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

Abstract

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.

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.