27
������� ��� ��� ������ ����� ���� ���� _ �������� ���� ������ �����)33 ( ���)2 (2011 Tishreen University Journal for Research and Scientific Studies - Engineering Sciences Series Vol. (33) No. (2) 2011
�������� ���� !"��� ��#���������� �$���� %�& �� '��� ������(�
��� ��� ���" ��*
) *� �+� ,���31 /3 /2011 . /0 ����� 12�3418 /5 /2011(
∇∇∇∇ 78'�� ∇∇∇∇
�� ����� � �� ���� ������� � ����� �� ������� ���� ��� ����� ���� ��� �� !��� ���"� �� "� �� ������� �#��$�� %����&����� , ���$� (� �) *�)���� ���� +�� ��)��,��� *�����������-� ,
����� .� �������� ,����� ���� ��� �� !��� ������� ������� � ���/� 01#��$��� 2� ������� 0������ 34�1# $�0������ ���1# (� 5��,��� 6���� !�1��. 5���)� � ����� ��� 7/� , ���� +���������� 8/�� 7/9��� ��,�� � �� �� ���
:)� ����� ��� ��; <�1"� ��� �&� (� ������� � ����� �� (�$4���� (�� ������� �,��� *6�1) 5�� �� �& � �&� (� (�$4����=�">.
����9��� ��"��: �������� +. ����� ,������� ����, > �� ��&����� �#��$�� ,*������ ��,��� ,����� ���
������� ��� ��� ������ ����� ���� ���� _ �������� ���� ������ �����)33 ( ���)2 (2011
* ;�� #��<= ��"��"���� >�?�� ��4– ��A���"��� ��"��"���� �� ���� ���"– ����� ����– ��4#B��– �����.
��&����� �#��$�� %�� �� "� �� �������� �������� +. ����� *�)���� ���� ���
28
Tishreen University Journal for Research and Scientific Studies - Engineering Sciences Series Vol. (33) No. (2) 2011
Modeling and Simulation of Shell and Tube Heat
Exchangers by using Finite Elements Methods
Dr. Jaber Dieba*
(Received 31 / 3 / 2011. Accepted 18 / 5 / 2011)
∇∇∇∇ ABSTRACT ∇∇∇∇
In this research, the velocity distribution and pressure drop were determined around
tube bundles in the shell-and-tube heat exchanger by using finite elements methods. The
mean heat transfer coefficient, thermal performance, velocity distribution and pressure
drop in shell-and-tube heat exchangers with segmental baffles were investigated and
visualized for different baffle cuts and different baffle numbers. The optimum values of
parameters (baffle cuts, baffle numbers), which are very important for increasing the heat
transfer and decreasing the pressure drop, were obtained.
Key Words: Heat Exchanger, Tube Bundle, FEM, Heat Transfer, Pressure Drop.
�� ?�:
*Associate Professor, Department of Thermal Energy, Faculty of mechanical and electrical
Engineering, Tishreen university, Latakia, Syria.
(��@� �$��� �/��� /���� �� �&�� ��/$��)33 ( $��)2 (2011 Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series
29
� ,�� �� ����#�� ������ �� �������� �������� +. ����� � "� � �� +��/�� ������� (�" ��� , G�9)���54���/� ��"�����. �� 8/� %� ��� ���9�� ������� �� ��� ��> H������� �"� (�������� (��� ��� �> %� �� +. �����
������� � ����� ��/�� �#�� ������� ���� 7/� ���$�� ��� �.� ���� ��� H������� (�� ��#���� I��1�� ��� ��� ���> �)@� ��.���� ��� �.� 6��9> ��/� [1K3].
��M���� �&���,�� ������� ���� +��9� ��� ������� ������� � ����� G:N �"� ���$� � ����� 5���������� �� ��� (����� ��)�� ��� ��)> 7/� ��#�/�� �������� ������ I��1�� �� ������� �� ��� %� � , 7� �
34�1#� ������� O0������ ) (� P. � ���� �)@� 0��� �� ��� ���� ����"�� 54���� �)�� 0����� ��,� ���������� ��� ������ ��� �.�([4,5] . ������� � ������� ����� ��� 7/� ������� G:��� �� ������� �� �/� +������ � ����� (> ()�� .
