Frost Formation Phenomenon in a Fin-and-Tube Heat Exchanger

A transient two-dimensional mathematical model of frost formation on a fin-and-tube heat exchanger has been developed and numerically solved. The mathematical model and numerical procedure have been experimentally validated. The results have shown that frost layer formation significantly influences heat transfer between air and a refrigerant. Frost layer growth is faster with higher inlet air humidity. Using the developed mathematical model, the algorithm and the computer code, which have been experimentally validated, it is possible to predict frost layer growth on fin-and-tube heat exchangers under different operating conditions

ANALYSIS OF HEAT AND MASS TRANSFER DURING FROST FORMATION ON FIN-AND-TUBE HEAT EXCHANGERS

U radu je provedena numerička i eksperimentalna analiza izmjene topline i tvari pri stvaranju ledenog sloja na lamelnim izmjenjivačima topline. Razvijen je matematički model i računalni program za nestacionarno dvodimenzijsko rješavanje navedenog problema. Numeričkim proračunom dobivena je brzina rasta ledenog sloja te su proračunate raspodjele temperatura, sadržaja vlage i brzina u subdomeni zraka kao i raspodjele temperatura i gustoća u subdomeni ledenog sloja. Postavljena je mjerna linija i izvršena su eksperimentalna ispitivanja u svrhu provjere valjanosti matematičkog modela i računalnog programa. Provedena je analiza utjecaja nastanka ledenog sloja na uvjete prijenosa topline i utjecaja povećanog otpora provođenju topline na izmijenjeni toplinski tok u izmjenjivaču. Dana su praktična rješenja i algoritam za optimalno upravljanje radom uređaja u vidu optimalnog trajanja ciklusa i adaptivnog određivanja trenutka početka razleđivanja u ovisnosti o stanju zaleđenosti izmjenjivača topline.In the dissertation a numerical and experimental heat and mass transfer analysis of frost layer formation on fin-and-tube heat exchangers have been presented. A mathematical model and computer program for transient two-dimensional numerical solving of mentioned physical problem have been developed. As numerical solving results the frost growth rates, temperatures, humidity and velocity distributions in the air sub-domain, as well as temperatures and density distributions in the frost sub-domain have been gained. For the purpose of mathematical model and computer program validation, the experimental line has been set up on which experimental investigations have been performed. An analysis of frost formation impact on heat transfer conditions and impact of increased thermal resistance on heat exchanger performance has been carried out. Practical solutions and algorithm for optimal control of appliances have been given. The developed algorithm enables the determination of optimal cycle duration and adaptive determination of defrost cycle initiation time depending on frosting conditions of the heat exchanger

Analiza prijelaza topline unutar grijaće ploče s mnogostrukim izvorima topline

3D numerical study of transient heat transfer phenomenon on a solid plate with complex heat sources has been carried out. In order to validate the chosen numerical model, a set of thermographic measurements have been performed on a heating plate sample. The infrared camera provided a number of thermograms showing the development of transient temperature fields on the plate surface. Satisfactory agreement between thermograms and numerically obtained temperature fields has been achieved. Based upon the validated numerical model, an approach involving thermographic measurements has been used to estimate the position of heat sources inside the plate. Numerically obtained temperature distributions have been used for calculation of effective transient heating output. The unsteady behavior of the heating plate with complex heat sources has been numerically studied for different plate materials. It has been concluded that the temperature fields and transient heating outputs depend on physical properties of the plate material. However, when a steady state has been achieved, different plate materials give equivalent steady heating outputs despite different temperature distributions.Provedena je 3D numerička analiza nestacionarnog prijelaza topline u grijaćoj ploči s mnogostrukim izvorima topline. Valjanost odabranog numeričkog modela provjerena je usporedbom s termografskim snimcima koji su načinjeni na uzorku grijaće ploče. Infracrvena je kamera osigurala dovoljan broj termograma koji prikazuju nestacionarne temperaturne raspodjele na površini ploče. Usporedbom termograma i numeričkim putem dobivenih temperaturnih raspodjela utvrđena je dobra podudarnost termografskih mjerenja i numeričkih simulacija. Temeljeći se na provjerenom numeričkom modelu, razvijen je postupak za određivanje položaja izvora topline u grijaćoj ploči pomoću termografskih mjerenja. Numeričkim putem dobivene temperaturne raspodjele na površini ploče korištene su za određivanje toplinskog učina grijaće ploče. Nestacionarno ponašanje temperaturnih raspodjela na grijaćoj ploči s mnogostrukim izvorima topline ispitivano je numeričkim putem za različite materijale ploče. Zaključeno je da raspodjele temperatura i nestacionarni toplinski učini ovise o fizikalnim svojstvima materijala ploče. Međutim, kada se postigne stacionarno stanje, različiti materijali ploče daju jednake toplinske učinke usprkos različitim temperaturnim raspodjelama

