Numerical analysis of temperature dependent forced convection heat transfer in a heated tube

Several correlations exist in literature for the turbulent forced convective heat transfer. Many of these correlations evaluate the properties of the fluid at the mean temperature between the inlet and the outlet section of the pipe and consider them ficed during all the heat transfer process. The first aim of these thesis is to perform numerical simulation with fixed properties in order to evaluate the validity of the Gnielinski’s correlation. When the properties of the fluid are affected by temperature, the variation of the properties influence the heat transfer process. In literature are proposed some correction factors, which are related to the nature of the fluid, in order to take into account the effect of the variation of the fluid’s properties due to the variation of temperature. These correction factors can be expressed as the n-th power of the ratio of temperature for gases and the n-th power of Prandtl number for liquids evaluated at the bulk condition and on the wall of the pipe. The aim of the present thesis is to perform numerical simulation of temperature dependent heat transfer in turbulent conditions for several fluids in order to evaluate and, in case, extend the validity range of the correction factors

Nel presente elaborato di tesi viene realizzata la modellazione numerica del processo di scambio termico in convezione forzata che si instaura all’interno di un condotto di sezione circolare. In letteratura sono presenti diverse correlazioni che permettono di analizzare il processo di scambio termico in convezione forzata; tali correlazioni permettono di determinare il numero di Nusselt in funzione della geometria del condotto, del regime di moto e del tipo di fluido utilizzato. Tra le molteplici correlazioni realizzate quella di Gnielinski si è affermata negli ultimi decenni, data la sua accuratezza e il suo ampio range di validità, come una delle relazioni di maggiore interesse per l’analisi di tale processo di scambio termico in regime di moto turbolento. La correlazione di Gnielinski, come le restanti correlazioni presenti in letteratura, introduce nella valutazione del processo di scambio termico le ipotesi di incomprimibilità del fluido e di proprietà termofisiche fissate lungo tutto il condotto. Nel caso in cui la dipendenza di tali proprietà dalla temperatura non possa essere sottovalutata, la direzione del flusso areico imposto influenza lo scambio termico; per tale motivo, alle correlazioni già esistenti sono stati proposti dei termini correttivi, differenti in funzione della natura del fluido e della direzione dello scambio termico, che permettono di prendere in considerazione l’effetto della variazione di temperatura sulle proprietà. Questi termini correttivi sono prevalentemente ottenuti da pochi dati sperimentali e solo per un limitato numero di fluidi. L’obiettivo di questa tesi è quindi realizzare simulazioni numeriche che permettano in primo luogo di verificare la validità della correlazione di Gnielinski, confrontando il Nusselt ottenuto numericamente con quello previsto da tale correlazione. In secondo luogo, eliminando l’ipotesi di incomprimibilità e di indipendenza delle proprietà del fluido dalla temperatura, si ha l’obiettivo di verificare ed estendere il range di validità dei fattori correttivi proposti in letteratura.