A periodic CFD approach for the performance analysis of compact high temperature heat exchangers is introduced and applied to selected benchmark problems, which are a fully developed 2D laminar heat transfer, a conjugate heat transfer between parallel plates which have exact solutions, and a heat transfer in a real high temperature heat exchanger module. The results for the 2D laminar heat transfer and the 2D conjugate heat transfer showed a very good agreement with the exact solutions. For the high temperature heat exchanger module, the pressure drops were predicted well but some difference was observed in the temperature parameters when compared to the full channel CFD analysis due to assumptions introduced into the periodic approach. Considering its assumptions and simplicities, however, the results showed that the periodic approach provides physically reasonable results and it is sufficient to predict the performance of a heat exchanger within an engineering margin and with much less CPU time than the case of a full channel analysis.
In this work, we studied the shell and helically coiled tube heat exchangers. Shell and coil heat exchangers with different rate of water flow and plate heat exchanger with same capacity were tested for condensing conditions. We proposed design guide using modified Wilson plot method. We compared fouling characteristics between shell and coil heat exchanger and plate heat exchanger, when they were washed and were not washed. The shell and coil heat exchanger showed 120% of higher saturated fouling resistance value and 4% of better heat transfer ratio than the plate heat exchanger.
Heat transfer and pressure drop characteristics of fin-and-tube heat exchangers having sine wave fins and oval tubes were investigated. Oval tubes having an aspect ratio of 0.6 were made, by deforming 12.7 mm round tubes. Twelve samples, having different fin pitch and tube row, were tested. The effect of fin pitch on the j and f factors was negligible. The effect of the tube row on the j factor, however, was different from that of common fin-and-tube heat exchangers having plain fins and round tubes. The highest j factor was obtained for a two-row configuration, while the lowest one was obtained for a one-row configuration. A possible reason was attributed to the flow mixing characteristics of the sine wave channel of the present geometry. Comparison with a plain fin-and-tube heat exchanger having 15.88 mm O. D. round tube reveals that the present oval fin-and-tube heat exchanger shows generally superior thermal performance, except for the one-row configuration.
Heat pumps are used for air-conditioning systems in commercial buildings, schools, and factories because of low operating and maintenance costs. These systems use the earth as a heat source in heating mode and a heat sink in cooling mode. Ground heat exchangers are classified by a horizontal type and vertical type according to the installation method. A horizontal type means that a heat exchanger is laid in the trench bored in 1.2 to 1.8 m depth. And a vertical type is usually constructed by placing small diameter high density polyethylene tube in a vertical borehole. Vertical tube sizes range from 20 to 40 mm nominal diameter. Borehole depth range between 100 and 200 m depending on local drilling conditions and available equipment. In this study, to evaluate the performance of single u-tube with bentonite grouting, single u-tube with broken stone grouting and double n-tube bentonite grouting of vertical ground heat exchangers, test sections are buried on the earth and experimental apparatus is installed. Therefore the heat transfer performance and pressure loss of these are estimated.
Cycle simulation of Ground Source Heat Pump[GSHP] system was carried out to determine the design specification of basic components such as turbo compressor and heat exchangers. Part load operation characteristics of the designed GSHP system was estimated using the compressor and heat exchanger performance data. A 50RT class turbo compressor for GSHP system is now under development, in which R134a refrigerant is adopted as working fluid. The compressor with variable cascade diffusers is designed to work both in cooling and heating modes so that it can actively keep up with the climate change with high efficiency. The normal running speeds of the compressor are 59000rpm for heating mode and 70000rpm for tooling mode respectively. It has two identical impellers at both ends of the rotor so as to minimize aero-induced thrust force effectively. GSHP system was coupled with a vortical type heat exchanger, and heat gain and heat loss from ground were evaluated per a bore hole. For the optimal integration of the heat pump system, its header for circulating fluid was combined with the ground heat exchangers in parallel and series configuration.
