Computational investigation of pool boiling around different diameter horizontal tubes under atmospheric and sub-atmospheric pressure

Abstract

Havuz kaynama yöntemi, ısı transferi açısından önemli bir etkinlik sergileyerek çeşitli endüstrilerde yaygın bir şekilde kullanılan bir tekniktir. Bu teknik, nükleer reaktörlerden elektronik sistemlere, kazan sistemlerinden çeşitli soğutma uygulamalarına kadar geniş bir uygulama yelpazesine sahiptir. Bu çalışmada, özellikle yatay borulardaki kaynama fenomenine odaklanılarak nükleat havuz kaynamasının ayrıntıları açıklanmıştır. Simülasyon çalışması, bir su tankına batırılmış yatay bir boru üzerinde gerçekleştirilmiştir ve ANSYS Fluent yazılımı kullanılarak yapılmıştır. Bu çalışmanın temel amacı, farklı boru çapları (5 mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm) altında atmosferik ve atmosfer altı basınçlarda (101 kPa, 47 kPa, 20 kPa, 7.4 kPa, 2.3 kPa) sayısal olarak analiz etmek için bir yatay ısıtılmış bakır borudan havuz kaynaması ısı transferini araştırmaktır. Simülasyon, Euler-Euler ve Rensselaer Polytechnic Institute kaynama modeli kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu modelleme, kaynama sürecini doğru bir şekilde analiz etmeye ve havuz kaynaması odasında ısı akısı ile havuz kaynama ısı transfer katsayısını tahmin etmeye olanak sağlar.Ayrıca, farklı boru geometrileri ve değişen basınç koşullarına dayanarak kabarcık davranışları incelenmiştir. Sonuçların değerlendirilmesi sırasında, literatürde farklı yöntemlerle yapılan hesaplamalı akişkanlar dinamigi (HAD) çalışmalarından ve deneysel araştırmalardan elde edilen veriler kullanılarak bulguların mantıklı bir çerçevesi oluşturulmuştur. Çalışmanın sonuçlarına göre, ortam basıncının azalmasıyla, yani sistemin vakumlanmasıyla, boru üzerinde oluşan ısı akısı azalmaktadır. Benzer şekilde, boru çapının artmasıyla, ısı akısında önemli bir düşüş gözlenmektedir. Bu bulgular, endüstriyel sistemlerin tasarımında ve optimize edilmesinde önemli bir rol oynayabilir ve gelecekteki çalışmalar için değerli bir referans noktası sağlayabilir.The boiling method is extensively employed across various industries due to its commendable heat transfer efficacy. Its applications span a wide range, including deployment within utilization within nuclear reactors, integration within electronic systems, incorporation within boiler systems, and diverse cooling applications. In this study, the details of nucleate pool boiling are elucidated, particularly emphasizing the phenomenon of boiling on horizontal tubes. The simulation conducted in ANSYS Fluent software focuses on a horizontal tube immersed in a water tank. Its primary objective is to numerically analyze the pool boiling heat transfer from a horizontally heated copper tube, considering various tube diameters (5 mm. 10 mm, 15 mm, 20 mm) under atmospheric and sub-atmospheric pressures (101 kPa, 47 kPa, 20 kPa, 7.4 kPa, 2.3 kPa). To accomplish this, the simulation employs the Eulerian-Eulerian along with the Rensselaer Polytechnic Institute boiling model, allowing for the replication of the boiling process and the prediction of heat flux and pool boiling heat transfer coefficient within the pool-boiling chamber. Additionally, bubble behaviors have been examined based on different tube geometries and varying pressure conditions. During the evaluation of results, insights from both computational fluid dynamic (CFD) studies conducted with different methods in the literature and experimental research have been utilized to determine the logical framework of the findings. As the ambient pressure decreases, or in other words, as the system is vacuumed, the heat flux generated on the pipe decreases. Similarly, when the diameter of the pipe is increased, a significant decrease in heat is observed.