Varmeovergang og trykktap i kveilede annulære rør

Abstract

På tross av at kveilede dobbelt-rør er mye brukt i tekniske anvendelser, finnes det svært lite i litteraturen om varmeovergang og trykktap i kveilede annulære rør. Numeriske studier av effektene av diameterforholdet, kurvaturen, torsjonen og Reynolds tall er derfor av interesse. Simuleringene er blitt gjennomført ved hjelp av Fluent, et verktøy for numeriske strømningsberegninger. Numeriske simuleringer er blitt gjort på fire ulike kveilede annulære kanaler i det laminære regimet, med Reynoldstall i spennet 500 < Re < 4000. Hovedmålet med studien er å sammenlikne resultatene fra simuleringene med eksperimentelle data gjort av Erling Næss, i tillegg til andre korrelasjoner funnet i litteraturen. Forsøk er også blitt gjort på å modifisere eksisterende korrelasjoner, for å mer nøyaktig kunne predikere trykkfall og varmeovergang i liknende strømninger. Resultatene er generelt funnet til å samsvare bra med eksperimentelle data. Strømningsmønstrene er kvalitativt like for de undersøkte Reynoldstallene, selv om noen forskjeller kan observeres i styrke og form. I likhet med hva som ble observert i de eksperimentelle studiene gjort av Næss, viser resultatene at varmeovergangen er betydelig økt, sammenliknet med tilsvarende rette kanaler. Dette skyldes sekundærstrømmene og de resirkulerende sonene som oppstår som følge av trykkgradientene, som igjen skapes av sentrifugalkreftene. Sekundærstrømmene er vist til å være svært avhengig av diameterforholdet mellom de to rørene. For økende krumning er det blitt observert at den maksimale aksielle hastigheten skyves mot den ytre rørveggen, i tillegg til økende turbulent oppførsel ved rørveggene for økende Reynoldstall. Som følge av torsjonseffektene blir strømningen også asymmetrisk om den horisontale diameteren av tversnittet, noe som resulterer i et økt lokalt varmeovergangstall for den nedre halvdelen sammenliknet med den øvre halvdelen. Det er blitt observert at korrelasjonen utviklet av Næss samsvarer best med resultatene, sammenliknet med andre korrelasjoner i litteraturen. De modifiserte korrelasjonene for trykktap og varmeovergang er funnet til å samsvare noe bedre med resultatene fra simuleringene, sammenliknet med korrelasjoner funnet i litteraturen.