بررسی اثر زاویه و طول مولد‌های گردابه با ساختار سینوسی بر عملکرد مبدل‌های حرارتی فشرده

علوم کاربردی و محاسباتی در مکانیک

مقاله 4، دوره 36، شماره 4 - شماره پیاپی 38، دی 1403، صفحه 57-74   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jacsm.2024.81445.1171

نویسندگان

علی سعداله^{* 1}؛ داود براتی²؛ امیرحسین دودانگه³

¹دانشکده مهندسی مکانیک. دانشگاه علم و فرهنگ، تهران، ایران

²دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران مرکزی، استان تهران، ایران

³دانشکده مکاترونیک، دانشگاه آزاد اسلامی واحد کرج، استان البرز، ایران

چکیده

استفاده روزافزون از مبدل‌های حرارتی فشرده که هم از وزن کمتری برخوردار بوده و هم فضای کوچک‌تری را به نسبت مبدل‌های بزرگ اشغال می‌کنند، سبب این موضوع شده است که مطالعه بر روی این‌گونه مبدل‌ها بیش‌ازپیش نیاز باشد. در این مقاله، هدف بررسی چند مدل پیشنهادی از این نوع مبدل‌ها با حضور مولدهای گردابه در هندسه‌های مختلف، از نظر نرخ انتقال ‌حرارت و افت ‌فشار است. برای دستیابی به این اهداف، مولدهای گردابه با ضابطة موج‌های سینوسی طراحی شده‌اند و تحت چند زاویة حمله و طول‌های مختلف مورد بررسی قرار گرفته‌اند تا تأثیرات این پارامترهای هندسی مختلف بر روی نرخ انتقال‌ حرارت از لوله‌ها و افت ‌فشار در طول مبدل مشخص شود. در مسئله موردنظر، هوای گرم با دمای ثابت 350 کلوین در داخل لوله‌ها و هوای سرد با دمای 300 کلوین در پوستة مبدل‌ حرارتی در جریان هستند. این مسئله در حالت پایا و به‌صورت دوبعدی در جریان آرام سیال (اعداد رینولدز بین 400 تا 1000)، با استفاده از روش المان محدود گسسته‌سازی شده و در نرم‌افزار تجاری انسیس فلوئنت مورد بررسی قرار گرفته است. طبق نتایج بدست آمده، مولدهای گردابه سینوسی در زاویه حمله 20 درجه و طول 6 میلیمتری مناسب-ترین میزان انتقال حرارت و افت ‌فشار را در میان حالات مورد بررسی به خود اختصاص دادند.

کلیدواژه‌ها

نرخ انتقال‌ حرارت؛ مبدل‌های حرارتی فشرده؛ مولدهای گردابه سینوسی؛ ضریب لاندن

مراجع

[1]    A. Hajimohammadi, and M. Rajabi Zargarabadi, “Numerical Simulation of the Effects of Sinusoidal Pulsed Impinging Jet on Heat Transfer from the Concave Cylindrical Surface”, Journal of Applied and Computational Sciences in Mechanics, vol. 29, no. 1, pp. 17-30, 2018. (in persian) https://doi.org/10.22067/fum-mech.v29i1.59499

[2]    H. Eskandari, S. I. Hashemi Marghmolki, ''Numerical comparison of thermo-hydraulic characteristics of the shell side of shell-tube heat exchangers with trifoil baffles and sector baffles by means of genetic algorithm'', Journal of Applied and Computational Sciences in Mechanics, vol. 35, no. 2, pp. 55-76, (2023) (in persian).

[3]    H. Pakdaman, M. R. Alizadeh, and V. Kalanter, ''Numerical investigation of heat transfer and pressure drop in plate heat exchanger with chevron plates'', Journal of Applied and Computational Sciences in Mechanics, vol. 25, no. 1, pp. 47-60, 2013. (in persian) https://doi.org/10.22067/fum-mech.v25i1.16053

[4]    A. Žkauskas, ''Heat Transfer from Tubes in Crossflow'', Advances in heat transfer, vol. 18, pp. 87-159, 1987. https://doi.org/10.1016/S0065-2717(08)70038-8

[5]    J. S. Leu, Y. H. Wu, and J. Y. Jang, ''Heat transfer and fluid flow analysis in plate-fin and tube heat exchangers with a pair of block shape vortex generators'', International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 47, no. 19, pp. 4327-4338, (2004).