� ����� ������� �� * ������ G������� 7� � ��,� ��� ���$�� �� ��� 7�� �&��$�� *����/� ������ �� ��� ���� �� ������� *����/�) ����0������ 34�1#([6K9] .
C0� D<� ����� ���D<:
(�� *6�1) �������� �������� +. ����� �)@� %/$� � �4� (� � $�� 7/� �9� � ���/� �����#��� +����������(� 5��,��� !�1��.� � 0������ ���1# *���� 7� � ���� 0������ ���1# ��� 7/� ������� 0������ 34�1# �
���� +. �����(> .� ���$� +��� �� 2�,�� ���� ����� ��� 5�� �� 2���/ 2��9> 2���> (�/��$�� (�&� 54��/� ���� ��� ������� +�1/�� � * ���� ���������> * ����� 54���� +��� �[10K12] .
��� ����� � ��� ��&����� �#��$�� U����� �� "� �� ��/�/�� � �� 6���(ANSYS) [13,14] 8�� Z�P) ��9[� � ��� 7/� 34�1#�� 8/� ���� !�1���� 0������ 34�1# � (� (� �)�����-� *������ ��,��� ���$� ,
�������� ����� .� , ��� �� !��� �� ����� ����� ����� ������� �1/�"� \��� ��> (� 8��. �:" (� �/#���� +����,���� U4����� �� "� �� +���������� 8/�� 7/9��� ��,�� � �� � ����� (� G &�� (�
*�)������ �������������� +. ����� ����$� (� ��� � �����������#� �� $�5� �6:�� ��� �& �� "� � �������&.
E ���� ����� %A��&: 1 ./A�F�9�� G#�����:
�� � �����> ����� � ��� ����"� ����� � �� �� �� $�� �����/� ���> \���)) �)@1 (�:9 ����� �&�� * ��� �) �)�� ���� � 0���� 34�1#4 [mm] . ^/�� � ����� G:�� �/"� �� ��,�� (�240 [mm] , �
������� ^/��4 �����>) ����"�� ���;80 [mm] �/"� �� ���;�72 [mm] ( ^/�� ����> �)� ����600 [mm] ������� � ����� a�� � ������-� ��� ��� ^/�� �$��� O&��)�����b� ����"�� 3� �� ( �� ,�0,603 [m2].
���
�4 /����(� H������ 1 ���� /A� ��� G#��������' �
����� .� �� �$� (� G�[�� �� $�� ����/� �1#���� +. �$��� ��M� (� , ����� �� �$� K �� �$�� c)��
( )0=
∂
∂+
∂
∂
i
i
x
w
t
ρρ
( ) ( )∂
∂−=
∂
∂+
∂
∂
i
i
j
iji
x
PX
x
ww
t
w ρρ
( ) ( )+=
∂
∂+
∂
∂ ⋅
q
i
ippq
x
Twc
t
Tc ρρ
� ������� � ���/� � $�� \���� +�� ��) �,�� �� +� ��,��� �$��� ��4����1�� d��"��� *���"��� �� ��� ���@�� (� �6��/� ��)����� ������
�� "� ��� *������ +��� �� ��&��� � �� ��
/����(� H������ 1 ���� G#���� �� '����� �� ��� &�����
T1e = 75 [°c] T2e = 25 [°c] w1e = 2 [m/s] w2e = 2 [m/s] p1a= 0 [N/m2 p2a= 0 [N/m2
��&����� �#��$�� %�� �� "� �� �������� �������� +. ����� *�)���� ����
30
1"���)1 :( �4 /����(� H������ 1 ���� /A� ��� G#�����
����� .� �� �$� (� G�[�� �� $�� ����/� �1#���� +. �$��� ��M� (�
∂
∂
∂
∂+
∂
∂
∂
∂+
i
j
jj
i
j x
w
xx
w
xηη
∂
∂
∂
∂
ii x
T
xλ
�� ��� ��#����: � �� �� ���� 6�@��ٕ� � � 6����� ������� � ���/� � $�� \���� ���)��&����� �#��$�� (� , ��4����1�� d��"��� *���"��� �� ��� ���@�� (�
(������ (� ����� �� �) 0�� "� � �� ���) ������ ("� �� ( �� "� ��� *������ +��� ��
1� ���)1 :(/����(� H������ 1 ���� G#���� �� '����� �� ��� &�����
�� ��� ���@�� = 75 [°c] ("� �� 54���� ��" *���� ��� )������� (��( = 25 [°c] ����� 54���� ��" *���� ��� ) ����������( = 2 [m/s] ("� �� 54���� ��" ��� = 2 [m/s] ����� 54���� ��" ���
2] \�"��� �� ("� �� 54��/� �� ��� ����� 2] \�"��� �� ����� 54��/� �� ��� �����
��&����� �#��$�� %�� �� "� �� �������� �������� +. ����� *�)���� ����
����� .� �� �$� (� G�[�� �� $�� ����/� �1#���� +. �$��� ��M� (�
0����� �������[6] : (1)
(2)
(3)
2 .�� ��� ��#���� � �� �� ���
0�4���7�� � ���)[15] , (������ (� ����� �� �) 0�� "� � �� ���
(��� ���)1,2(.
Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series
/����(� H������ 1 ���� ��I �'���� ����[15]
���� +�������"� ���� � ���/���� +����$��� (� �/�� 6����ٕ� � ����� �����> ��� ������ ��� �� !��� ���"�� ��4� ��� U4����� 7/� ��#��� ���)�� � $�� ����� 6 ����
H������ 1 ���� /0 L���(� ��F� 1�� ������ M�N< /��'�� OA���
H������ 1 ���� /0 L���(� ��F� 1�� ������ M�N< /��'�� OA���
("� ��� ����� 6��/� ��)����� ������� ��4����1�� d��"�� T = 25 °c ρ 997,05 [kg/m3] cp 4179 [J/kg.K] λ 0,6072 [W/m.K] ν 0,893.10K6 [m2/s] Pr 6,128
(��@� �$��� �/��� /���� �� �&�� ��/$��)33 ( $��)2 (2011 Sciences Series
31
1� ���)2 :( ��A�F�9�� 7��'�� ��"���� �������M��� /����(� H������ 1 ���� ��I �'���� ����
��4����� PA����: ���/���� +����������� U������� ���� $� ���� +�������"� ���� � ���/���� +����$��� (� �/�� 6����ٕ�
� ����� �����> ��� ������ ��� �� !��� ���"�� ��4� ��� U4����� 7/� ��#��� ���)�� � $�� ����� 6 ���� ��)@�� �� ��) �������)2,3.(
1"���)2 :( �;���� *F�� &&'�H������ 1 ���� /0 L���(� ��F� 1�� ������ M�N< /��'�� OA���
1"���)3 :(&QI�� *F�� &&'� H������ 1 ���� /0 L���(� ��F� 1�� ������ M�N< /��'�� OA���
("� ��� ����� 6��/� ��)����� ������� ��4����1�� d��"��T = 75 °c
974,84 [kg/m3] ������� �/�)�� 4193 [J/kg.K] ������� �������� �$ �� 0,6668 [W/m.K] �������� ����#�.�
/s] 0,388.10K6 [m2/s] ��)���� ����/�� 2,376 ������ �;�
(��@� �$��� �/��
1� ���
��4����� PA���� ���/���� +����������� U������� ���� $�
������� � ����� �����> ��� ������ ��� �� !��� ���"�� ��4� ��� U4����� 7/� ��#��� ���)�� � $�� ����� 6 ���� ��)@�� �� ��) �������
���
�#� ��� ��� ��� <$� �� +�N��1� � ��" �� ��� �� �&���; (> 2��/�2 [m/s] O�� � � x� ��
<����� �� 0�> �������� ����� \� �� ����� *��# ��$� �&� ���/� ����� ��� �9�� ��" �� ��� ��
������ ��� �� ���"� (� �) 7/� 0������ 34�1# ��9[� ���� ��> ( ����� ���� \����� �� $� ���9 (�� 7/� \��� �) *�)���� � ��
���"� <�$� �� *�)����� U4��� �9��
C������ RA9$ �� �9��'� � ;< �; &QI��� �;���� &&'� [16]
��&����� �#��$�� %�� �� "� �� �������� �������� +. ����� *�)���� ����
32
�)@�� (�)2 (���$� �)@� ������� ��� ��� �� ��; ���� 3��� , �#� ���� ���M��� �&���; ���,� ��5 [m/s] � ��" �� ��� �� �&���; (> 2��/�
*������ ��,��� ���$� (� �� 7�� . �)@�� ��>)3 ( <����� �� 0�> �������� ����� \� �� ����� *��# ��$� �&� ���M��� ���,�� (> ��$� �&� \��"�� �� ��� $� �� ��� ����� ���; ���/�
������ ��� ��� �� 54��/� �����-��. ������ ��� �� ���"� (� �) 7/� 0������ 34�1# ��9[� ���� ��> (
� � ����� ��� 7/� 0������ 34�1# (� ��)2,4,6,8 (�9 (�� �� ��� �� ��) ����� �� ��� ���@�� c1� ��)1(. �)@��)4 ( ���"� <�$� �� *�)����� U4��� �9��
0������ 34�1# (� �1/�"� � �> �� ������ ��� �� !���.
