Numerical analysis of natural convection heat transfer from annular fins on a horizontal cylinder

Bu çalışmada, yatay bir silindir üzerine yerleştirilmiş dairesel kanatçıklardan doğal konveksiyon ile ısı transferi sayısal olarak incelenmiştir. Çalışmanın amacı, kanatçık çapı, kanatçık aralığı gibi geometrik parametrelerin ve tabanortam sıcaklık farkının kanatçık dizilerinin ısı transfer performansı üzerine etkilerini belirlemek ve maksimum ısı transferini sağlayacak optimum parametreleri bulmaktır. Kanatçık kalınlığı 1 mm tutularak, kanatçık çapı 35 mm den 160 mm ye ve kanatçık aralığı 3.5 mm den 146 mm ye değiştirilmiştir. Silindir yüzeyinin yanı sıra her bir kanatçık yüzeyinin sabit sıcaklıkta olduğu kabul edilmiştir. Çalışma akışkanı olarak hava kullanılmıştır. Problem açık sınırlı, üç boyutlu silindirik koordinat sisteminde doğal konveksiyon problemidir. Kütle, momentum ve enerji denklemleri uygun sınır şartları kullanılarak PHOENICS programı ile çözülmüştür. Elde edilen sonuçlar, kanatçıklara transfer edilen ısının, kanatçık çapına, kanatçık aralığında ve taban-ortam sıcaklık farkına bağlı olduğunu göstermiştir. Çalışmanın sonunda elde edilen verilerden, Rayleigh sayısına ve kanatçık aralığına bağlı olarak, optimum kanatçık aralığı için bir bağıntı elde edilmiştir.

Yatay bir silindir üzerinde bulunan dairesel kanatçıklardan doğal konveksiyonla ısı transferinin sayısal olarak incelenmesi

In this study, natural convection heat transfer from an annular fin on a horizontal cylinder was numerically investigated. The aim of the study was to determine the effects of geometric parameters like: fin diameter, fin spacing and base-to-ambient temperature difference on the heat transfer performance of fin arrays, and to find optimum parameters that maximize the heat transfer rate. Keeping the fin thickness at 1 mm, fin diameter was varied from 35 mm to 160 mm and fin spacing 3.5 mm to 146 mm. Surface of the cylinder as well as the surface of each fin were assumed to be at a uniform temperature. Air was selected as the working fluid. The problem was a three-dimensional natural convection phenomenon with open boundaries and was solved with a cylindrical coordinate system. The equations of mass, momentum and energy were solved using appropriate boundary conditions by means of PHOENICS. The obtained results have shown that the convection heat transfer from the fins depends on fin diameter, fin spacing and base to ambient temperature difference. Finally, a correlation was obtained for the optimum fin spacing depending on Rayleigh number and fin diameter.

PDF

___

Aziz, A., Optimum Dimensions of Extended Surfaces Operating in a Convective Environment, Appl. Mech. Rev. 45, 155-173, 1992.
Aziz, A., Kraus, A. D., Optimum Design of Radiating and Convecting-Radiating Fins, Heat Transfer Engineering 17, 44-78, 1996.
Chen H. T, Hsu W. L Estimation of Heat Transfer Coefficient on The Fin of Annular-Finned Tube Heat Exchangers in Natural Convection for Various Fin Spacings, Int. J. Heat Mass Transfer 50, 1750-1761, 2007.
Haldar, S. C., Laminar Free Convection Around a Horizontal Cylinder with External Longitudinal Fins, Heat Transfer Engineering 25, 45-53, 2004.
Haldar, S. C., Kochhar, G.S., Monohar, K., Sahoo, R. K., Numerical Study of Laminar Free Convection About a Horizontal Cylinder with Longitudinal Fins of Finite Thickness, Int. J. Thermal Sci. 46, 692-698, 2007.
Karabacak, R., The Effects of Fin Parameters on The Radiation and Free Convection Heat Transfer from a Finned Horizontal Cylindrical Heater, Energy Convers. Mgmt. 33, 997-1005, 1992.
Kundu, B., Das, P. K., Performance Analysis and Optimization of Eccentric Annular Disk Fins, J. Heat Transfer, 121, 128-135, 1999.
Kundu, B., Das, P. K., Performance Analysis and Optimum Design Analysis of Convective Fin Arrays Attached to Flat and Curved Primary Surfaces, Int. J. Refrigeration 32, 430-443, 2009.
Patankar, S. V., Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Hemisphere, New York, 1980.
Rosten, H., Spalding, D. B., The PHOENICS Beginners Guide, CHAM 1, Ltd. London, 1987.
Spalding, D. B., The PHOENICS Encyclopedia, CHAM Ltd. London, 1994.
Ullmann, A., Kalman, H., Efficiency and Optimized Dimensions of Annular Fins of Different Cross-Section Shapes, Int. J. Heat Mass Transfer 32, 1105-1110, 1989.
Yildiz, Ş., Yüncü, H., An Experimental Investigation on Performance of Annular Fins on a Horizontal Cylinder in Free Convection Heat Transfer, Heat Mass Transfer, 40, 239-251,2004.
Wang, C.-S., Yovanovich, M. M., Culham, J. R., General Model for Natural Convection: Application to Annular-Fin Heat Sink, National Heat Transfer Conference 5, 119-128, 1997.