Velocity field and heat transfer in a vortex flow exchanger

This study deals with the flow of newtonian and non-newtonian fluids, inside a cylindrical flat cavity, provided with a tangential injection device, model of heat exchangers with spiral flow.The dynamic analysis which requires essentially a laser Doppler velocimeter focusses on the determination of the velocity field and brings out the existence of secondary flows which are important for heat transfer.In turbulent regime, the law of exchange agrees with the Chilton-Colburn analogy. On the other hand, for laminar flow, it becomes necessary to include the variations with temperature of the consistency (K); the Nusselt number (Nu) not only depends on the flow rate, but also on the density of transferred heat flux.

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Geschwindigkeitsfeld und Wärmeübertragung in einem Wärmeüberträger mit spiralförmiger Strömung

Zusammenfassung Diese Studie betrifft die Strömung von Newton'schen oder Nicht-Newton'schen Flüssigkeiten innerhalb eines flachen zylindrischen Hohlraumes, der mit einem tangentialen Einspritzungssystem versehen ist und als Modell für Wärmeaustauscher mit spiralförmiger Strömung dient.Die dynamische Analyse, die das Laser-Dopplerverfahren (Laser-Velocimetrie) erfordert, kennzeichnet das Geschwindigkeitsfeld und beweist die Existenz von Sekundärströmungen, die für die Wärmeübertragung wichtig sind.Für den turbulenten Betrieb folgt das Gesetz des Wärmeaustausches der Chilton-Colburn Analogie. Was den laminaren Betrieb angeht, wird es erforderlich, die Variationen der BeschaffenheitK mit der Temperatur zu berücksichtigen. Die Nusseltsche Zahl hängt natürlich vom dynamischen Betrieb ebenso wie von der übertragenen Leistung ab.

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Nomenclature Nu=[/S T]D_h/ Nusselt number - Re=V₀D_h/ Reynolds number - Re_g=V₀^2–nD_n^h/K generalized Reynolds number - Pr=C_p / Prandtl number - Pr_g=C_p[V₀/D_h]^n–1K/ generalized Prandtl number - H height of cylinders (m) - H dimension of the entrance device (m) - S₁ tested section - S₂ tested section - shear stress (Pa) - K consistency (Pa sⁿ) - shear rate (s^–1) - n power law index - a, b constants in the consistency formulaK=a exp [–b t] - a, b constants in the rheological indexn=a exp [b T] - T, T_e,T_p temperature, inlet temp., wall temp. - p pressure (Pa) - p pressure drop (Pa) - V velocity vector (components:V₁,V₂,V₃) (m/s) - V₀ mean velocity (m/s) - X₁,X₂,X₃ cylindrical coordinate system - C_f friction factor - R₁,R₂ radius (m) - heat flux (W) - thermal conductivity (W/(m °C)) - C_p specific heat of fluid (J/(kg C°)) - dynamic viscosity (Pa s) - Q_v volumic flow rate (m³/s) - =/S heat flux density (W/m²) - S exchange area (m²)