Comparison of empirical correlations and computational fluid dynamics analysis for heat exchangers rating

Shalcaj, Mikel; Σαλτσάι, Μικέλ

dc.contributor.author	Shalcaj, Mikel	en
dc.contributor.author	Σαλτσάι, Μικέλ	el
dc.date.accessioned	2025-07-29T08:13:59Z
dc.date.available	2025-07-29T08:13:59Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/62207
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.29903
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Heat Exchangers	en
dc.subject	Computational Fluid Dynamics	en
dc.subject	Heat Transfer	en
dc.subject	Semi-empirical correlations	en
dc.subject	ANSYS Fluent	en
dc.subject	SolidWorks	en
dc.subject	CFD	en
dc.subject	Hydraulic Analysis	en
dc.subject	Mesh Independence	en
dc.title	Comparison of empirical correlations and computational fluid dynamics analysis for heat exchangers rating	en
dc.title	Σύγκριση εμπειρικών σχέσεων και μεθόδων υπολογιστικής ρευστομηχανικής για την εκτίμηση συναλλασσόμενης θερμότητας σε εναλλάκτες	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Heat Transfer	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2025-02-20
heal.abstract	This thesis focuses on the study and analysis of heat exchangers using semi-empirical correlations and computational fluid dynamics (CFD) tools. Traditionally, the analysis of these systems is based on semi-empirical correlations, which are derived from experimental findings. But these experiments have been conducted on specific geometries under specific conditions, making them difficult to generalize. The use of CFD simulations can overcome this limitation by exploiting the possibilities they offer. The aim of this paper is to evaluate the validity of the semi-empirical correlations by comparing them with CFD simulation results. An attempt is made to determine whether these methods adequately describe the behaviour of heat exchangers. To achieve the purpose, three basic heat exchanger models are considered: the double pipe heat exchanger, the U-tube double pipe heat exchanger and the shell and tube heat exchanger. The geometries of the models are designed using SolidWorks CAD software. Subsequently, CFD simulations are performed for different scenarios of flow conditions and computational mesh, using SolidWorks Flow Simulation and ANSYS Fluent computational tools, to evaluate their operation. In parallel, calculations based on empirical correlations as well as basic heat transfer and fluid mechanics formulas are performed. The CFD results are compared with their semi-empirical counterparts in order to evaluate their reliability. The results showed that the semi-empirical correlations can provide an adequate description of the heat exchanger behaviour for approximate calculations in general arrangements. However, in specialised models, such as the U-tube heat exchanger, significant deviations occur. Furthermore, semi-empirical methods are considered inadequate for applications requiring detailed analysis. The value of the thesis lies in providing important information for the evaluation of heat exchangers through the combined application of advanced CFD methods as well as empirical correlations for the calculation of their characteristics.	en
heal.abstract	Η παρούσα διπλωματική εργασία εστιάζει στη μελέτη και ανάλυση εναλλακτών θερμότητας χρησιμοποιώντας ημι-εμπειρικές σχέσεις και εργαλεία υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD). Παραδοσιακά, η ανάλυση των συστημάτων αυτών βασίζεται σε ημι-εμπειρικές σχέσεις, οι οποίες προκύπτουν από πειραματικά ευρήματα. Τα πειράματα αυτά ωστόσο έχουν διεξαχθεί σε συγκεκριμένες γεωμετρίες υπό συγκεκριμένες συνθήκες, καθιστώντας δύσκολη τη γενίκευση τους. Η χρήση προσομοιώσεων CFD μπορεί να ξεπεράσει αυτόν τον περιορισμό, αξιοποιώντας τις δυνατότητες που παρέχουν. Σκοπός της εργασίας είναι η αξιολόγηση της εγκυρότητας των ημι-εμπειρικών σχέσεων, μέσω της σύγκρισής τους με αποτελέσματα προσομοιώσεων CFD. Επιχειρείται να διαπιστωθεί εάν οι μέθοδοι αυτές περιγράφουν επαρκώς τη συμπεριφορά των εναλλακτών θερμότητας. Για την επίτευξη του σκοπού, εξετάστηκαν τρία βασικά μοντέλα εναλλακτών θερμότητας: ο εναλλάκτης θερμότητας διπλού σωλήνα, ο εναλλάκτης διπλού σωλήνα σχήματος «U» και ο εναλλάκτης αυλών κελύφους. Οι γεωμετρίες των μοντέλων σχεδιάστηκαν με την χρήση του λογισμικού CAD SolidWorks. Στην συνεχεία, πραγματοποιήθηκαν CFD προσομοιώσεις για διάφορα σενάρια συνθηκών ροής και υπολογιστικού πλέγματος, με την χρήση των υπολογιστικών εργαλείων SolidWorks Flow Simulation και ANSYS Fluent, για να αξιολογηθεί η λειτουργία τους. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκαν οι υπολογισμοί με βάση τις εμπειρικές σχέσεις καθώς και βασικούς τύπους μεταφοράς θερμότητας και ρευστομηχανικής. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων CFD συγκρίθηκαν με τα αντίστοιχα ημι-εμπειρικά, προκειμένου να αξιολογηθεί η αξιοπιστία τους. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι ημιεμπειρικές σχέσεις μπορούν να παρέχουν επαρκή περιγραφή της συμπεριφοράς των εναλλακτών θερμότητας για προσεγγιστικούς υπολογισμούς σε γενικές διατάξεις. Ωστόσο σε εξειδικευμένα μοντέλα, όπως ο εναλλάκτης σωλήνα σχήματος U εμφανίζονται σημαντικές αποκλίσεις. Επιπλέον, οι ημι-εμπειρικές μέθοδοι κρίνονται ανεπαρκείς για εφαρμογές που απαιτούν λεπτομερή ανάλυση. Η αξία της διπλωματικής εργασίας έγκειται στην παροχή σημαντικών πληροφοριών για την αξιολόγηση εναλλακτών θερμότητας μέσω της συνδυασμένης εφαρμογής προηγμένων μεθόδων CFD καθώς και εμπειρικών σχέσεων υπολογισμού των χαρακτηριστικών τους.	el
heal.advisorName	Konstantinos, Braimakis	en
heal.advisorName	Κωνσταντίνος, Μπραϊμάκης	el
heal.committeeMemberName	Τζιβανίδης, Χρήστος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θερμότητας. Εργαστήριο Ψύξης και Κλιματισμού	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	244 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false