Investigation of the effects of baffle orientation, baffle cut and fluid viscosity on shell side pressure drop and heat transfer coefficient in an e-type shell and tube heat exchanger

Abstract

The commercial CFD code FLUENT is used to determine the effect of baffle orientation and baffle cut as well as viscosity of the working fluid on the shell-side heat transfer and pressure drop of a shell and tube heat exchanger. The shell and tube heat exchangers considered follow the TEMA standards. The investigation has been completed in three stages: 1. The shell and tube heat exchanger consists of 660 plain tubes with fixed outside diameter which are arranged in a triangular layout. Horizontal and vertical baffle orientations as well as three baffle cuts, 20%, 24% and 30% of shell inside diameter, are considered. No leakage flow in tube-to-baffle gaps and baffle-to-shell gaps is considered. The investigation has been applied for the inlet zone, in order to find the effect of baffle orientation, baffle cut and viscosity of shell-side fluid on the shell-side performance of the inlet zone. For each baffle orientation, baffle cut and working fluid, different flow velocities at inlet are investigated. These velocities are introduced as inlet Reynolds number. Heat transfer and pressure drop are reported as overall Nusselt number and Kârmân number, respectively. A shell-side gain factor suitable for the assessment of shell and tube heat exchangers is introduced as ratio of the shell-side heat transfer coefficient to the shell-side pressure drop. To facilitate the decision between horizontal and vertical baffle orientation, a performance factor is used as ratio of the gain factor for horizontally orientated baffles to the gain factor for vertical baffle orientation. The simulation results show the advantage of the horizontal baffle orientation over the vertical orientation, especially for air as shell-side fluid. At baffle cut 30%, the performance factor reaches its maximum value for all shell-side fluids, while the minimum value of performance factor is observed at baffle cut 24%. 2. In order to simulate the complete shell and tube heat exchanger, a shell and tube heat exchanger with the same geometrical aspects used in the previous stage is considered. Again, no leakage flows are taken into account. For the numerical investigations the heat exchanger is subdivided into eight different flow sections such as the inlet zone, six intermediate flow sections located between adjacent baffles and the outlet zone. Simulations are performed for the two working fluids; air and water. For each baffle orientation, baffle cut and working fluid, simulations are performed for five inlet Reynolds numbers. The simulation results show the advantage of the horizontal baffle orientation over the vertical orientation, particularly in the inlet and outlet zone for all investigated shell-side fluids. The performance factor for horizontal baffle orientation is approximately equal to the performance factor for vertical baffle orientation at intermediate baffle spacing zones when liquid water is used as shell-side fluid. For air, the benefit of vertical baffle orientation on horizontal baffle orientation is noticeable. 3. In order to simulate a real complete heat exchanger, a shell and tube heat exchanger consisting of 76 tubes with fixed outside diameter is considered. The tubes are arranged in a triangular layout. The tube-to-baffle and baffle-to-shell leakages are also taken into account. Similar to the previous stages, horizontal and vertical baffle orientations are considered, but the baffle cut is fixed to 20% of shell inside diameter. Simulations are performed for three working fluids air, water and engine oil. For each baffle orientation, baffle cut and working fluid, simulations are performed for five inlet Reynolds numbers. The simulation results show the advantage of the horizontal baffle orientation over the vertical orientation, particularly in the inlet and outlet zone for all investigated shell-side fluids. The simulation results show a significant influence of the baffle orientation on the shell-side pressure drop and heat transfer of shell and tube heat exchangers. The results show that in shell and tube heat exchanger with leakage flows the vertical baffle orientation seems to be more advantageous than the horizontal orientation. The benefit of vertical baffle orientation over horizontal baffle orientation is more noticeable for gases.