1"���)4 :(C������ RA9$ �� �9��'� � ;< �; &QI��� �;���� &&'�
��&����� �#��$�� %�� �� "� �� �������� �������� +. ����� *�)���� ����
�)@�� (�������� (�� � ���M��� �&���;
*������ ��,��� ���$� (� �� 7�� ���M��� ���,�� (> ��$� �&� \��"�� �� ��� $� �� ��� ����� ���;
������ ��� ��� �� 54��/� �����-�� ������ ��� �� ���"� (� �) 7/� 0������ 34�1# ��9[� ���� ��> ( 7/�� �>1/�"� �O � �� ��� �� ��) ����� �� ��� ���@�� c1� ��
0������ 34�1# (� �1/�"� � �> �� ������ ��� �� !���
(��@� �$��� �/��� /���� �� �&�� ��/$��)33 ( $��)2 (2011 Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series
33
�� ��)��9�� � ���/� �������� ����� .� �;:� 01#��$��� 2� 0������ 34�1# $� (� ������� ��,�� "> $� U������� \�" �)@�� ��)5( 0������ 34�1# � �� �� 5� � ���/� �������� ����� .� * ��� (��� ���.
1"���)5 :( H������ 1 ���� �������� �;&�� � &&'� C9$����� U C������ RA9$ ��
�� ,� ������� � ����� (�� ����� ���&� �� ���� ��>��9�� 0�;:� 2�$��� 01#�� �� �/�[S/D] "> $� �)@�� �� �,�� �� *�)������ ������ U4��� (� 0� ���M��� ��,��)6 (�9�� ���:
S [m] (�������� 0���� ����1# (�� ��� ���. D [m] � ����� G:�� �/"� �� ��,��.
1"���)6 :( ������ O��" H������ 1 ���� ��I &QI�� &��D &&'�[S/D]
�)@�� (�)6 ( �� �� 2� � ���) �)@� ����� +����� ��; �� �� 3��� �� ��� (�)�[S/D] < 0,35 8��
0���� 34�1# 5� �������� +. ����� ���#� �� �� ��� 8/� ��"� � $� 3#��. ��9[� � �� � ������� �� * ������ G�������)0������ 34�1# (� d�#,��� 6���� !�1���( ��� �� !��� 7/�
������ ��� ���� �� ��� ���; ����� �� ������� ������� � ����� �����>[H/D] (�10 % 7��60 % 6�@��ٕ�
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
0 2 4 6 8 10Die Anzahl der Umlenkbleche
0
100
200
300
400
500
600
700
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 [S/D]
Q [W]
0������ 34�1# �
∆P
[N/m2]
��&����� �#��$�� %�� �� "� �� �������� �������� +. ����� *�)���� ���� ���
34
�9 (�� 8�� �,������ \����� ���� 7/� \��� �)� � $�� ���� �* �� ��� ���@�� c1� ��) �)@��7( , ��� �9��H 0������ ���1# (� d�#,��� 6���� !�1���.
1"���)7 :(C������ RA9$ #0���� �9��'� ;9��� �; &QI��� �;���� &&'�[16]
��)@�� �9�� ��))8,9 ( (� d�#,��� 6���� !�1��. 5���) ����� ���� ���M��� ��� �� (� �) �;:�
���1#0������.
