The configurations of the heat exchanger of the boiler can be determined from the trade-off between the heat transfer area which is related to the capital cost and the pressure drop which is related to operating cost. In this study, 3.5 ton/hr small size marine boiler having concentric annuli tubes is the design boiler. To determine the optimizing point, according to diameter, number, length of tube, heat transfer, pressure drop, operating cost and capital cost have been calculated. Also, when the fin tube is replaced by the bare tube design parameters changed have been calculated.
Compact steam boiler is a useful heat exchanger in a space-intensive system. There are some constraints in terms of sizing and designing the space confined in the system which is usually used in vessels. In this study, design considerations for heavy duty heat exchangers of compact steam boilers are presented and evaluated. Especially, evaporator tubes of marine boiler which are exposed to a high temperature environment are considered. Also, extended surface designs with a high temperature are examined. In order to determine the criteria with considerations of both heat transfer rate and pressure drop in the heat exchanger, they are evaluated with major variables, such as the tube diameter, the number of tubes, and the tube length. Finally, the design parameters are estimated as the bare tubes are installed instead of the finned tubes.
This paper is a continuation of the authors' previous work on spiral coil heat exchangers. In the present study, the heat transfer characteristics and the performance of a spirally coiled finned tube heat exchanger under wet-surface conditions are theoretically and experimentally investigated. The test section is a spiral-coil heat exchanger which consists of a steel shell and a spirally coiled tube unit. The spiral-coil unit consists of six layers of concentric spirally coiled finned tubes. Each tube is fabricated by bending a 9.6 mm diameter straight copper tube into a spiral-coil of four turns. The innermost and outermost diameters of each spiral-coil are 145.0 and 350.4 mm, respectively. Aluminium crimped spiral fins with thickness of 0.6 mm and outer diameter of 28.4 mm are placed around the tube. The edge of fin at the inner diameter is corrugated. Air and water are used as working fluids in shell side and tube side, respectively. The experiments are done under dehumidifying conditions. A mathematical model based on the conservation of mass and energy is developed to simulate the flow and heat transfer characteristics of working fluids flowing through the heat exchanger. The results obtained from the present model show reasonable agreement with the experimental data.
A heat exchanger analysis is performed to investigate the heating characteristics of cryogenic nitrogen by ambient air for the purpose of cryogenic automotive propulsion. The heat exchanger is a concentric triple-passage for supercritical nitrogen, and the radial fins are attached on the outermost tube for the crossflow of ambient air. The temperature distribution is calculated for the nitrogen along the passage, including the real gas properties of nitrogen, the fluid convections and the conductions through the tube walls and the fins. Since the wall temperature of the outer (ambient side) tube is very low in most cases, a heavy frost can be formed on the surface, affecting the heat exchange performance. By the method of the similarity between the heat and the mass transfer of moist air, the frost growth and the time-dependent effectiveness of the heat exchanger are calculated for various operating conditions. It is concluded that the frost formation can augment the heating of nitrogen during the initial period because of the latent heat, then gradually degrades the heat exchange because of the increased thermal resistance. Practical design issues are discussed for the flow rate of nitrogen, the velocity and humidity of ambient air, and the sizes of the fin.
International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration
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제10권1호
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pp.10-18
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2002
The objective of present study is to analyze a concentric triple-passage heat exchanger for an optimal design of a continuous hot steel-tube cooling system, where a hot-steel tube line is passing through an antioxidant gas with a constant speed. Velocities and temperatures of the inert gas flowing between inner and outer tubes are calculated theoretically for laminar and numerically for turbulent flow regimes. From their profiles Nusselt numbers and friction factors are calculated (or various ratios of inner/outer tube radii and relative velocities. With these Nusselt numbers triple-passage heat exchangers are investigated for their thermal characteristics. It is shown that heat transfer coefficients based on ratios of average heat fluxes from inner and outer tubes might result in great errors for the temperature distributions of the flows, since local heat transfer coefficients for flows through an annulus are dependent on local wall heat flux ratios.