Numerical investigation and experimental validation of heat transfer in a small size shell and tube heat exchanger

Heat exchangers are integrated in all process and energy plants. Shell and tube heat exchanger designs are most commonly used. The efficiency and performance of the device can be determined both experimentally and numerically. In this study, a numerical model of heat transfer in a small size shell and tube heat exchanger is presented, and the results are compared with experimental data. The problem with laminar flow and steady state heat transfer was solved using the finite volume method. Three experiments were performed, and all of them showed a high match between outlet fluid temperatures. As additional validation, heat flux balance was set and calculated for both methods, which also showed a considerable match. It can be concluded that the model accurately predicts physical phenomena in analyzed heat exchanger, and can be used in further studies

A three-dimensional numerical analysis of complete crossflow heat exchangers with conjugate heat transfer

In this paper, a three dimensional numerical analysis of turbulent fluid flow and heat transfer on the air-side and water-side of plain fin-and-tube heat exchangers is performed in order to obtain their heat transfer characteristics with non-constant physical properties. Besides convection heat transfer on water and air sides, the heat conduction through pipe walls and fins is also considered in the study. The two types of heat exchangers having cascade and in-line flat tube arrangements are presented.. Heat exchangers have been numerically simulated for different inlet air temperatures and velocities. As crossflow has been taken into account, the heat exchangers have been modeled with all fins considering the temperature changes on both sides. Numerical values are compared to the results obtained by analytical calculations of the heat exchangers, and good agreement of results is derived. The heat transfer characteristics are observed to be better for the heat exchanger with cascade tube arrangement for all of the analyzed conditions

Analiza izmjene topline i tvari pri stvaranju leda na lamelnim izmjenjivačima topline : doktorska disertacija

Sažetak U radu je provedena numerička i eksperimentalna analiza izmjene topline i tvari pri stvaranju ledenog sloja na lamelnim izmjenjivačima topline. Ledeni sloj je promatran kao porozna struktura. Razvijen je matematički model i računalni program za nestacionarno dvodimenzijsko rješavanje navedenog problema. Brzina rasta ledenog sloja izračunata je na osnovi masenih tokova vodene pare na granici ledeni sloj-zrak kao i na osnovi masenog toka zbog difuzije vodene pare u sam ledeni sloj. Numeričkim proračunom dobivena je brzina rasta ledenog sloja te su proračunate raspodjele temperatura, sadržaja vlage i brzina u subdomeni zraka kao 1 raspodjele temperatura i gustoća u subdomeni ledenog sloja. Postavljena je mjerna linija 1 izvršena su eksperimentalna ispitivanja u svrhu provjere valjanosti matematičkog modela 1 računalnog programa za numeričku analizu procesa nastanka ledenog sloja. Dan je pregled različitih načina razleđivanja kao i opis matematičkog modela procesa razleđivanja. Provedena je analiza utjecaja nastanka ledenog sloja na uvjete izmjene topline i utjecaja povećanog toplinskog otpora na izmijenjen toplinski tok u izmjenjivaču. Dana su praktična rješenja 1 algoritam za optimalno upravljanje radom uređaja u vidu optimalnog trajanja ciklusa 1 adaptivnog određivanja trenutka početka razleđivanja u ovisnosti o stanju zaleđenosti izmjenjivača topline