(��@� �$��� �/��� /���� �� �&�� ��/$��)33 ( $��)2 (2011 Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series
35
1"���)8 :(C������ ���9$ !#0� *9�� O��" ���Y;(� �;���� �4B;
1"���)9 :(C������ ���9$ !#0� *9�� O��" &QI�� &��D �4B;
�� ��� %,�� ���� 0������ 34�1# ���� !�1��. ��; "[� �� 3#�� 8�)[H/D] > 0,35 ����� 8��
�)@�� 7/� ����.�� ����� ���&� ���)�� �� �.�)9.( "�� ��� ������� ������� � ���/� �9��� ���#��� �> \����� ����".(�� ���� ��,��� ���$� (� 2:)
����"�� 54��/� ����� +������ �����-� *������ , �)@�� (��� ���)10 ( *������ ��,��� ���$� (� �) �;:� ����� ���� �����-� 2�$��� 01#�� � ��� (� �)�[H/D], [S/D] ��� ��"� �� , ()�� ��"��� � �:" (�
%,�� ���� 7/9��� ���#��� ��,� ���� 2.�,��� ����� 2� �� 2� ��)���� +������� �;> 5�.
4,016
3,898
4,2324,2734,276
4,617
3,4
3,6
3,8
4
4,2
4,4
4,6
4,8
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Das Verhältnis [H/D]
0
200
400
600
800
1000
1200
0,25 0,35 0,45 0,55 0,65 0,75 0,85
Das Verhältnis [S/D]
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
∆P
[N/m2]
[H/D]
��� ��[m/s]
[H/D]
��&����� �#��$�� %�� �� "� �� �������� �������� +. ����� *�)���� ���� ���
36
1"���)10 :(H������ 1 ���� /0 &QI�� &��D� /���+� !������ 1?��� 1��� �4B;
(� 2:��8�H ����� � ��� 7/� ��������� +� ��,�� U4���� ���� ���� ������ U4��� (�� ����,� 6���� �� �)@�� �� ��) �����>)11 .( (� 8�� ����� 54��/� � ����� �;�� �������� ����� .� (�� �;:$�� �)@�� (��� ���
���� ���� U4����� �:" (� ("� �� 54��/� �1/�"� +�,� � ��; ��>)*��� ��� ���"�� ( ��������� +� ��,�� U4����)��������� ��,���( ,(������� ��/) (�� ���) %���� ��� 3��� �)@�� (��.
1"���)11 :(��������� ��?�� PA��� �������� PA���� ��� ���?���
P=150 N/m2
P=200 N/m2
P=250 N/m2
P=300 N/m2
P=350 N/m2
P=400 N/m2
P=450 N/m2
P=500 N/m2
650
750
850
950
1050
1150
1250
1350
0,25 0,35 0,45 0,55 0,65 0,75 0,85
Das Verhältnis [S/D]
k [
W/m
2.K
] 0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
0 1000 2000 3000 4000 5000
Q [
W]
ReC
Vhe=1,2m^3/h
Vhe=1,8m^3/h
Vhe=2,4m^3/h
[H/D]
(��@� �$��� �/��� /���� �� �&�� ��/$��)33 ( $��)2 (2011 Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series
37
�$����� ����� �: �#��$�� > �� �� "� � ����� � �� �� ,� 5� �������� �������� +. ����� *�)���� ���� �� ��&�����
� 34�1#0����� .-� ������� � �� �� ��� ��) 2�� � ������� � ����� (�� 0������ 34�1# �� "� . ���/ ��� �������������� +���"��� �:" (� 8� <�� �� .+��� �� ��$� 0������ 34�1# �� "� � (> (� �N��� 7/� �� *�����
*������ ��,��� +��/�� �/��� ��� ������� ��� 54���� (���� �� ����� ��� �� �� (> .� ������� � ����� (��0� (�&� � . ��> ���/���� +�"���� ����� � * ���. ����� !�1���� 0������ 34�1# $� 7/9��� ��,�� � �� �� ;�
+�;:$�� %,�� ���� :[S/D] > 0,35 �[H/D] > 0,35 +. ����� 8/� \����ٕ� ���#� ��. ����� ���� �����-� *������ ��,��� ���$� (� �)� ��� ��"� � � �� ��) 5���� 01#�� �$�b�
�����#���)� ����� ��� 7/� 0������ 34�1# (�� ��� ��� ,���1#�� (� 5��,��� 6���� !�1��� ( 0�� * �1� :� 8�� ���&����$� (� �� G &� +. ����� ����#� ���#�.