The objective of present study is to analyze a hot steel-tube cooling system as a kind of concentric triple-passage heat exchanger, whose inner tube is moving with a constant speed. Velocities and temperatures of an antioxidant gas flowing between inner and outer tubes are calculated theoretically for both laminar and turbulent flow regimes and used to give Nusselt numbers and friction factors with respect to various radius ratios and velocity ratios. In addition, it is shown that heat transfer coefficients based on ratios of average heat fluxes from inner and outer tubes might result in great errors for the temperature distributions of the flows, since the local heat transfer coefficients are dependent on the local heat flux ratios.
The heat transfer characteristics of an internal heat exchanger for $CO_2$ refrigeration cycle are numerically investigated. The numerical model is verified using the published experimental results for the concentric tube type internal heat exchanger. The Hardy-Cross Method gives very good agreement between the calculation and experimental results on the heat transfer rates and exit temperatures. Also, appropriate combination of heat transfer correlations is found. The operating parameters of the heat exchanger are calculated at transcritical region of $CO_2.$ The heat transfer rate of the counter flow type heat exchanger shows the $32\%$ greater than that of the parallel flow type heat exchanger. The increase of heat exchanger length enhances the heat transfer rate. The thermodynamic characteristics and heat transfer coefficient of $CO_2$ in the internal heat exchanger are estimated.
A one-dimensional heat transfer model for the vertical borehole system is derived in this study to predict the thermal behavior of the system and surrounding soil. In this model the U-tube is replaced with one effective tube of effective diameter which is surrounded by concentric grout region. All thermal resistances of borehole are counted in the grout region with effective thermal conductivity of grout. Effective thermal conductivity of grout and sand are calculated through parameter estimation. The validity of this model is accomplished through comparison of the predicted temperature profiles of the model with experimental data.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제23권5호
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pp.687-694
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1999
This study was conducted to develop new drying process for automatic control and marine engi-neering system. Air-water tests were carried out to investigate dryer performance. The dispersed flow in he dryer test apparatuses was also simulated by using a numerical code which solves the Dittus-Boelter equation for continuous liquid phase and the Reynolds equation of droplet motion for continuous liquid phase and the Reynolds equation of droplet motion for dispersed phase to predict droplet removal efficiency. Proper conditions for dehumidification were optimized by response ambient conditions. When the selected indexes were constrained in the range of 85-98% moisture content above $15^{\circ}$ and more than mass flow rates of moist air 750kg/h. The numerical results were compared with the experimental data pertaining to the removal effi-ciency at chamber stage and overall pressure drop along concentric tubes Good agreement was obtained as for the efficiency while relatively poor agreement was obtained for the relative humidity. The results also showed that the efficiency depended strongly on the relative humidity at the inlet condition which indicated the importance of estimating the heat exchanger length. Effects of some design parameters in both removal efficiency and breakthrough onset condition are discussed.
Experiments were carried out to investigate the condensation heat transfer characteristics for R22 and its alternatives, R407C (R32/125/134a, 23/25/52wt%) and R410A (R32/125, 50/50wt%). A concentric tube heat exchanger was made to conduct condensation heat transfer tests. Mass flux and saturation temperature of refrigerants at the test section inlet were varied to get the corresponding heat transfer coefficients. Serial and parallel input of secondary fluid (water) were applied to the test subsections. Compared with existing correlations of condensation heat transfer, experimental heat transfer coefficients obtained in this study were generally higher than the predicted values, and mean absolute deviations from several correlations were shown. Wall subcooling was introduced to get a new correlation for condensation heat transfer coefficients by modifying Shah's equation. The RMS deviation of the measured heat transfer coefficients from the new correlation in this study for R22 is 9.9% and that for R407C and R410A are 10.2% and 14.6%, respectively.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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