Zur Bestimmung des Einflusses der Umlenkblechanordnung und des Umlenkblechausschnitts sowie der Viskosität des Arbeitsfluids auf den mantelseitigen Wärmeübergang und Druckverlust eines Rohrbündelwärmeübertragers wird das kommerzielle CFD-Programm FLUENT eingesetzt. Die betrachteten Rohrbündelwärmeübertrager erfüllen die TEMA-Standards. Die Untersuchung wurde in drei Schritten durchgeführt: 1. Der Rohrbündelwärmeübertrager besteht aus 660 glatten Rohren mit festem Außendurchmesser, die in Dreieckteilung versetzt angeordnet sind. Es wird eine horizontale und vertikale Anordnung der Umlenkbleche sowie drei Öffnungsweiten, 20%, 24% und 30% des Mantelinnendurchmessers betrachtet. Die Leckageströme in den Bohrungsspielräumen und im Spalt zwischen Umlenkblech und Mantel werden nicht berücksichtigt. Die Untersuchung wurde auf die Einlasszone angewendet, um den Effekt der Umlenkblechanordnung, des Umlenkblechausschnitts und der Viskosität des mantelseitigen Fluids auf die mantelseitige Leistung in der Einlasszone zu bestimmen. Für die jeweiligen Umlenkblechanordnungen, Umlenkblechausschnitte und Arbeitsfluide werden verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten am Einlass untersucht. Diese Geschwindigkeiten werden durch die Reynoldszahl am Einlass charakterisiert. Wärmeübergang und Druckverlust werden als allgemeine Nusselt-Zahl beziehungsweise Kârmân-Zahl angegeben. Ein für die Bewertung von Rohrbündelwärmeübertragern geeigneter mantelseitiger Gewinnfaktor wird als Verhältnis von mantelseitigem Wärmeübergangskoeffizienten zu mantelseitigem Druckverlust eingeführt. Um die Unterscheidung zwischen horizontaler und vertikaler Orientierung der Umlenkbleche zu vereinfachen, wird ein Leistungsfaktor, als das Verhältnis des Gewinnfaktors von horizontal angeordneten Umlenkblechen zum Gewinnfaktor bei vertikaler Umlenkblechanordnung, verwendet. Die Simulationsergebnisse zeigen den Vorteil der horizontalen Umlenkblech-orientierung im Vergleich zur vertikalen Orientierung, insbesondere für Luft als mantelseitigem Fluid. Bei einem Umlenkblechausschnitt von 30% erreicht der Leistungsfaktor seinen Maximalwert für alle mantelseitigen Fluide, während der minimale Wert des Leistungsfaktors bei einer Umlenkblechöffnung von 24% beobachtet wird. 2. Um einen vollständigen Rohrbündelwärmeübertrager zu simulieren, wird ein Rohrbündelwärmeübertrager mit denselben geometrischen Abmessungen wie im vorhergehenden Schritt betrachtet. Wieder werden keine Leckageströme berücksichtigt. Für die numerischen Berechnungen wird der Wärmeübertrager in acht verschiedene Strömungsbereiche, wie Ein- und Auslasszone und sechs mittlere Strömungsabschnitte, die sich zwischen benachbarten Umlenkblechen befinden, geteilt. Simulationen werden für die beiden Arbeitsfluide Luft und Wasser durchgeführt. Für alle Umlenkblechorientierungen und –ausschnitte, sowie für alle Arbeitsfluide werden Simulationen für fünf Einlassreynolds-Zahlen durchgeführt. Die Simulationsergebnisse zeigen den Vorteil der horizontalen gegenüber der vertikalen Umlenkblechanordnung, insbesondere in der Ein- und Auslasszone, für alle untersuchten mantelseitigen Arbeitsfluide. Der Leistungsfaktor für die horizontale Anordnung der Umlenkbleche ist in den mittleren Umlenkblechbereichen etwa gleich dem Leistungsfaktor für die vertikale Anordnung, wenn flüssiges Wasser als mantelseitiges Fluid verwendet wird. Für Luft ist ein Vorteil der vertikalen gegenüber der horizontalen Umlenkblechanordnung erkennbar. 3. Um einen realen vollständigen Rohrbündelwärmeübertrager zu simulieren, wird ein Rohrbündelwärmeübertrager bestehend aus 76 Rohren mit festem Außendurchmesser betrachtet. Die Rohre sind in Dreieckteilung versetzt angeordnet. Die Leckageströme in den Bohrungsspielräumen und den Spalten zwischen Umlenkblechen und Mantel werden mit einbezogen. Wie bei den vorhergehenden Schritten wird die horizontale und vertikale Umlenkblechanordnung berücksichtigt, der Umlenkblechausschnitt jedoch auf 20% des Mantelinnendurchmessers festgelegt. Simulationen werden für die drei Arbeitsfluide Luft, Wasser und Motoröl durchgeführt. Für alle Umlenkblechorientierungen und -ausschnitte, sowie für alle Arbeitsfluide werden Simulationen für fünf Einlassreynolds-Zahlen durchgeführt. Die Simulationsergebnisse zeigen den Vorteil der horizontalen gegenüber der vertikalen Umlenkblechanordnung, insbesondere in der Ein- und Auslasszone, für alle untersuchten mantelseitigen Arbeitsfluide. Die Simulationsergebnisse zeigen einen signifikanten Einfluss der Umlenkblechorientierung auf den mantelseitigen Druckverlust und Wärmeübergang von Rohrbündelwärmeübertragern. die Ergebnisse zeigen, dass die vertikale Umlenkblechorientierung in Rohrbündelwärmeübertragern mit Verlustströmen vorteilhafter als die horizontale Orientierung ist. Dieser Vorteil (einer vertikalen gegenüber einer horizontalen Anordnung der Umlenkbleche) ist bei Gasen deutlicher.