The effect of velocity ratio on thermal-hydraulic performance of reciprocating scraped surface heat exchangers at low Reynolds number

The thermal-hydraulic performance of a reciprocating scraper inserted in a round tube at low Reynolds number is studied. Pressure drop and heat transfer characteristics have been experimentally determined in static conditions in laminar regime (Reh=30), and results are contrasted with dynamic performance at several velocity ratios (ω=0.1 - 1). Maximum increases of Fanning friction factor of the order of 1.2 have been found, together with increases in Nusselt number of the order of 2, using propylene-glycol as working fluid.This research has been partially financed by the DPI2007-66551-C02-01 grant of the ''Dirección General de Investigación del Ministerio de Educación y Ciencia de España'' and the “HRS Spiratube” company

Performance evaluation of a zero-fouling reciprocating scraped surface heat exchanger

An innovative self-cleaning shell and tube heat exchanger is presented. Inside each interior tube (through which the product flows) a scraping rod is fitted. This rod moves in reciprocal manner and the scraping elements mounted on the rod fully clean the tube wall surface. Additionally, the macroscopic displacements of the flow, induced by the insert device motion, promote high Flow mixing. Consequently, tube-side heat transfer coefficients are enhanced. Thermal-hydraulic and scraping power measurements are performed in laminar regime for 20<Reh<250 and 0≤ω≤1 (ω=uscr/uf). An extended Performance Evaluation Criterion is proposed, in order to balance the augmentations of heat transfer and the increased power consumption (pumping and scraping power) of the device. This study allows stating guidelines for the operation of the device, concluding that the performance of the heat exchanger is irrespective of the velocity ratio. The scraper can be used intermittently, or at the minimum scraping frequency that ensures fouling mitigation

Flow field and heat transfer investigation in tubes of heat exchangers with motionless scrapers

Flow pattern and thermal-hydraulic characteristics in an innovative tube insert have been experimentally and numerically investigated. The insert device is a concept envisioned for reciprocating scraped surface heat exchangers. It consists of a concentric rod, that mounts an array of semicircular plugs fitted to the inner tube wall. In motionless conditions, the insert works as a turbulence promoter, enhancing heat transfer in laminar regime. Fundamental flow features in the symmetry plane of the tube have been assessed with Particle Image Velocimetry technique. A general model of the flow mechanism has been defined, identifying three regions along a geometrical pitch: recirculation bubbles, flow acceleration and transverse vortex. Results have been complemented with experimental data on pressure drop and heat transfer. The transition onset is clearly identified, and the mechanisms that promote turbulence at low Reynolds number are investigated and discussed. CFD simulations for different Reynolds numbers provide a further insight into the relation of the flow structures with wall shear stress, and their role on the local heat transfer augmentation

Performance evaluation of a zero-fouling reciprocating scraped surface heat exchanger

An innovative self-cleaning shell and tube heat exchanger is presented. Inside each interior tube (through which the product flows) a scraping rod is fitted. This rod moves in reciprocal manner and the scraping elements mounted on the rod fully clean the tube wall surface. Additionally, the macroscopic displacements of the flow, induced by the insert device motion, promote high flow mixing. Consequently, tube-side heat transfer coefficients are enhanced. Thermal-hydraulic and scraping power measurements are performed in laminar regime for 20<Reh<250 and 0≤ω≤1 (ω=uscr/uf). An extended Performance Evaluation Criterion is proposed, in order to balance the augmentations of heat transfer and the increased power consumption (pumping and scraping power) of the device. This study allows stating guidelines for the operation of the device, concluding that the performance of the heat exchanger is irrespective of the velocity ratio. The scraper can be used intermittently, or at the minimum scraping frequency that ensures fouling mitigation

Análisis de la mejora de la transferencia térmica laminar mediante dispositivos insertados en tubos de intercambiadores de calor

En el trabajo se presentan y discuten diferentes estudios de transferencia de calor en régimen laminar en tubos con inserciones de láminas en espiral, para definir el "estado del arte" del conocimiento sobre estos dispositivos, utilizados ampliamente en aplicaciones industriales. El objetivo es conocer su comportamiento tennohidráulico, para así poder determinan en qué aplicaciones es interesante su uso frente a otras técnicas de mejora y definir las líneas futuras de investigación a desarrollar en la instalación experin1ental de que se dispone actualmente

Evaluación de la mejora de la transmisión de calor obtenida mediante tubos deformados mecánicamente

Se ha realizado un estudio experimental de la transmisión de calor y la pérdida de presión en tubos deformados mecánicamente de dos tipos: tubos corrugados en espiral y tubos con abolladuras en espiral. El estudio se realiza en sendas familias de tubos ensayando 1 O tubos de cada tipo con el objeto de establecer la influencia de la rugosidad en la mejora de la transmisión de calor. Empleando agua y etilenglicol como fluidos de ensayo se han cubierto rangos muy amplios de condiciones de flujo: números de Reynolds entre 200 y 100.000 y núrneros de Prandtl entre 2 y 100. Los datos experimentales se han correlacionado obteniendo expresiones sencillas del factor de fricción de Fanning y número de Nusselt en función de las variables adimensionales del flujo y de la geometría. El objetivo final es obtener la geo1netría más óptima en función de las condiciones de flujo, es decir, la geometría donde el au1nento de la transferencia de calor compense al máximo las pérdidas de presión.Este trabajo ha sido financiado parcialmente por la Dirección General de Enseñanza Superior e Investigación Científica a través del proyecto de investigación CICYT-FEDER 1FD1997-0211 y la empresa HRS Spiratube de Murcia

