Abstract    In this article, stream flow effectivness is based on hydraulic network studied in the shell-side of a shell and tube heat exchange as a case study. For an appropriate heat exchangers rating design to meet a specified duty, it's better to consider each stream flow separately. Using the hydraulic network principals, a set of the correlations for calculating different stream flow rates in the cross and window area, leakage from tube-bundle and shell-baffle bypass are suggested. By the presented correlations, the actual flow direction and different stream flow rates of shell-side fluid for calculating of shell-side heat transfer and pressure drop in different regions between adjacent baffles has been taken into account. Also, the effects of each stream flow in each baffle section on the overall heat transfer coefficient (HTC) and pressure drop could be investigated. The comparison results of using these correlations and results of published values, like Bell-Delaware method and Kern correlations, is reasonable, which can be used in the optimum design of shell and tube heat exchangers with segmental baffles. Also, according to the results, the cross flow stream show much better heat transfer performance with lower pressure drop behavior than window stream at the same mass flow rates. Average heat transfer performance of window-section is almost 7-12% of overall heat transfer performance for studied case study.

Keywords    Shell-tube heat exchanger, Hydraulic networks, Stream flow, heat transfer coefficient (HTC), Pressure drop

چکیده    در این مقاله، براساس اصول شبکه هیدرولیک جریانی تاثیر جریان سمت پوسته مبدلهای حرارتی پوسته و لوله ای برای تحلیل نمونه مطالعاتی مبدل حرارتی پوسته و لوله مورد بررسی قرار گرفت. برای طراحی مناسب Rating مبدلهای حرارتی و دستیابی به قابلیت حرارتی معین بایستی تاثیر این جریانها بصورت مجزا مورد بررسی قرار گیرند. بعنوان یک راه حل با استفاده از اصول شبکه هیدرولیک جریانی، مجموعه معادلاتی برای محاسبه دبی های جریان مقاطع عرضی و پنجره جریان، نشتی لوله-باندل و جریان بای پس پوسته-لوله پیشنهاد گردید. با بکارگیری معادلات پیشنهادی جهت واقعی جریان و دبی های جریان سیال سمت پوسته برای محاسبه انتقال حرارت و افت فشار در مناطق مختلف بین بافل های متناظر مدنظر قرار می گیرد. همچنین با این روش تاثیر جریان مقاطع مختلف بافل بر روی ضریب انتقال حرارت و افت فشار کل سمت پوسته این مبدلها را می توان تعیین کرد. مقایسه نتایج بدست آمده از این معادلات و نتایج روشهای دیگری، همچون روش Bell-Delaware و معادلات Kern، قابل قبول بوده و از این روش می توان در طراحی بهینه مبدل های حرارتی پوسته و لوله ای استفاده کرد. همچنین براساس نتایج، جریان مقطع عرضی عملکرد حرارتی بهتر و افت فشار کمتری نسبت به جریان مقطع پنجره در دبی های جریان جرمی یکسان دارد. میانگین عملکرد حرارتی مقطع پنجره تقریبا 7-11% از عملکرد حرارت کل نمونه مطالعاتی می باشد.

References    1.      Taborek, J., "Shell-and-tube heat exchangers: Single-phase flow", Handbook of Heat Exchanger Design,  Vol., No., (1983), 3.3. 2.      Hewitt, G., "Flow stream analysis method for segmentally baffled shell and tube heat exchangers", HEDH, Begell House, New York,  Vol., No., (2002). 3.      Shah, R.K. and Sekulic, D.P., "Fundamentals of heat exchanger design, John Wiley & Sons,  (2003). 4.      Serth, R.W. and Lestina, T., "Process heat transfer: Principles, applications and rules of thumb, Academic Press,  (2014). 5.      Tinker, T., "Shell side characteristics of shell and tube heat exchangers", General Discussion on Heat Transfer,  Vol., No., (1951), 89-116. 6.      Bell, K.J., "Delaware method for shell-side design, Taylor & Francis, New York,  (1988). 7.      Kern, D.Q., "Process heat transfer, Tata McGraw-Hill Education,  (1950). 8.      Palen, J. and Taborek, J., "Solution of shell side flow pressure drop and heat transfer by stream analysis method", in Chemical Engineering Progress Symposium Series. Vol. 65, No. Issue, (1969), 53-63. 9.      Wills, M., Johnston, D. and Harwell, A., "A new and accurate hand calculation method for shell-side pressure drop and flow distribution", in 22nd National Heat Transfer Conference, HTD. Vol. 36, No. Issue, (1984). 10.    Tahery, A.A., Khalilarya, S. and Jafarmadar, S., "Effectively designed ntw shell-tube heat exchangers with segmental baffles using flow hydraulic network method", Applied Thermal Engineering,  Vol. 120, No., (2017), 635-644. 11.    Azar, R.T., Khalilarya, S., Jafarmadar, S. and Ranjbar, F., "Modeling for shell-side heat transfer coefficient and pressure drop of helical baffle heat exchangers", Heat Transfer Engineering,  Vol. 38, No. 2, (2017), 265-277. 12.    Parikshit, B., Spandana, K., Krishna, V., Seetharam, T. and Seetharamu, K., "A simple method to calculate shell side fluid pressure drop in a shell and tube heat exchanger", International Journal of Heat and Mass Transfer,  Vol. 84, No., (2015), 700-712. 13.    Baghban, S.N., Moghiman, M. and Salehi, E., "Thermal analysis of shell-side flow of shell-and-tube heat exchanger using experimental and theoretical methods", International Journal of Engineering,  Vol. 13, No. 1, (2000), 15-26. 14.             Nandan, A. and Singh, G., "Experimental study of heat transfer rate in a shell and tube heat exchanger with air bubble injection (technical note)", International Journal of Engineering-Transactions B: Applications,  Vol. 29, No. 8, (2016), 1160.