[6]    A. A. Gholami, M. A. Wahid, and H. A. Mohammed, ''Heat transfer enhancement and pressure drop for fin-and-tube compact heat exchangers with wavy rectangular winglet-type vortex generators'', International Communications in Heat and Mass Transfer, vol. 54, pp. 132-140, 2014. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2014.02.016

[7]    Y. L. He, P. Chu, W. Q. Tao, Y. W. Zhang, and T. Xie, ''Analysis of heat transfer and pressure drop for fin-and-tube heat exchangers with rectangular winglet-type vortex generators'', Applied Thermal Engineering, vol. 61, no. 2-3, pp.770-783, 2013. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2012.02.040

[8]    A. J. Modi, and M. K. Rathod, ''Comparative study of heat transfer enhancement and pressure drop for fin-and-circular tube compact heat exchangers with sinusoidal wavy and elliptical curved rectangular winglet vortex generator'', International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 141, pp. 310-326, 2019. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.06.088

[9]    M. Awais, and A. A. Bhuiyan, ''Enhancement of thermal and hydraulic performance of compact finned-tube heat exchanger using vortex generators (VGs): A parametric study'', International Journal of ThermalSciences, vol. 140, pp. 154-166, 2019. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2019.02.041

[10] G. Lu, and X. Zhai, ''Effects of curved vortex generators on the air-side performance of fin-and-tube heat exchangers'', International Journal of Thermal Sciences, vol. 136 ,pp. 509-518, 2019. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2018.11.009

[11] Y. Wang, W. Zhao, P. Wang, J. Jiang, and X. Lou, ''Thermal Performance of Elliptical Fin-and-Tube Heat Exchangers with Vortex Generator under Various Inclination Angles'', Journal of Thermal Science, vol. 30, no. 1, pp. 257-270, 2021. https://doi.org/10.1007/s11630-020-1305-3

[12] D. Sahel, H. Ameur, and K. Alem, ''Enhancement of the hydrothermal characteristics of fin-and-tube heat exchangers by vortex generators'', Journal of Thermophysics and Heat Transfer, vol. 35, no.1, pp. 152-163, 2021.

[13] S. Caliskan, S. Şevik, and Ö. Özdilli, ''Heat transfer enhancement by a sinusoidal wavy plate having punched triangular vortex generators'', International Journal of Thermal Sciences, vol. 181, pp. 107769, 2022. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2022.107769

[14] H. Naik, S. Tiwari, and H. D. Kim, ''Flow and thermal characteristics produced by a curved rectangular winglet vortex generator in a channel'', International Communications in Heat and Mass Transfer, vol. 135, pp. 106103, 2022. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2022.106103

[15] J. Wu, P. Liu, M. Yu, Z. Liu, and W. Liu, ''Thermo-hydraulic performance and exergy analysis of a fin-and-tube heat exchanger with sinusoidal wavy winglet type vortex generators'', International Journal of Thermal Sciences, vol. 172, pp. 107274, 2022. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2021.107274

[16] A. Arora, and P. M. V. Subbarao, ''Geometric parametrization of toe-out type vortex generators for energy-efficient capacity augmentation in finned-tube heat exchangers'', Thermal Science and Engineering Progress, vol. 42, pp. 101936, 2023. https://doi.org/10.1016/j.tsep.2023.101936

[17] P. Saini, A. Dhar, and S. Powar, ''Performance enhancement of fin and tube heat exchanger employing curved trapezoidal winglet vortex generator with circular punched holes'', International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 209, pp. 124142, 2023. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124142

[18] H. Sun, H. Fu, H. Ma, T. Sun, Y. Luan, and P. Zunino, ''Heat transfer enhancement mechanism of elliptical cylinder for minichannels with delta winglet longitudinal vortex generators'', International Journal of Thermal Sciences, vol. 198, pp. 108839, 2024. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2023.108839

[19] A. S. Hurry, A. Vafadar, K. Hayward, F. Guzzomi, and K. Rauthan, ''Numerical investigation of the thermo-hydraulic performance of a shark denticle-inspired plate fin heat exchanger'', Applied Thermal Engineering, vol. 239, pp. 122192, 2024. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.122192