Optimizing thermal efficiencies of power-law fluids in double-pass concentric circular heat exchangers with sinusoidal wall fluxes

Chii-Dong Ho; Jr-Wei Tu; Hsuan Chang; Li-Pang Lin; Thiam Leng Chew; Chii-Dong Ho; Jr-Wei Tu; Hsuan Chang; Li-Pang Lin; Thiam Leng Chew

doi:10.3934/mbe.2022401

数学生物科学与工程

2022,第19卷, 第9版: 8648-8670. 数字对象标识：10.3934/mbe.2022401

研究文章特殊问题

正弦壁通量双通道同心圆管换热器中幂律流体的热效率优化

1
台湾新台北淡水英庄路151号谭康大学化学与材料工程系251
2
马来西亚国家石油大学工程学院化学工程系，邮编：32610 Seri Iskandar，Perak Darul Ridzuan
三。
马来西亚国家石油大学污染物管理研究所CO2研究中心（CO2RES），马来西亚佩拉克达鲁里德赞，斯里伊斯干达32610号

学术编辑：Feliz Manuel Barráo Minhós

收到：2022年4月17日 修订过的：2022年6月2日 认可的：2022年6月4日 出版：2022年6月16日

发达国家从理论上研究了外循环操作对传热效率的影响，特别是在正弦壁通量下，幂律流体在双程同心圆换热器中的流动。考虑到流体在不透水板的两侧被加热两次，本研究中提出的循环双通道操作中的四种流动模式有望大大改善换热器装置的性能。理论预测指出，在相同的工作尺寸和运行条件下，所有新设计的双通道同心圆换热器的传热效率都随着通道厚度比的增加而增加。双通道换热器内的流体速度因流体流经分隔的子通道而增加，这有助于提高对流换热效率。推导了双通道同心圆管换热器的简化数学公式，为分析边界处具有正弦壁面通量的传热问题做出了重要贡献。与未插入不透水板的单程循环相比，使用外部循环的结果为建议的四种配置提供了最佳性能。文中还讨论了幂律指数和隔水片位置对不同流型下平均努塞尔数的影响。环形通道厚度相对较小时，无量纲壁温分布较低，四种外循环结构和单程装置的平均努塞尔数更适合在相同条件下运行。功耗增量与传热效率提高的比值表明了各种配置的双通道同心圆管换热器的经济可行性。结果还表明，外循环结构（如本研究中的B型）在设计用于加热幂律流体的同心环形换热器时具有重要的经济优势，因为在出口温度较高的环形通道中体积流量较小。
- 传热效率,
- 幂律流体,
- 正弦壁通量,
- 共轭graetz问题,
- 外部再循环
引用：何志东、屠小伟、张宣、林立鹏、周廷冷。具有正弦壁通量的双程同心圆换热器中幂律流体的热效率优化[J]。数学生物科学与工程，2022，19（9）：8648-8670。doi:10.3934/mbe.2022401

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摘要

发达国家从理论上研究了外循环操作对传热效率的影响，特别是在正弦壁通量下，幂律流体在双程同心圆换热器中的流动。考虑到流体在不透水板的两侧被加热两次，本研究中提出的循环双通道操作中的四种流动模式有望大大改善换热器装置的性能。理论预测表明，在相同的工作尺寸和操作条件下，所有新设计的双通道同心圆管换热器的传热效率都随着通道厚度比的增加而增加。双通道换热器内的流体速度因流体流经分隔的子通道而增加，这有助于提高对流换热效率。推导了双通道同心圆管换热器的简化数学公式，为分析边界处具有正弦壁面通量的传热问题做出了重要贡献。与不插入不渗透片材的单程中进行的配置相比，使用外部循环的所提出的四种配置的结果提供了最佳性能。文中还讨论了幂律指数和隔水片位置对不同流型下平均努塞尔数的影响。环形通道厚度相对较小时，无量纲壁温分布较低，四种外循环结构和单程装置的平均努塞尔数更适合在相同条件下运行。功耗增量与传热效率提高的比值表明了各种配置的双通道同心圆管换热器的经济可行性。结果还表明，外循环结构（如本研究中的B型）在设计用于加热幂律流体的同心环形换热器时具有重要的经济优势，因为在出口温度较高的环形通道中体积流量较小。

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