تأثیر خروج از مرکز پره حلقوی در دسته پره‌های در معرض جریان بر روی تنش‌های حرارتی آن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی شهید نیکبخت، سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

2 دانشکده ریاضی، آمار و علوم کامپیوتر، سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

چکیده

در این مقاله، تأثیر جریان سیال گذرنده از روی یک دسته پره حلقوی با خروج از مرکزهای مختلف برروی تنش‌های حرارتی ایجاد شده در پره‌ها بررسی می‌شود. برای حل معادلات جریان متلاطم در سیال و تنش حرارتی در جامد به ترتیب از روش حجم محدود و المان محدود استفاده می‌شود. در این مطالعه تأثیر 2 گام و 4 ارتفاع پره بر روی میزان تنش حرارتی پره‌ها بررسی می‌گردد. سپس در هر ارتفاع پره، اثر 5 خروج از مرکز به منظور کاهش تنش‌های حرارتی ایجاد شده در پره‌ها در نظر گرفته می‌شود. نتایج نشان می‌دهد در هر ارتفاع پره، یک خروج از مرکز بهینه وجود دارد که میزان تنش حرارتی در پره در آن حالت از بقیه حالات کمتر است. همچنین نتایج نشان می‌دهد که بیشترین درصد کاهش تنش در پره نسبت به حالت بدون خروج از مرکز در هر دو گام 4 و 8 میلی‌متر مربوط به ارتفاع 4 میلی‌متری پره و به ترتیب بیش از 30% و 35% می‌باشد. بعلاوه، در خروج از مرکز بهینه پره‌ها، اگرچه کاهش تنش حرارتی قابل ملاحظه است اما افت فشار و انتقال حرارت به نسبت حالت بدون خروج از مرکز تفاوت ناچیزی دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

The Effect of the Eccentricity of the Annular Fin in the Bundle of Fins Exposed to Flow on Its Thermal Stresses

نویسندگان [English]

  • Mohammad abbasi shirg 1
  • samira payan 1
  • mojtaba hosseini 2
1 Department of Mechanical Engineering, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran
2 Department of mathematics, University of Sistan and Baluchestan.Zahedan,Iran
چکیده [English]

In this paper, the effect of the passed fluid flow around a fin in the bundle of annular fins with different eccentricities on thermal stresses created in it is discussed. To solve the turbulent fluid flow equations and thermal stress in solid, the volume element with the k-ε model and finite element methods are used, respectively. The results are obtained for 2 fin spacing and 4 heights of fins. Then, in each fin height, the effect of 5 eccentricities on the decrease of thermal stress is considered. The results show that at each fin height, there is an optimal eccentricity for which the thermal stress in the fin reaches its minimum value. The results show that the maximum decrease of thermal stress in optimal eccentricity related to fin height of 4mm for both fin spacing of 4 mm and 8mm is 30, and 35% respectively. According to the results of this paper, although the difference between both pressure drop and heat transfer values in two eccentricity optimal cases and concentric cases are negligible, thermal stress reduction is observable.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Finite element method
  • Finite volume method
  • Eccentricity
  • Thermal stress
  • Turbulent flow

مراجع

[1] M.S. Mon, Numerical investigation of air-side heat transfer and pressure drop in circular finned-tube heat exchangers, Ph.D. Thesis, Technische Universitat Bergakademie Freiberg, Freiberg, Germany, (2003).
[2] A. Erek, B. özerdem, L. Bilir, Z. İIlken, Effect of geometrical parameters on heat transfer and pressure drop characteristics of plate fin and tube heat exchangers, Applied Thermal Engineering, 25(14-15) (2005) 2421-2431.
[3] H.M. Şahin, A.R. Dalb, E. Baysala, 3-D Numerical study on the correlation between variable inclined fin angles and thermal behavior in plate fin-tube heat exchanger, Applied Thermal Engineering, 27(11-12) (2007) 1806-1816.
[4] M.Y. Wen, C.Y. Ho, Heat-transfer enhancement in fin-and-tube heat exchanger with improved fin design, Applied Thermal Engineering, 29(5-6) (2009) 1050-1057.
[5] H. Bilirgen, S. Dunbar, E.K. Levy, Numerical modeling of finned heat exchangers, Applied Thermal Engineering, 61(2) (2013) 278-288.
[6] C.C. Wang, K.Y. Chen, J.S. Liaw, C.Y. Tseng, An experimental study of the air-side performance of fin-and-tube heat exchangers having plain, louver, and semi-dimple vortex generator configuration, International Journal of Heat and Mass Transfer, 80 (2015) 281-287.
[7] I. Petracci, L. Manni, F. Gori, Numerical Simulation of the Optimal Spacing for a Radial Finned, Tube Cooled by a Rectangular Jet, International Journal of Thermal Sciences, 104(54–67) (2016).
[8] A.H. Benmachiche, F. Tahrour, F. Aissaoui, M. Aksas, C. Bougriou, Comparison of thermal and hydraulic performances of eccentric and concentric annular-fins of heat exchanger tubes, Heat Mass Transf, 53(8) (2017) 2461-2471.
[9] S.S. Wu, Analysis on transient thermal stresses in an annular fin, J. Thermal Stresses, 20 (6) (1997) 591-615.
[10] C.H. Chiu, C.K. Chen, Application of the decomposition method to thermal stresses in isotropic circular fins with temperature-dependent thermal conductivity, J. Acta Mechanica, 157(1) (2002) 147–158.
[11] K. Adhikary, A. Mallick, Thermo-mechanical analysis in perforated annular fin using ansys, International Journal of Recent Trends in Engineering & Research, 4 (2018) 213-219.
[12] P. Ocłoń, S. Łopata, T. Stelmach, M. Li, J.F. Zhang, H. Mzad, W.Q. .Tao, Design optimization of a high-temperature fin-and-tube heat exchanger manifold–a case study, Energy, 215 (2021).
[13] P. Fritsch, R. Hoffmann, R. Flüggen, P. Haider, S. Rehfeldt, H. Klein, A Cryogenic Test Rig for Dynamically Operated Plate‐Fin Heat Exchangers, Chemie Ingenieur Technik, 93(8) (2021 ) 1230-1237.
[14] A. Moradikazerouni, Experimental and numerical investigation of traveling wave tube radial heat sink connector thermal stress and deformation with a focus on energy cost management, International Communications in Heat and Mass Transfer, 131 (2022).
[15] Z. Liu, X. Xiong, G.Y. Zhou, Y. Pan, W. Zhou, F. Xuan, Numerical study on thermal stress fluctuation caused by coaxial-jet flow in lower head of central measurement column, International Journal of Pressure Vessels and Piping, 199 (2022).
[16] M. Hosseini, A. Hatami, S. Payan, Impact of flow around annular fins on their thermal stresses and strains, Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, 52(1) (2020) 51-54.
[17] M. Hosseini, A. Hatami, S. Payan, Comparison of the effect of laminar and turbulent flow regimes on thermal stresses and strains in an annular fin, Journal of Mechanical Science and Technology, 34 (2020) 413-424.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 54، شماره 11
بهمن 1401
صفحه 2621-2644

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار