Experimental research and simulation of fin and tube heat exchanger

Abstract

The paper provides the results of experimental and theoretical test of a wavy fin and tube heat exchanger used to cool air in a ventilation system when the wavy fin of the heat exchanger is dry and wet. The experimental tests, performed in the range of 1000<Re<4500 of the Reynolds number applying LMTD-LMED methodology, determined the dependency of the heat transfer coefficient on the supplied air flow rate with the varying geometry of the heat exchanger (the number of tube rows, the distance between fins, the thickness of the fin and the diameter of the tube). The experimental tests were performed on 9 heat exchangers in heating and 6 heat exchangers in cooling mode. After processing the results of the experimental tests, empirical equation defining the characteristics of the heat transfer coefficient of all heat exchangers were derived. The maximum heat transfer coefficient deviation is 11.6 percent. The correction factor of the wet fin (Lewis number) depending on the number of Reynolds, which ranges from 0.75 to 1.1 also is determined. Maximum capacity deviation equals 3.7 percent. The obtained equations can only be applied to a certain group of heat exchangers (with the same shape of fins or the distance between the tubes). The results of the experimental test and simulation with ANSYS program are compared and the heat transfer coefficients vary from 6.5 to 11.4 percent.

Article in Lithuanian.

Šilumokaičio tarp vandens ir oro eksperimentinis tyrimas ir modeliavimas

Santrauka

Pateikiami šilumokaičio tarp vandens ir oro, naudojamo orui vėsinti vėdinimo sistemoje, eksperimentinio ir teorinio tyrimo rezultatai esant sausai ir šlapiai banguotai šilumokaičio plokštelei. Atlikus eksperimentinius tyrimus 1000 < Re < 4500 Reinoldso kriterijaus kitimo intervale, taikant LMTD-LMED skaičiavimo metodiką, nustatyta šilumos perdavimo koeficiento priklausomybė nuo tiekiamo oro kiekio ir esant skirtingai šilumokaičio geometrijai (vamzdelių eilių skaičiui, atstumui tarp plokštelių, plokštelės storio ir vamzdelio skersmens). Eksperimentinių tyrimų metu tirti 9 šilumokaičiai šildymo ir 6 šilumokaičiai vėsinimo režimu. Apdorojant eksperimentinių tyrimų rezultatus išvesta empirinė formulė, kuri nusako tirtų šilumokaičių šilumos perdavimo koeficiento charakteristikas. Maksimalus šilumos perdavimo koeficiento nuokrypis lygus 11,6 %. Taip pat nustatytas šlapios plokštelės pataisos koeficientas (Lewis`o skaičius), kuris svyruoja nuo 0,75 iki 1,1, priklausomai nuo Reinoldso skaičiaus. Maksimalus galios nuokrypis lygus 3,7 %. Gautos lygtys gali būti taikomos tik tam tikrai šilumokaičių grupei (su vienoda plokštelių forma arba atstumu tarp vamzdelių). Atliekant eksperimentinį bandymą ir modeliavimą ANSYS programa gauti rezultatai yra palyginti ir gauta, kad šilumos perdavimo koeficientai skiriasi nuo 6,5 iki 11,4 %.

Reikšminiai žodžiai: ANSYS; banguota plokštelė; modeliavimas; šilumokaitis tarp vandens ir oro; sausas plokštelės paviršius; šilumos perdavimo koeficientas; šlapias plokštelės paviršius.

Keyword : ANSYS, wavy fin, simulation, fin and tube heat exchanger, dry surface of the fin, heat transfer coefficient, wet surface of the fin