A study of turbulent heat transfer in a sudden-expansion pipe with drag-reducing viscoelastic fluid

Bockchoon Pak; Young I. Cho; Stephen U.S. Choi

doi:10.1016/0017-9310(91)90028-D

The turbulent heat transfer behavior of a drag-reducing viscoelastic fluid is experimentally investigated in a sudden-expansion circular pipe with aqueous solutions of polyacrylamide (200, 500, and 1000 ppm). The ranges of Reynolds and Prandtl numbers tested are 6200–6300 and 8.5–16.2, respectively. A minimum asymptote of the local maximum Nusselt number is found to exist at the sudden-expansion pipe flow with the drag-reducing viscoelastic fluid and is given by the following equation: Nu x, max = 0.233 Re 0.83 a, d . When the average Nusselt number is compared with and without the suddenexpansion step, the percentage heat transfer enhancement due to the sudden-expansion step for the polyacrylamide solutions is 40–63%, depending on the Reynolds number, while that for water is 3–6%. The current results suggest that many energy-intensive industries that process huge amounts of viscoelastic fluids through various types of heat exchangers can capitalize upon heat transfer performance enhanced by the sudden-expansion step. Le transfert thermique turbulent pour un fluide viscoélastique réducteur de perte de charge est étudié expérimentalement dans un tube à élargissement brusque avec des solutions aqueuses de polyacrylamide (200, 500 et 1000 ppm). Les domaines des nombres de Reynolds et de Prandtl sont respectivement de 6200–6300 et 8,5–16,2. Une asymptote minimale du nombre de Nusseit local existe à l'élargissement brusque avec ce fluide et elle est donnée par l'équation suivante: Nu x, max = 0,233 Re 0.83 a, d . Quand le nombre de Nusseit moyen est comparé au cas sans élargissement brusque, le pourcentage d'accroissement du transfert dû à l'élargissement pour les solutions de polyacrylamide est de 40–63% alors qu'il n'est que de 3–6% pour l'eau. Cela suggère qu'il est possible pour beaucoup d'industries consommatrices d'énergie de pouvoir exploiter les performances accrues par les élargissements brusques. Das Verhalten des turbulenten Übergangs in einein widerstandsvermindernden viskoelaslischen Fluid wird experimentell anhand wässriger Lösungen von Polyacrylamid (200, 500 und 1000 ppm) untersucht. Die Reynolds-Zahl liegt dabei zwischen 6200 und 63000, die Prandtl-Zahl zwischen 8,5 und 16.2. Es zeigt sich daβ es eine untere Grenze für die maximale örtliche Nusselt-Zahl gibt, die mit folgender Gleichung beschrieben werden kann: Nu x, max = 0,2333 Re 0.83 a, d . Vergleicht man die mittlere NusseltZahl mit dem Fall ohne plötzliche Expansion, so zeigt sich für Polyacrylamidlösungen eine Verbesserung um 40 bis 63% (abhängig von der Reynolds-Zahl). für Wasser nur 3 bis 6%. Die laufenden Ergebnisse deuten daraufhin, daβ viele energieintensive Industrieunternehmen, welche groβe Mengen viskoelastischer Fluide mit Hilfe unterschiedlicher Typen von Wärmeaustauschern verarbeiten, aus der Verbesserung des Wärmeübergangs bei plötzlicher Expansion Nutzen ziehen können. тyPбyлeHтHый тeплoпePeHoc вязкoyпPyгoй cHижaющeй coпPoтHвлeHиe жидкocти вo вHeзaпHo PacщиPяющeйcя кPyглoй тPyбe экcпePимeHтaльHo иccлeдyeтcя для вoдHыч PacтвoPoв пoлHaкPилaмидa (200, 500 и 1000 PPп). ИHтePвaлы иэмeHeHия yиceл PeйHoльдca и ПPaHдтля coc-тaвляют cooтвeтcтвeHHo 6200–63000 H 8,5–16,2. ПPи тeyeHии в PaccмaтPивaeмыч ycлoвHяч oбHaPy-жeHo cyщecтвoвaHиe миHимaльHoй acимптoты лoкaльHoгo мaкcHмaльHoгo yиcлa Hycceльтa, кoтoPaя oпиcывaeтcя yPaвHeHиeм Nu x, max = 0,233 a, d 0,83. ПPи cPaвHeHии cPeдHeгo yиcлa Hycceльтa в cлyyaяч c вHeзaпHым PacщиPeHиeм и бeз Heгo выявлeHo, yтo для пoлHaкPилaмидHыч PacтвoPoв дoля yвeлиyeHия тeплoпePeHoca из-зa Peзкoгo PacщиPeHия cocтaвляeт 40–63% в зaвиcимocти oт yиcлa PeйHoльдca, в тo вPeмя кaк для вoды—3–6%. Ha ocHoвe пoлyyeHHыч Peзyльтaтoв мoжHo пPeдпoлoжить, yтo, вo мHoгич эHePгoeмкич oтPacляч пPoмыщлeHHocти, oбPaβaтывaющич бoльщиe кoлиyecтвa вязкoyпPyгич жидкocтeй c пPимeHeHиeм тeплooβмeHHикoв PaзлиyHыч типoв, выгoдHa иHтeHcификaция тeплoпePeHoca c иcпoльзoвaHиeм cтyпeHи вHeзaпHoгo PacщиPeHия.

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