Experimental investigation of turbulence level in enhanced heat exchangers with active insert devices

This work presents a visualization study carried-out on a dynamic insert device. The flow pattern is obtained by employing the Particle Image Velocimetry (PIV) technique. The insert device is moved alternatively along a tube and consists of several circular elements with six circumferentially distributed holes on them, which are mounted on a shaft with a pitch of 5D. The whole is moved alternatively along the axial direction by a hydraulic cylinder. The increase of the turbulence level of the Flow will be analyzed and related to the heat transfer augmentation. By the use of Particle Image Velocimetry technique and water as test fluid, the 2-Dimensional pattern of the turbulent flow is obtained on the two symmetry planes of the device: hole center and between holes. The results permit to establish the flow pattern along the devices. In static conditions of the scraper, experiments are carried out at three different Reynolds ranging from 4000 to 6323. In dynamic conditions, the Reynolds number has been kept constant at 7400, while varying the velocity of the scrapper in relation of 0.5, 1 and 2 with the bulk velocity of the flow. Co current and counterflow directions of the scraping device have been analyzed, and results show the insert device movement on flow behavior

Medida experimental del flujo laminar de fluidos no newtonianos en intercambiadores mejorados.

Este trabajo presenta un estudio de visualización de fluidos no-Newtonianos en intercambiadores de calor con elementos insertados en movimiento. Estos dispositivos son utilizados para mejorar la transferencia de calor y eliminar el ensuciamiento propio del uso de la mayoría de fluidos no-Newtonianos. Mediante la técnica de Velocimetría por Imágenes de Partículas (PIV) se obtiene el campo de velocidades del flujo laminar en el intercambiador. El dispositivo insertado consta de varios elementos rascadores con forma de media luna. Los rascadores están montados a lo largo un eje al tresbolillo, resultando en un paso de 5D. El conjunto se mueve de forma axial alternativa mediante un cilindro hidráulico. En el estudio, se analiza el aumento del nivel de mezclado derivado del uso de esta técnica, relacionándolo con el aumento de transferencia de calor

Medida experimental y simulación numérica del flujo turbulento en intercambiadores de calor mejorados con discos rascadores

Este trabajo presenta un estudio de visualización en intercambiadores de calor con elementos insertados dinámicos. Estos dispositivos son utilizados para la generación de hielo líquido. Mediante la técnica de Velocimetría por Imágenes de Partículas (PIV) se obtiene el patrón de flujo turbulento en el intercambiador. El dispositivo insertado consta de varios elementos circulares con seis orificios distribuidos radialmente en los mismos, que están montados sobre un eje a una distancia de 5D entre ellos. El conjunto se mueve alternativamente mediante un cilindro hidráulico. En el estudio, se analizará el aumento de la turbulencia derivado del uso de esta técnica y se relacionará con el aumento de transferencia de calor. Mediante la técnica de PIV y agua como fluido de trabajo, se ha obtenido el campo bidimensional de velocidades en los dos planos de simetría: en el centro de los orificios y entre dos orificios consecutivos. Los resultados permiten establecer el patrón de flujo a lo largo del dispositivo. En condiciones estáticas, se han identificado las características de flujo, así como su evolución para un rango del número de Reynolds entre 4000 y 6300. En condiciones dinámicas se ha analizado el flujo para Re=7400, variando la velocidad de rascado en relación de 0,5 respecto a la velocidad media del fluido. Se han estudiado las características del flujo para una etapa del ciclo de rascado, revelando los efectos del movimiento de rascado en el comportamiento del fluido. Como parte final del trabajo, se ha realizado una simulación numérica del flujo utilizando el código comercial Ansys Fluent con diferentes dominios discretizados, condiciones de contorno y modelos de turbulencia. El objetivo de este estudio ha sido encontrar el modelo numérico que mejor se adapta a esta tipología de intercambiadores, por lo que se ha evaluado el comportamiento de estos modelos de turbulencia comparando las predicciones numéricas con los datos experimentales obtenidos en el laboratorio

Photovoltaic evaporative chimney as a new alternative to enhance solar cooling

Cooling sector plays a crucial role in the World’s transition towards an efficient and decarbonised energy system. Solar cooling is an attractive idea because of the chronological coincidence between available solar radiation and cooling needs. This paper studies the possibility of increasing the efficiency of solar photovoltaic modules by evaporative cooling. This, combined with the use of a water condensed chiller, will enable an efficient cooling system design as a whole. To achieve this goal this paper experimentally evaluates the thermal and electrical performance of a Photovoltaic Evaporative Chimney. A prototype with two photovoltaic modules was built; one of them is used as a reference and the other is modified in its rear side including the evaporative solar chimney. The system is able to dissipate a thermal power of about 1500 W with a thermal efficiency exceeding 30% in summer conditions. The module temperature differences reach 8 K, depending on the wind conditions and ambient air psychrometric properties. Regarding the electrical efficiency, the results showed an average improvement of 4.9% to a maximum of 7.6% around midday in a typical summer day for a Mediterranean climate.The authors wish to acknowledge the collaboration in the experimental work of the following Mechanical and Electrical Engineering students: S. Rodríguez, J.F. Bernal, P. Díez, H. Garcés, C. Selva, V. García, J. Navas and E. Gálvez; and especially to E. Sánchez for his amazing work as a lab technician