طراحي معماري بهينه لوله پره‌دار حلقوي با استفاده از تيوري ساختاري

Optimal architecture design of circular finned tube using constructal theory

در كار حاضر طراحي ساختاري لوله پره‌دار حلقوي بررسي شده است. پارامترهاي هندسي مورد بررسي شامل قطر پره، ضخامت پره، گام پره، قطر خارجي لوله، طول لوله و پارامترهاي فيزيكي شامل عدد افت فشار و عدد استانتون، نسبت قابليت هدايت حرارتي پره به هوا و نسبت قابليت هدايت حرارتي سيال داخل لوله به هوا است. هدف اين مطالعه افزايش تبادل حرارت با تغيير متغيرهاي هندسي است. مشاهده شد كه در يك شرايط جرياني مشخص، ساختار لوله پره‌دار حلقوي داراي هندسه بهينه و تعداد پره بهينه مي‌باشد، به گونه‌اي كه مقاومت حرارتي به كمترين مقدار خود مي‌رسد. در افت فشار كم و عدد استانتون پايين، راندمان پره و ضريب انتقال حرارت داخلي بالاست. در اين شرايط روابطي تحليلي براي تبادل حرارت بهينه، تعداد پره بهينه و هندسه بهينه ارايه گرديد. مشاهده شد كه نسبت ضخامت به گام پره در حالت بهينه فقط تابع درصد حجمي پره مي باشد و اين مقدار با افزايش درصد حجمي پره زياد مي شود. همچنين تعداد پره بهينه متناسب با نسبت فاصله بين دو پره به گام پره در حالت بهينه و عكس عدد استانتون است. بعلاوه ديده شد كه در محدوده پارامترهاي مورد بررسي در اين مطالعه، لوله با تعداد پره 3400 و نسبت منظر 0.63 داراي حداكثر انتقال حرارت است.

In the present work, constructal design of annular finned tube has been studied. Geometrical parameters include fin diameter, fin thickness, fin pitch, tube outer diameter, tube length, while physical parameters involve pressure drop number, Stanton number, fin-to-air conductivity ratio, and in-tube fluid-to- air conductivity ratio. The aim of this study is to enhance heat transfer by allowing the geometrical degrees of freedom to morph. It was observed that at certain flow conditions, there exist optimal geometry and fin number for the finned tube construct in which its thermal resistance is minimum. Fin efficiency and tube-side convective heat transfer coefficient are higher at low pressure drops and Stanton numbers. In these conditions, analytical relationships were proposed to predict optimal heat transfer, optimal fin number and optimal geometry. It was seen that the optimal fin thickness-to-fin pitch ratio is merely dependent on the fin volume fraction; and it rises with the increase in fin volume fraction. Moreover, the optimum fin number is directly proportional to fin spacing – to- fin pitch ratio and inversely proportional to Stanton number. Furthermore, it was seen that in the range of parameters considered in this study, the tube with 3400 fins and aspect ratio of 0.63 has the highest heat transfer rate