Theoretical investigation of conjugate condensation heat transfer inside vertical tubes
Loading...
Files
Date
2010-09
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Middle East Technical University, Department of Mechanical Engineering
Abstract
Düşey tüpler içerisinde film yoğuşması ile ilgili kuramsal çalışmalarda, sınır koşulu olarak tüp duvarının iç yüzeyinde bilinen bir sıcaklık dağılımı kabul edilir. Oysa, gerçekte, tüp duvarındaki ısı iletimi ile tüp içinde yoğuşan akışkan arasında ısıl bir etkileşim vardır ve tüp boyunca iç yüzey sıcaklık dağılımı önceden sınır koşulu olarak bilinmez. Bilinmeyen sıcaklık profili ise bu ısıl etkileşim göz önüne alınarak belirlenmelidir. Diğer bir deyişle, tüp duvarındaki ısı iletim eşitliği ile yoğuşan akışkanın enerji eşitliği birlikte düşünülerek bağlaşık
hale getirilmelidir. Bu nedenle, bu problem “eşlenik yoğuşmalı ısı aktarımı” olarak adlandırılmıştır.
Eşlenik yoğuşmalı ısı aktarımına bağlı olarak endüstriyel uygulamalarda, bir tüp ile birbirinden ayrılmış iki farklı akış vardır. Tüp içinden akan buhar yoğuşurken, tüp dışındaki akışkan ters yönde akarak ısınır. Temel uygulamalardaki ve pratikteki önemi nedeniyle, bu doktora çalışmasında, dış yüzey duvarından soğutulan düşey bir tüp içerisinden akan su buharının yoğuşması eşlenik ısı aktarım problemi olarak ele alınmıştır. Yoğuşma tüpü üzerindeki bilinmeyen duvar sıcaklık değerleri, tüp içinde yoğuşan sıvı sınır tabakası ve tüp dışındaki akış bağlaşık olarak birleştirilmiştir. Eşlenikli yoğuşma ısı aktarım modelini içeren, ZEC isimli bir bilgisayar programı FORTRAN 90 dilinde geliştirilmiştir. Bu program, çeşitli deneysel veri tabanları ile
karşılaştırılarak, geliştirilen programın ve içerdiği modellerin bir değerlendirmesi de ayrıca yapılmıştır. ZEC programı ile geniş bir aralığı içeren deneysel sonuçların karşılaştırmaları yapıldığında, bu karşılaştırmalar neticesinde sonuçların tatminkar bir biçimde örtüştüğü görülmüştür. Bu nedenle, geliştirilmiş olan ZEC programı, tüp içi yoğuşturucuların öncül tasarımlarında kullanılabileceği gibi halen çalışmakta olan tüp içi yoğuşturucuların işlevlerini yerine getirme değerlendirmeleri için de kullanılması söz konusudur.
Based on the well-known theoretical studies related to the film condensation inside vertical tubes, a known temperature distribution is prescribed as boundary condition at the inner surface of the tube wall. But, in reality, there is a thermal interaction between the condensate fluid and conduction through the wall where the temperature variation along the inner surface of the tube wall is unknown and this unknown temperature profile should be determined by taking account of this interaction. In other words, the heat conduction equation for the tube wall and the energy equation for the condensate fluid flow should be coupled and solved simultaneously. Therefore, this type of problem is named “conjugate condensation heat transfer problem”. Subject to the conjugate condensation heat transfer problem in the industrial applications, there are two different fluid flows separated by a tube where the vapor flowing inside the tube condensates whereas the other one is heated and it flows externally in the counter current direction in the annular passages. Because of its fundamental and practical importance, in this doctoral thesis, the studies are focused on the analytical and numerical investigation of conjugate heat transfer due to the steam condensation inside vertical tubes which is cooled externally by a fluid flowing in the counter current direction. The unknown wall temperatures of the condenser tube, condensate liquid layer inside the tube and the turbulent coolant flow outside the tube are coupled. A computer code, named ZEC, containing condensation conjugate heat transfer model is developed in FORTRAN 90 Language. This code and the models it contains are assessed against the various experimental databases. The predictions of the code ZEC are found to reasonably agree with the experimental results over a wide range of conditions. Therefore, this developed code, ZEC, may be used for the preliminary design of in-tube condensers and for the performance evaluation of such condensers in operation.
Based on the well-known theoretical studies related to the film condensation inside vertical tubes, a known temperature distribution is prescribed as boundary condition at the inner surface of the tube wall. But, in reality, there is a thermal interaction between the condensate fluid and conduction through the wall where the temperature variation along the inner surface of the tube wall is unknown and this unknown temperature profile should be determined by taking account of this interaction. In other words, the heat conduction equation for the tube wall and the energy equation for the condensate fluid flow should be coupled and solved simultaneously. Therefore, this type of problem is named “conjugate condensation heat transfer problem”. Subject to the conjugate condensation heat transfer problem in the industrial applications, there are two different fluid flows separated by a tube where the vapor flowing inside the tube condensates whereas the other one is heated and it flows externally in the counter current direction in the annular passages. Because of its fundamental and practical importance, in this doctoral thesis, the studies are focused on the analytical and numerical investigation of conjugate heat transfer due to the steam condensation inside vertical tubes which is cooled externally by a fluid flowing in the counter current direction. The unknown wall temperatures of the condenser tube, condensate liquid layer inside the tube and the turbulent coolant flow outside the tube are coupled. A computer code, named ZEC, containing condensation conjugate heat transfer model is developed in FORTRAN 90 Language. This code and the models it contains are assessed against the various experimental databases. The predictions of the code ZEC are found to reasonably agree with the experimental results over a wide range of conditions. Therefore, this developed code, ZEC, may be used for the preliminary design of in-tube condensers and for the performance evaluation of such condensers in operation.
Description
Keywords
Condensation, Yoğuşma, Conjugate heat transfer, Eşlenik ısı aktarımı, Vertical tube, Düşey tüp
Citation
Köse, S. (2010). Theoretical investigation of conjugate condensation heat transfer inside vertical tubes. (Yayımlanmamış doktora tezi). Ankara : Middle East Technical University, Department of Mechanical Engineering.