In the present study, the characteristics of conductive and convective heat transfer occurred in a circular absorber of PTC (parabolic trough concentrator) for medium temperature solar energy utility were numerically investigated. A circular tube was considered as an absorber and the shape of PTC modeled in this study was based on the system that was installed in Korea Institute of Energy Research. Not only convection inside the tube but also conduction through the wall of the tube were analyzed, simultaneously. Circumferentially non-uniform heat flux that was simulated from the non-uniform solar disc model proposed by Jose was applied as thermal boundary condition on the tube surface. And, hydrodynamically fully developed laminar velocity profile was used as the inlet boundary condition and it was assumed that the working fluid was water. And, local heat fluxes at the interface of the tube and the working fluid were calculated for different wall thickness and thermal conductivity of the tube at various Reynolds number. Based on the results, the effects of thermal conduction of the tube on the local heat transfer were investigated.
The two-thermocouple method was investigated experimentally to evaluate its accuracy for the measurement of local wall temperature and heat flux on a heat transfer tube with an electric heater rod installed in an annulus channel. This work revealed that a thermocouple flush-mounted in a surface groove serves as a good reference method for the accurate measurement of the wall temperature, whereas two thermocouples installed at different depths in the tube wall yield large bias errors in the calculation of local heat flux and wall temperature. These errors result from conductive and convective changes due to the fin effect of the thermocouple sheath. To eliminate the bias errors, we proposed a calibration method based on both the local heat flux and Reynolds number of the cooling water. The calibration method was validated with the measurement of local heat flux and wall temperature against experimental data obtained for single-phase convection and two-phase condensation flows inside the tube. In the manuscript, Section 1 introduces the importance of local heat flux and wall temperature measurement, Section 2 explains the experimental setup, and Section 3 provides the measured data, causes of measurement errors, and the developed calibration method.
This paper deals with numerical treatment of singularly perturbed differential equations involving small delays. The highest order derivative in the equation is multiplied by a perturbation parameter 𝜀 taking arbitrary values in the interval (0, 1]. For small 𝜀, the problem involves a boundary layer of width O(𝜀), where the solution changes by a finite value, while its derivative grows unboundedly as 𝜀 tends to zero. The considered problem contains delay on the convection and reaction terms. The terms with the delays are approximated using Taylor series approximations resulting to asymptotically equivalent singularly perturbed BVPs. Inducing exponential fitting factor for the term containing the singular perturbation parameter and using central finite difference for the derivative terms, numerical scheme is developed. The stability and uniform convergence of difference schemes are studied. Using a priori estimates we show the convergence of the scheme in maximum norm. The scheme converges with second order of convergence for the case 𝜀 = O(N-1) and for the case 𝜀 ≪ N-1, the scheme converge uniformly with first order of convergence, where N is number of mesh intervals in the domain discretization. We compare the accuracy of the developed scheme with the results in the literature. It is found that the proposed scheme gives accurate result than the one in the literatures.
Song, Young-Jun;Lim, Jong-Hak;Byun, Young-il;Hong, Seong-Min;Jeong, Young-Hwan;Park, Jang-Yong;Song, Chul Ki
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.21
no.1
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pp.28-33
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2022
The heating roller of an actual pulse output device (POD) production facility is composed of a steel roller and a rubber roller. The time to reach a specific temperature and the temperature distribution on the roller surface were analyzed and compared according to the change in the number of cartridge heaters inside the heating roller. In this analysis, a steady-state thermal analysis of a steel roller was performed for the cases of a 5-cartridge heater and 9-cartridge heater. Finite element analysis was applied with reference to the surface temperature data of the heating roller during operation and the calorific value of the cartridge heater. Using the 9-cartridge heater, faster target temperature achievement and more uniform temperature distribution were confirmed than for the 5-cartridge heater.
Considering the characteristics of industrial machines that lack vehicle-induced wind, forced convection by a cooling fan is mostly required. Therefore, numerical analysis of an engine room is usually performed to examine the cooling performance in the room. However, most engine rooms consist of a number of parts and components at specific positions, leading to high costs for numerical modeling and simulation. In this paper, a new methodology for three-dimensional computer-assisted design simplification was proposed, especially for the pile of components and parts at the engine room outlet. A porous media model and regression analysis were used to derive a meta-model for imitating the flow rate reduction at the outlet by the pile. The results showed that the fitted model was reasonable considering the coefficient of determination. The final numerical model of the engine room was then used to simulate the velocity distribution by changing the mass flow rate at the outlet. The results showed that both velocity distributions were significantly changed in each case and the meta-model was valid in imitating the flow rate reduction by some piles of components and parts.
