Boyuna Uzatılmış Yüzeylerde Dikdörtgensel Oyukların Isı Atımına Etkisi: Bir Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Analizi

Bu çalışmada, üç farklı zorlanmış taşınım koşulu için (h = 25, 50 ve 100 W/m2K) konvansiyonel ve oyuklu kanatlardan olan ısı transferi ANSYS FLUENT yazılımı ile incelendi ve analizler çeşitli oyuk seviyeleri için tekrarlandı. Analizlerde kanat malzemesi olarak 202.4 W/mK ısıl iletkenliğe sahip alüminyum kullanıldı. Operasyonel durum için fotovoltaik sistemlerin zorlanmış taşınımla soğutulması durumu göz önüne alındı ve bu bağlamda, kanat taban sıcaklığı, standart test koşullarını (1000 W/m2 ışınım akısı, 298.15 K çevre sıcaklığı) göz önünde bulundurarak 353.15 K seçildi. Sürekli rejim koşullarında kanat boyunca enerji denklemi e=10^(-9) yakınsama kriteri ile çözüldü. Çalışmada dikkate alınan referans kanat profili 50 mm boy, 10 mm yükseklik ve 1 mm kalınlık ölçülerine sahiptir. Kanat boyunca boylamasına 1 mm2’lik oyuk çiftleri (λ) oluşturuldu ve her bir λ değeri için konvansiyonel ve oyuklu kanatlardan olan ısı atımları sayısal olarak belirlendi. Kanat verimi oyuk seviyesinin bir fonksiyonu olarak ayrıca hesaplandı. Sayısal sonuçlar, artan λ değeri ile kanattan olan ısı atımının azaldığını, ancak bütün taşınım koşulları için, belirli bir λ değerinden sonra birim kanat hacminden olan ısı atımının konvansiyonel kanata kıyasla daha fazla olduğunu gösterdi. Düşük h değerlerinde oyuk etkilerinin daha belirgin olduğu görüldü. h = 25 W/m2K için konvansiyonel kanattan olan ısı atımı 2.5032 W iken, λ = 24 için oyuklu kanattan olan ısı atımı 2.6683 W olarak belirlendi. Bu durum ısı atımında yaklaşık %6.6’lık bir iyileşmeye karşılık gelmektedir.

Anahtar Kelimeler:

Isı transferi, Uzatılmış yüzey, Boyuna oyuk, Kanat verimi, Kanat hacmi başına ısı atımı

Impacts of Rectangular Perforations in Longitudinal Extended Surfaces on Heat Dissipation: A Computational Fluid Dynamics Analysis

In this study, for three different forced convection conditions (h = 25, 50 and 100 W/m2K), heat transfer through conventional and perforated fins has been investigated by ANSYS FLUENT software, and the analyses have been repeated for various perforation levels. Aluminium has been utilised as the fin material in the analyses with a thermal conductivity of 202.4 W/mK. For the operational case, cooling of photovoltaic systems by forced convection has been considered, and in this respect, fin base temperature has been selected to be 353.15 K by taking standard test conditions (1000 W/m2 solar intensity, 298.15 K ambient temperature) into consideration. For steady-state conditions, energy equation has been solved along the fin for the convergence criterion of e=10^(-9). Reference fin profile considered in the research has a 50 mm length, 10 mm height and 1 mm width. Perforation pairs (λ) of 1 mm2 have been formed longitudinally along the fin and the heat dissipations from conventional and perforated fins have been numerically determined for each λ value. Fin efficiency has also been calculated as a function of perforation level. Numerical results have revealed that heat transfer from the fin decreases with increasing λ value, however for each convection condition, heat dissipation per fin volume from the perforated fin is greater in comparison to the conventional fin after a certain λ value. Perforation effects have been found more noticeable for the lower h values. For h = 25 W/m2K, heat dissipation from the conventional fin has been determined to be 2.5032 W whereas the heat transfer through the perforated fin has been found to be 2.6683 W. This case corresponds to an enhancement of about 6.6% in heat dissipation.

Keywords:

Heat transfer, Extended surface, Longitudinal perforation, Fin efficiency, Heat dissipation per fin volume,

PDF

___

Ali, H.M., Ashraf, M.J., Giovannelli, A., Irfan, M., Irshad, T.B., Hamid, H.M., Hassan, F. and Arshad, A., 2018. Thermal management of electronics: An experimental analysis of triangular, rectangular and circular pin-fin heat sinks for various PCMs. International Journal of Heat and Mass Transfer, 123, 272-284.
Azarkish, H., Sarvari, S.M.H. and Behzadmehr, A., 2010. Optimum geometry design of a longitudinal fin with volumetric heat generation under the influences of natural convection and radiation. Energy Conversion and Management, 51, 1938-1946.
Bakhti, F.Z. and Si-Ameur, M., 2019. A comparison of mixed convective heat transfer performance of nanofluids cooled heat sink with circular perforated pin fin. Applied Thermal Engineering, 159, 113819.
Cuce, E. and Cuce, P.M., 2013. Effects of concavity level on heat loss, effectiveness and efficiency of a longitudinal fin exposed to natural convection and radiation. International Journal of Numerical Methods for Heat and Fluid Flow, 23 (7), 1169-1178.
Cuce, E., Oztekin, E.K. and Cuce, P.M., 2019. Heat transfer enhancement in cylindrical fins through longitudinal parabolic perforations. International Journal of Ambient Energy, 40 (4), 406-412.
Cuce, P.M. and Cuce, E., 2014. Optimization of configurations to enhance heat transfer from a longitudinal fin exposed to natural convection and radiation. International Journal of Low-Carbon Technologies, 9 (4), 305-310.
Guo, K., Zhang, N. and Smith, R., 2018. Design optimisation of multi-stream plate fin heat exchangers with multiple fin types. Applied Thermal Engineering, 131, 30-40.
Ibrahim, T.K., Mohammed, M.N., Mohammed, M.K., Najafi, G., Sidik, N.A.C., Basrawi, F., Abdalla, A.N. and Hoseini, S.S., 2018. Experimental study on the effect of perforations shapes on vertical heated fins performance under forced convection heat transfer. International Journal of Heat and Mass Transfer, 118, 832-846.
Incropera, F.P. and DeWitt, D.P., 2010. Isı ve kütle geçişinin temelleri (4. Basım). Literatür Yayıncılık, İstanbul, 960s.
Kobus, C.J. and Cavanaugh, R.B., 2006. A theoretical investigation into the optimal longitudinal profile of a horizontal pin fin of least material under the influence of pure forced and pure natural convection with a diameter-variable convective heat transfer coefficient. Journal of Heat Transfer, 128 (8), 843-846.
Maji, A., Bhanja, D., Patowari, P.K. and Kundu, B., 2019. Thermal analysis for heat transfer enhancement in perforated pin fins of various shapes with staggered arrays. Heat Transfer Engineering, 40, 295-319.
Nadooshan, A.A., Kalbasi, R. and Afrand, M., 2018. Perforated fins effect on the heat transfer rate from a circular tube by using wind tunnel: An experimental view. Heat and Mass Transfer, 54, 3047-3057.
Yang, X., Lu, Z., Bai, Q., Zhang, Q., Jin, L. and Yan, J., 2017. Thermal performance of a shell-and-tube latent heat thermal energy storage unit: Role of annular fins. Applied Energy, 202, 558-570.