Analiza izmjene topline i tvari pri stvaranju leda na lamelnim izmjenjivačima topline : doktorska disertacija

Sažetak U radu je provedena numerička i eksperimentalna analiza izmjene topline i tvari pri stvaranju ledenog sloja na lamelnim izmjenjivačima topline. Ledeni sloj je promatran kao porozna struktura. Razvijen je matematički model i računalni program za nestacionarno dvodimenzijsko rješavanje navedenog problema. Brzina rasta ledenog sloja izračunata je na osnovi masenih tokova vodene pare na granici ledeni sloj-zrak kao i na osnovi masenog toka zbog difuzije vodene pare u sam ledeni sloj. Numeričkim proračunom dobivena je brzina rasta ledenog sloja te su proračunate raspodjele temperatura, sadržaja vlage i brzina u subdomeni zraka kao 1 raspodjele temperatura i gustoća u subdomeni ledenog sloja. Postavljena je mjerna linija 1 izvršena su eksperimentalna ispitivanja u svrhu provjere valjanosti matematičkog modela 1 računalnog programa za numeričku analizu procesa nastanka ledenog sloja. Dan je pregled različitih načina razleđivanja kao i opis matematičkog modela procesa razleđivanja. Provedena je analiza utjecaja nastanka ledenog sloja na uvjete izmjene topline i utjecaja povećanog toplinskog otpora na izmijenjen toplinski tok u izmjenjivaču. Dana su praktična rješenja 1 algoritam za optimalno upravljanje radom uređaja u vidu optimalnog trajanja ciklusa 1 adaptivnog određivanja trenutka početka razleđivanja u ovisnosti o stanju zaleđenosti izmjenjivača topline

PARAMETRIC STUDY OF OPERATING AND GEOMETRY CHARACTERISTICS EFFECT ON HEAT TRANSFER IN ANNULAR FINNED TUBE HEAT EXCHANGER

U radu je opisana trodimenzijska numerička analiza laminarnog strujanja fluida i izmjene topline u cijevnom izmjenjivaču topline s prstenastim lamelama. Definirani numerički postupak provjeren je usporedbom s objavljenim numeričkim i eksperimentalnim rezultatima i uočeno je njihovo dobro slaganje. Niz numeričkih proračuna izvršen je s ciljem analize utjecaja različitih pogonskih i geometrijskih parametara na polja brzina i temperatura te na vrijednosti prosječnih koeficijenata prijelaza topline i izmijenjenih specifičnih toplinskih tokova unutar izmjenjivača.A three-dimensional numerical analysis of laminar heat transfer and fluid flow in an annular finned tube heat exchanger has been performed. The numerical procedure has been validated by comparison with published numerical and experimental results and good agreement has been observed. A series of numerical calculations have been carried out in order to analyse the influence of various operating and geometric characteristics on the velocity and temperature fields as well as on the average heat transfer coefficients and specific heat fluxes within a heat exchanger

APPLICATION OF INFRARED CAMERA IN THERMAL ENGINEERING

U ovom je radu izložena mogućnost primjene infracrvene (IC) kamere u termotehnici. Mjerenja su izvršena na pločastom električnom radijatoru s ciljem utvrđivanja položaja grijača u materijalu radijatora kao i toplinskog učina radijatora za slučaj ugradnje u prozorsku nišu s prozorskom klupčicom i bez nje. Dobiveni termogrami nestacionarnih temperaturnih distribucija površine radijatora, na kojima se temelje proračuni toplinskih učina, uspoređivani su s numeričkim putem dobivenim temperaturnim poljima radijatora u pogonu.In this paper, an application of infrared (IR) camera in thermal engineering is presented. Measurements have been performed on an electrical flat radiator with the goal of revealing the heaters location inside the radiator material as the heating output of the radiator when it is embedded in a window niche, with and without a bench. The resulting thermograms of unsteady radiator surface temperatures, the basis for heating output calculations, have been compared with numerically obtained temperature fields of the radiator at power-on