Analysis of heat transfer performance and effectiveness of heat exchanger with installing a vortex generators device in a horizontal furnace for low pressure steam generating unit

Abstract

This research studies, analysis of heat transfer performance and effectiveness of heat exchanger with installing a circular-ring tabulators. Heat transfer has been improved by creating turbulence in the fluid flow of heat exchangers through introducing various techniques. The present study investigated the heat transfer characteristics of steam generator with circular-ring tabulators with an inclination angle of 45° and a blocked ratio (BR) of 0.20 mm. The length ratios (LR) of 25%, 50%, 75% and 100%, pitch ratios (PR) of 1.0, 2.0, 3.0 and 4.0 and water flow rates of 12, 24 and 36 l/hr were studied. The heat source used waste lubricating oil as fuel to produce steam. The results showed that the heat exchanger with circular-ring inserts provided a higher steam rate than that of a smooth tube by 6.88-10.35%, vapor quality (x) by 0.21-0.92, heat transfer by 1.27-1.55 times and the thermal efficiency by 0.46-0.68 depending on the PR, LR and FR. The optimum insert ratio was LR=50%, while 75% and 100% were not significantly different. The circular-ring inserts changed the flow behavior to turbulent flow. This increased the surface area, causing boundary layer interruptions leading to more heat exchange on the tube surface.

From the experimental results, correlation equations were used to predict the heat transfer characteristics of the heat pipes of the heat exchanger using the length ratios (LR) of 25%, 50%, 75% and 100%, pitch ratios (PR) of 1.0, 2.0, 3.0 and 4.0 and water flow rates of 12, 24 and 36 l/hr, with standard deviations of ± 20 percent, which will be presented in the form of the Nusselt number as follows:

Equations Nu Correlation

Nu = 0.7691Re1.231Pr0.4LR0.0754PR-0.1982

Therefore, the correlation equation derived from this research work, that can be used to design and build heat exchanger equipped with circular-ring tabulators, etc.

งานวิจัยนี้ศึกษาการวิเคราะห์สมรรถนะการถ่ายโอนความร้อนและประสิทธิผลของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ติดตั้งตัวสร้างการไหลหมุนวนแบบแผ่นวงแหวน โดยการถ่ายเทความร้อนนี้ได้รับการปรับปรุงด้วยการสร้างความปั่นป่วนในการไหลของของไหลในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนด้วยเทคนิคต่างๆ การศึกษานี้ศึกษาคุณลักษณะการถ่ายเทความร้อนของเครื่องกำเนิดไอน้ำโดยติดตั้งตัวสร้างการไหลหมุนวนแบบแผ่นวงแหวนที่มีมุมเอียง 45° และอัตราส่วนการขวางการไหล (BR) ที่ 0.20 มม. โดยศึกษาที่อัตราส่วนความยาว (LR) = 25%, 50%, 75% และ 100%, อัตราส่วนพิตช์ (PR) = 1.0, 2.0, 3.0 และ 4.0 และที่อัตราการไหลของน้ำ = 12, 24 และ 36 ลิตร/ชม. โดยแหล่งความร้อนใช้น้ำมันหล่อลื่นเหลือทิ้งเป็นเชื้อเพลิงเพื่อผลิตไอน้ำ ผลการวิจัยพบว่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ติดตั้งตัวสร้างการไหลหมุนวนแบบแผ่นวงแหวนให้อัตราการผลิตไอน้ำสูงกว่าท่อผิวเรียบเท่ากับ 6.88-10.35%, ค่าคุณภาพไอระเหย (x)เท่ากับ 0.21-0.92, ค่าการถ่ายโอนความร้อนเพิ่มขึ้น 1.27-1.55 เท่า และประสิทธิภาพเชิงความร้อนเท่ากับ 0.46-0.68 ซึ่งผลที่ได้จะขึ้นอยู่กับ PR, LR และ FR นอกจากนี้พบว่าอัตราส่วนตัวสร้างการไหลแบบแผ่นวงแหวนที่เหมาะสมคือ LR=50% ในขณะที่ 75% และ 100% ไม่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งการสอดใส่ตัวสร้างการไหลแผ่นวงแหวนเปลี่ยนพฤติกรรมการไหลเป็นการไหลแบบปั่นป่วนโดยจะการเพิ่มพื้นที่ผิว ทำให้เกิดการหยุดชะงักของชั้นขอบเขต ซึ่งนำไปสู่การแลกเปลี่ยนความร้อนที่พื้นผิวท่อมากขึ้น

จากผลการทดลองนำมาสร้างสมการสหสัมพันธ์เพื่อใช้ในการทำนายคุณลักษณะการถ่ายเทความร้อนของท่อความร้อนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้อัตราส่วนระยะพิตช์ PR=1, 2, 3 และ 4 อัตราส่วนการสอดใส่ตัวสร้างการไหลหมุนวนต่อความยาวท่อ LR=25, 50, 75 และ 100 เปอร์เซ็นต์ และอัตราการไหลของน้ำ FR=12, 24 และ 36 ลิตร/ชั่วโมง ได้โดยมีช่วงค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานเท่ากับ ±20 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งจะนำเสนอในรูปของค่าตัวเลขนัสเซิลท์ ได้ดังนี้

สมการ Nu Correlation

Nu = 0.7691Re1.231Pr0.4LR0.0754PR-0.1982

จึงสรุปได้ว่าสมการสหสัมพันธ์ที่ได้จากการทำงานวิจัยในครั้งนี้ สามารถนำไปใช้ออกแบบและสร้างเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ติดตั้งตัวสร้างการไหลแบบหมุนวนแบบแผ่นวงแหวนได้ เป็นต้น