The effect of fin pitch on heat transfer and fluid flow characteristics in the entrance region of a finned concentric passage

Bu çalışmada, iç yüzeyi kanatçıksız ve kanatçıklı konsantrik pasajdaki (düzgün yüzeyli ve kanatçıklı halka kesitli kanalda) ısı geçişi ve akış karakteristikleri deneysel olarak incelenmektedir. Türbülans karakteristikleri, akış alanı, basınç kayıpları ve ısı geçişi ölçümleri, 0.2 çap oranına sahip konsantrik pasajın giriş bölgesinde gerçekleştirilmektedir. Türbülans ve akış ölçümlerinde kızgın telli anemometre, ısı geçişi ölçümlerinde ise sıvı kristal yöntemi kullanılmaktadır. Kanatçıklı pasajda, kanatçık kalınlığı (W) 2 mm, kanatçık yüksekliği (H) 2, 4, 6 ve 8 mm ve kanatçık adımı (P) 20, 30 ve 40 mm olarak tasarlanmıştır. Reynolds sayısı, akış ve basınç kaybı ölçümlerinde 1.8.104÷1.24.105 aralığında değişirken ısı transferi ölçümlerinde 1.65.104÷7.65.104 aralığında değişmiştir. Deneyler, değişen akış ve kanat parametrelerinde düzgün ve kanatçıklı konsantrik pasajlarda gerçekleştirilmiştir ve kanatçık adımının etkileri incelenmiştir. Düzgün ve kanatçıklı konsantrik pasajlardaki akışın gelişimi analiz edilmiş ve türbülans şiddetinin, sürtünme katsayılarının, yerel ve ortalama ısı geçişi katsayılarının değişimleri elde edilmiştir. Kanatçıklı konsantrik pasajlarda elde edilen sonuçlarla düzgün konsantrik aralıktaki sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Ortalama Nusselt sayıları ve sürtünme faktörü için deneysel eşitlikler geliştirilmiştir. Kanatçıklı pasajda ortalama Nusselt sayısı iç yüzeyde 1.36 ile 5.23 kat ve dış yüzeyde 1.03 ile 1.80 kat artarken sürtünme faktörünün 3.61 ile 18.05 kat arttığı görülmüştür.

Kanatçık adımının kanatçıklı konsantrik pasajın giriş bölgesindeki akış ve ısı transferi karakteristiklerine etkisi

In this study, the heat transfer and fluid flow characteristics in the unfinned and internally finned concentric passage (smooth and finned annulus) are investigated experimentally. The turbulence characteristics, mean flow, pressure drop and heat-transfer parameters in the entrance region of a concentric passage of diameter ratio 0.2 are measured. The hot-wire anemometer and the liquid-crystal technique are used for the turbulence and mean flow and the heat transfer measurements, respectively. The finned passage is designed as the fin width (W) of 2 mm, the fin height (H) of 2, 4, 6 and 8 mm and the fin pitch (P) of 20, 30 and 40 mm. Reynolds number ranges from 1.8 .104 to 1.24.105 and from 1.65.104 to 7.65.104 for flow and pressure drop and heat transfer measurements, respectively. Experiments are performed for the smooth and finned concentric passages by varying flow and fin parameters and the effects of the fin pitch are investigated. The developing of fluid flow is analyzed and the variation of turbulence intensity, friction factors, local and mean convective heat transfer coefficients in the smooth and finned concentric passages are obtained. Results obtained in the finned concentric passages are compared with the results of the smooth passage. For the average Nusselt numbers and friction factor, empirical equations are developed. As a result, it is seen that the friction factor in the finned passage increases between 3.61 and 18.05 times while the average Nusselt number augments between 1.36 and 5.23 times on the inner surface and between 1.03 and 1.80 times on the outer surface.