In the present study, the finite volume method is applied for the thermal performance prediction of the natural ventilation system using vertical solar chimney whereas, design parameters are optimized through the response surface methodology (RSM). The computational simulations are performed for various parameters of the solar chimney such as absorber temperature (40≤Tabs≤70℃), inlet temperature (20≤T0≤30℃), inlet height of (0.1≤h≤0.2 m) and chimney width (0.1≤d≤0.2 m). Analysis of variance (ANOVA) was carried out to identify the design parameters that influence the average Nusselt number (Nu) and mass flow rate (ṁ). Then, quadratic polynomial regression models were developed to predict of all the response parameters. Consequently, numerical and graphical optimizations were performed to achieve multi-objective optimization for the desired criteria. According to the desirability function approach, it can be seen that the optimum objective functions are Nu=25.67 and ṁ=24.68 kg/h·m, corresponding to design parameters h=0.18 m, d=0.2 m, Tabs=46.81℃ and T0=20℃. The optimal ventilation flow rate is enhanced by about 96.65% compared to the minimum ventilation rate, while solar energy consumption is reduced by 49.54% compared to the maximum ventilation rate.
Shu Soma;Masahiro Ishigaki;Satoshi Abe;Yasuteru Sibamoto
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.7
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pp.2524-2533
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2024
When analyzing containment thermal-hydraulics, computational fluid dynamics (CFD) is a powerful tool because multi-dimensional and local analysis is required for some accident scenarios. According to the previous study, neglecting steam bulk condensation in the CFD analysis leads to a significant error in boundary layer profiles. Validating the condensation model requires the experimental data near the condensing surface, however, available boundary layer data is quite limited. It is also important to confirm whether the heat and mass transfer analogy (HMTA) is still valid in the presence of bulk condensation. In this study, the boundary layer measurements on the vertical condensing surface in the presence of air were performed with the rectangular channel facility WINCS, which was designed to measure the velocity, temperature, and concentration boundary layers. We set the laminar flow condition and varied the Richardson number (1.0-23) and the steam volume fraction (0.35-0.57). The experimental results were used to validate CFD analysis and HMTA models. For the former, we implemented a bulk condensation model assuming local thermal equilibrium into the CFD code and confirmed its validity. For the latter, we validated the HMTA-based correlations, confirming that the mixed convection correlation reasonably predicted the sum of wall and bulk condensation rates.
Effects of the dimensionless variables on the heat transport phenomena in the extrusion process of a single screw extruder have been studied numerically. Based on the understanding of the solids conveying related to the geometrical structure and characteristics of the screw, the heat balance equation for the solids conveying zone was established and normalized. The finite volume method and power-law scheme were applied to derive a discretized equation and the equation was solved using the alternating direction iterative method with relaxation. Effects of the dimensionless parameters, Biot and Peclet numbers, that define the heat transfer characteristics of the solids conveying zone have been investigated with respect to the temperature of the feeding zone and the length of the solids conveying zone. As the Biot number is increased, the heat loss by cooling dominates to decrease the temperature of the barrel but it has little effects on the temperature of the solids bed and the length of the solids conveying zone. On the other hand, if the Peclet number is increased, the convection term dominates to decrease the temperature of the solids bed and it results in an increase in the length of the solids conveying zone.
The performance of a latent heat storage system using a thermosyphon as the heat transfer device between the heat source and the phase change material was investigated experimentally. In order to increase the effective conductivity of the phase change material, layers of copper wire mesh were immersed in the paraffin wax(Sunoco P-116) in such a way that they also may be considered as fins of the thermosyphon. The important results are as follows : (1) The void space of the wire mesh allowed the convection to occur, thus enhanced the performance of the system : (2) The increase of the number of layer of wire mesh increased the conduction heat transfer. However, it also had adverse effect of subduing convective motion of liquid wax : and (3) Overall heat transfer coefficient and thermosyphon conductance increased with the increase of the number of layer of wire mesh, whereas the heat transfer coefficient between the thermosyphon and the wax decreased.
An energy loss through the window system occupies about 10 to 30 percent on energy consumption of the whole building. That is the reason, several elements for a building composition of window system are the weakest from the heat. Insulation performance increases for the reducing heat loss. Heat transfer through the window system that is reducing heat transfer through conduction, convection and radiation. Insulation performance reinforcement methods classify improving heat specific quality of window system and improving efficiency of whole window system. The most application method among each methods is reducing emission ratio of the window system(Low-E glass), increasing a number of glazing(multiple window) and a method of vacuuming between glazing and glazing. Therefore this study is investigated a sort of glazing and specific character, U-value calculation with changing glazing thickness and calculation of temperature distribution and U-value with a glazing charging gas kind from double glazing. For a conclusion, an aspect of U-value figure at the smallest value case of vacuum glazing with Low-E coating. That means insulation efficiency is the best advantage during a building plan selecting vacuum glazing with Low-E coating for a energy saving aspect. In this way, U-value become different the number of glazing, coating whether or not and selecting injection gas. Therefore selecting of glazing is very important after due consideration by a characteristic and use of building and consideration of strong point and weak point.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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