Analysis of fin-and-tube heat exchanger performance enhancement by installing vortex generators : doctoral dissertation

U radu je provedena numerička analiza strujanja i izmjene topline u unakrsnom cijevnom lamelnom izmjenjivaču topline zrak-voda s generatorima vrtloga. Prilikom izrade numeričkog modela, u obzir su uzete karakteristike strujanja i toplinski otpori na strani oba fluida. Za postavljeni fizikalni problem izdvojen je segment u središtu izmjenjivača topline koji zajedno s proširenjima u smjeru strujanja zraka predstavlja proračunsku domenu. Trodimenzijski matematički model izmjene topline unutar izmjenjivača topline opisan je sustavom diferencijalnih jednadžbi te prikladnim rubnim uvjetima, a riješen je numerički primjenom metode kontrolnih volumena i korištenjem računalnog programskog paketa Ansys Fluent. Opisana je metoda za proračun potpuno razvijenog profila strujanja vode na ulaznim granicama poddomene vode. U tu je svrhu izvorni računalni program nadograđen ugradnjom korisnički definirane funkcije. Za potrebe provjere valjanosti postavljenog matematičkog modela i numeričkog postupka uspostavljena je mjerna linija te je proveden eksperimentalni dio istraživanja na cijevnom lamelnom izmjenjivaču topline s ravnim lamelama. Analiziran je utjecaj ulaznog rubnog uvjeta na strani vode na karakteristike strujanja i izmjene topline. Najbolje slaganje rezultata mjerenja i rezultata numeričkog proračuna ostvareno je primjenom ulaznog rubnog uvjeta potpuno razvijenog profila strujanja vode. Za odabrani konstrukcijski oblik generatora vrtloga izvršene su numeričke analize utjecaja geometrijskih parametara na termohidrauličke karakteristike izmjenjivača topline, te su optimizacijskim postupkom putem genetskog algoritma dobiveni setovi optimalnih vrijednosti najutjecajnijih parametara s obzirom na različite zahtjeve usmjerene ka povećanju učinkovitosti cijevnog lamelnog izmjenjivača topline.In the doctoral dissertation, numerical analysis of fluid flow and heat transfer in a crossflow air-to-water fin-and-tube heat exchanger with vortex generators is performed. The flow characteristics and thermal resistances of both fluids are considered in the present numerical model. For the described physical problem, a segment inside the heat exchanger is used for the computational domain, together with the extensions in the direction of the airflow. A threedimensional mathematical model of heat transfer inside the fin-and-tube heat exchanger is described with the system of differential equations and corresponding boundary conditions and solved numerically using the finite volume method based solver Ansys Fluent. A method for calculating a fully developed boundary condition at the water inlets has been described. For this purpose, the existing numerical procedure was extended by a self-written user-defined function. In order to validate the defined mathematical model and the numerical procedure, the test line has been set up and measurements have been performed on a fin-and-tube heat exchnager with plain fins. The influence of different water-side inlet boundary conditions has been studied. The results show that the numerical model with the fully developed water inlet boundary condition coincides best with the experimental data. For the selected vortex generator type, further numerical analyses were performed to investigate how different geometry parameters affect the thermal-hydraulic properties of fin-and-tube heat exchanger, and optimal set of values were determined for the most influential parameters through an optimization procedure using a genetic algorithm with respect to various requirements aimed at enhancing the heat exchanger performance