O������:
[1] Roetzel, W.; Spang, B. Effective mean temperature difference in segmentally baffled
shell and tube heat exchangers. proceedings of the 9 th international heat exchanger
conference. Heat transfer. Vol. 5, 1990, S: 79-84.
[2] Roetzel, W.; Lee, D. Effect of baffle/ shell leakage flow on heat transfer in shell- and-
tube heat exchangers. Experimental Thermal and Fluid Science. Vol. 8, 1994, S: 10-
20.
[3] Gay, B.; Mackley, N.V.; Jenkins, J.D. Shell- side heat transfer in baffled cylindrical
shell- and- tube exchangers- an electrochemical mass transfer modelling technique.
International Journal of Heat and Mass Transfer. Vol. 19, 1976, S: 995-1002.
[4] Sun, S.Y.; Lu, Y.D.; Yan, C.Q. Optimization in calculation of shell- tube heat
exchanger. Int. Comm. Heat Mass Transfer. Vol. 20, 1993, S: 675-685.
[5] Gaddis, E.S.; Gnielinski, V. Pressure drop on the shell- side of shell- and- tube heat
exchangers with segmental baffles. Chemical Engineering and Processing. Vol. 36,
1997 S: 149-159.
[6] Prithiviraj, M.; Andrews, M.J. Three- dimensional numerical simulation of shell- and-
tube heat exchangers, Part II: Heat transfer. Numerical Heat Transfer, Part A. Vol.
33, 1998, S: 817-828.
[7] Kottke, V.; Li, H. Local heat transfer in the first baffle compartment of the shell- and-
tube heat exchangers for staggered tube arrangement. Experimental Thermal and
Fluid Science. Vol. 16, 1998, S: 342-348.
[8] Sparrow, E.M.; Reifschneider, L.G. Effect of interbaffle spacing on heat transfer and
pressure drop in a shell- and- tube heat exchanger. International Journal of Heat and
Mass Transfer. Vol. 29, 1986, S: 1617-1628.
[9] Shah, R.K.; Pignotti, A. Influence of a finite number of baffles on shell- and- tube heat
exchanger performance. Heat Transfer Engineering. Vol. 18 (1), 1997, S: 82-94.
[10] Mukherjee, R. Effectively design shell- and- tube heat exchangers. Chemical
Engineering Progress. February, 1998, S: 21-37.
[11] Gaddis, E.S.; Gnielinski, V. Shell- side heat transfer in baffled shell- and- tube heat
exchangers. In VDI- heat atlas. VDI- Verlag, Düsseldorf, 1993, S: Gg 1-5.
��&����� �#��$�� %�� �� "� �� �������� �������� +. ����� *�)���� ���� ���
38
[12] Gnielinski, V. Heat transfer in cross- flow around individual tube rows and through
tube bundles. In VDI- heat atlas. VDI- Verlag, Düsseldorf, 1993, S: Gf 1-3.
[13] n. n. Training Manual, ANSYS (Heat Transfer), Inventory number: 001785, first
edition, release 7.0, 2003.
[14] n. n. Training Manual, ANSYS (CFD Analysis), Inventory number: 001778, first
edition, release 7.0, 2003.
[15] Straub, J. Stoffwerte von Wasser. In VDI- heat atlas. 6. Aufl. VDI- Verlag,
Düsseldorf, 1991, S: Db 2-14.
[16] Karno, A.; Ajib, S.; Diba, J.; Nilius, A. FEM- Berechnungen und numerische
Untersuchungen an Rohrbündelwärmetauschern mit Umlenkblechen. In 49.
Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, Technische Universität Ilmenau,
Germany, 27.-30, September, Conference Proceedings, Vol. 2, 2004, S: 73-78.