PDF

___

Agrawal, A.K., Sengupta, S., Laminar flow and Heat Transfer in a Finned Tube Annulus, Int.J. Heat and Fluid Flow 11 (1), 54-59, 1990.
Baughn, J.W., Yan, X., Roby, J.L., An Insertion Technique Using the Transient Method with Liquid Crystals For Enhanced Heat Transfer Measurements in Ducts, Enhanced Heat Transfer 1, 179-190, 1994.
Braga, C.V.M., Saboya, F.E.M., Turbulent Heat Transfer, Pressure Drop and Fin Efficiency in Annular Regions with Continuous Longitudinal Rectangular Fins, Experimental Thermal and Fluid Science 20, 55-65, 1999.
Camci, C. and Glezer, B. Liquid Crystal Thermography On The Fluid Solid Interface Of Rotating Systems, Transactions ASME 119, 20-29, 1997.
Camci, C., Kim, K. and Hippensteele, S. A. A New Hue Capturing Technique for the Quantitative Interpretation of Liquid Crystal Images Used In Convective Heat Transfer Studies, ASME J. Turbomachinery 114, 765-775, 1992.
Camci, C., Kim, K., Hippensteele, S. A. and Poinsatte, P. E. Evaluation Of A Hue Capturing Based Transient Liquid Crystal Method For High Resolution Mapping Of Convective Heat Transfer On Curved Surfaces, ASME J. Heat Transfer 115, 311-318, 1993.
Churchill, S.W., Chu, H.H.S., Corelating Equations for Laminar and Turbulent Free Convection from a Horizantal Cylinder, Int.J. Heat Mass Transfer 18, 1049-1053, 1975.
Fergason, J. L. Liquid Crystals in Nondestructive Testing, Applied Optics 7, 1729-1737, 1968.
Garimella, S., Christensen, R.N., Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of Spirally Fluted Annuli: Part I-Hydrodynamics, ASME Journal of Heat Transfer 117, 54-60, 1995.
Garimella, S., Christensen, R.N., Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of Spirally Fluted Annuli: Part II-Heat Transfer, ASME Journal of Heat Transfer 117, 61-68, 1995.
Heikal, M.R.F., Walklate, P.J. and Hatton, A.P. The Effect of Free Stream Turbulence Level in The Flow and Heat Transfer in the Entrance Region of An Annulus. Int. J. Heat Mass Transfer 20, 763-771, 1977.
Hsieh, S.S., Lin, C.C., An Experimental Study of Laminar Entrance Flow and Heat Transfer in Finned Tube Annuli, Int. J. Heat Mass Transfer 36, 2457-2471, 1993.
Kahalerras, H., Targui,N., Numerical Analysis of Heat Transfer Enhancement in a Double Pipe Heat Exchanger With Porous Fins, International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow 18(5), 593-617, 2008.
Kakaç, S., Shah, R.K., Aung, W., Handbook of Single-Phase Convective Heat Transfer , A Willey-Interscience Publication, New York, 1987.
KERN Teilkristalline Thermoplaste und ihre Eigenschaften, Germany, 1995.
Kuvvet, K., Flow and Heat Transfer In Internally Finned Concentric Passage, PhD. Thesis, Karadeniz Technical University, Turkey, 2002.
Mon,M.S., Gross,U., Numerical Study of Fin-Spacing Effects in Annular Finned Tube Heat Exchangers, Int. J. Heat Mass Transfer 47, 1953–1964, 2004.
Patankar, S.V., Ivanovic, M.,Sparrow, E.M., Analysis of Turbulent Flow and Heat Transfer in Internally Finned Tubes and Annuli, J. Heat Transfer 101, 29-37, 1979.
Renzoni, P., Prakash, C., Analysis of Laminar Flow and Heat Transfer in the Entrance Region of an Internally
Finned Concentric Circular Annular Duct, ASME Journal of Heat Transfer, 109, 532-538, 1987.
Shim, S.Y., Soliman, H.M., Sims, G.E., Turbulent Fluid Flow, Heat Transfer and Onset of Nucleate Boiling in Annular Finned Passages, Int.J. Thermal Science 39, 709-720, 2000.
Syed, K. S., Iqbal, M., Mir, N. A., Convective Heat Transfer in The Thermal Entrance Region of Finned Double-Pipe, Heat Mass Transfer 43, 449–457, 2007.
Wierzbowski, M., Stasiek ,J., Liquid Crystal Technique Application for Heat Transfer Investigation in a Fin-Fube Heat Exchanger Element, Experimental Thermal and Fluid Science 26, 319-323, 2002.