsantrasyonu ve Reynolds sayısı arttıkça sayısal olarak arttı. Isı transfer katsayısı ve termal iletkenlik, %5'lik bir hacim konsantrasyonunda sırasıyla %20 ve %4,7 artar. "ANSYS FLUENT 20 paketi" kullanılarak hem akış alanını hem de ısı transferini analiz etmek için mevcut ısı eşanjörü üzerinde sayısal simülasyon gerçekleştirilmiştir. Isı eşanjörü içindeki akış alanını tahmin etmek için süreklilik, momentum ve enerji korunumu denklemlerinin çözümü kullanıldı. Nanoakışkanlı ve nanoakışkansız kanatlı tüplerin ısı transfer özellikleri arasında bir karşılaştırma yapılmıştır. Varsayımlar sabit durum, Newton akışı ve üç boyutu içeriyordu. Bulgular, ısı eşanjörüne kanat eklenmesinin ısı dağılımını iyileştirdiğini gösterdi. Simülasyon sırasında, bir baz sıvıya nanoparçacıkların eklenmesinin ısı akışını iyileştirebileceği keşfedildi. Bunun nedeni, baz akışkanın termofiziksel özelliklerinin artmasıdır. ANSYS FLUENT 20 yazılımı, mevcut ısı eşanjöründeki hem sıvı akışını hem de ısı transferini başarıyla tahmin etti.

In the present work, numerical investigation of heat transfer enhancement in double pipe heat exchanger embedded with fins on the outer surface of the inner tube and with addition of Alumina nanofluid have been carried out. Numerical work included construct the geometry which is consist from four pairs copper fins material of (35mm) height, (1mm) thickness, (8.5mm) distance between every two legs which fixed on the straight copper tube. The external and internal pipes have been manufactured from copper material of (51.78 ,20.4 mm) inner diameter, (1500, 1530 mm) length respectively. Cold water at various mass flow rates (0.03 to 0.07) kg/sec flows through annuli, and hot de-ionized water at Reynolds numbers ranging from (250 to 2500) flows through the inner tube. Performance of (smooth and finned) tube heat exchanger was investigated experimentally without nanofluids adoption. Numerical results showed (2.3 to 3.1) enhancement ratio when using finned tube heat exchanger. One type of nanoparticle (Al2O3) having volume concentrations (1%, 3%, and 5%) was used during simulation. Numerical results showed an increase in convective heat transfer coefficient by increasing both volume concentration and Reynolds number. Heat transfer coefficient and thermal conductivity increase at 5% volume concentration by (20%, 4.7%) respectively. Numerical simulation has been carried out on present heat exchanger to analyze both flow field and heat transfer using ANSYS FLUENT 20 package. The solution for conservation continuity, momentum and energy equations is utilized to predict the flow field inside the heat exchanger. A comparison of heat transfer for smooth, finned tube without nanofluids and finned tube with nanofluids was carried out. Steady state, Newtonian flow, incompressible and three dimensional were assumed. The results showed that adding fins enhanced the heat dissipation through heat exchanger. Heat transfer enhancement by adding nanoparticles to base fluid has been found during the simulation. This is due to the increase in thermo physical properties of base fluid. ANSYS FLUENT 20 package is successful for predicting both heat transfer and fluid flow in the present heat exchanger.