Optimal design of an air-to-liquid finned plate heat exchanger is considered theoretically in this study. Based on existing correlations for the pressure loss and the heat transfer in channel flows, the optimal configuration of the plate heat exchanger including the optimal plate pitch and the optimal fin pitch is obtained to maximize the heat transfer within the limit of the pressure drop for a given flow depth of the plate heat exchanger. It is found that the optimal fin pitch is about one ninth of the optimal plate pitch. In the optimal configuration, the flow and thermal condition in the channels is just at the boundary between the laminar developing and laminar fully developed states. It is also found when reducing the flow depth of plate heat exchangers for compactness, the heat transfer performance can be maintained exactly the same if the geometric parameters such as the plate thickness, plate pitch, fin thickness, and fin pitch are reduced proportional to the square root of the flow depth as long as the flow keeps laminar within the heat exchangers.
GSHP systems are used for air-conditioning systems in commercial buildings, schools, and factories because of low operating and maintenance costs. These systems use the earth as a heat source in heating and a heat sink in cooling mode. Ground heat exchangers are classified by a horizontal and vertical type according to the installation method. Vertical type is usually constructed by placing small diameter high density polyethylene tube in a vertical borehole. Vertical tube sizes range from 20 to 40 mm nominal diameter. Borehole depth range between 100 and 200 m depending on local drilling conditions and available equipment. In this study, to evaluate the performance of single u-tube with bentonite grouting, single u-tube with broken stone grouting and double u-tube bentonite grouting of vertical ground heat exchangers, test sections are buried on the earth and experimental apparatus is installed. Therefore the heat transfer performance and pressure loss of these are estimated.
Heat transfer rate can be increased by increasing the heat transfer area. In this study, wide louver fin-and-tube heat exchangers with $P_t/P_l=1.03$ were tested and compared with louver fin-and-tube heat exchanger with $P_t/P_l=0.6$. Results show that heat transfer capacities of wide louver samples are larger (9.8% at one row, 13.6% at two row and 4.1% at three row) than those of conventional louver samples. Considering the area ratio of 1.78, the increase of heat transfer capacity is rather small, possibly due to the smaller heat transfer coefficient and fin efficiency of the wide louver sample. The j factor of the louver fin was 67% larger at one row, 42% larger at two row and 52% larger at three row. The f factor of the louver fin was 81% larger at one row, 63% larger at two row and 60% larger at three row. The effect of fin pitch on j and f factors are not pronounced and the j factor decreased as the number of tube row increased.
The shell and tube heat exchangers were introduced to apply to a big capacity condenser and a high pressure feed water heater for power plant in the beginning of 1990s. Design and manufacturing technology fur shell and tube heat exchangers have been developed until now. But it is very difficult to calculate the expected performance characteristics of the shell and tube heat exchanger, because there are many design parameters to be considered according to internal structure and the shell side heat transfer mechanism complicately related to the design parameters. Design parameters to be considered in the design stage of shell and tube heat exchanger are shell and tube side fluids, flow rate, inlet and outlet temperature, physical properties, type of heat exchanger, outer diameter, thickness, length of tube, tube arrangement, tube pitch, permissive pressure loss on both sides, type of baffle plate, baffle cutting ratio. The propose of study is an analysis TEMA(Tubular Exchanger Manufacturers Association) E shell and tube heat exchanger performance with changing a number of baffles(3, 5, 7, 9, 11) and tubes(16, 20) and determined optimal baffle spacing.
Heat exchangers are called with important devices which have been widely used in industrial fields. Therefore, the design method for a heat exchanger is an important study in the aspect of energy saving. In this study, performance analyses for two types of plate and shell heat exchangers having a corrugated trapezoid shape of a chevron angle with $45^{\circ}$, were executed and compared with experiments. For this study, the operation liquids were adopted with non-phase changing water. In the analysis, ${\epsilon}-NTU$ method was used for a plate and shell heat exchanger and a program was constructed. Independent variables for a plate and shell heat exchanger are flow rate and inlet temperature. Compared with experimental data, the accuracy of the developed are ${\pm}2.5%\;and\;{\pm}5%$ at the type A and type B in the heat transfer rate, respectively. In the pressure drop, the accuracy of the proposed program for a plate and shell heat exchanger is within ${\pm}3%$ and 5% error bounds for the type A and type B, respectively.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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