In general, joint prostheses are a short-term success, for biological and mechanical conflicts often cause them to fail. There are numerous potential problems that can influence the long-term success ...of the operation after the implantation. Fatigue fracture and wear have been identified as the most common problems related to loosening and final failure of orthopedic implants, such as knee and hip joint prostheses. During the surgical procedure and general handling of the prosthesis, scratches will inevitably appear on its surface, which can provide locations for crack initiation. Since fracture behaviour is among implant design parameters, it is necessary to understand fracture initiation and its subsequent growth, in order to prevent the catastrophic failure of the implant. When the fracture mechanics parameter, i.e. the measure of toughness of the material in presence of a finite length crack within the region pertaining to Hooke's Law, is the critical stress intensity factor Kic, linear elastic fracture mechanics can be applied in biomedical implant design. In the course of this dissertation an experimental analysis was performed to obtain fracture mechanics parameters of 316L stainless steel and Ti-6A1-4V titanium alloy, using standard fracture mechanics tests on modified CT and notch specimens, and contemporary methods for obtaining specimen displacement and strain fields. The studies indicate that titanium alloys have worse fracture toughness characteristics than the other materials tested, along with great notch sensitivity, but that the choice of implant materials must be strongly influenced by the effects of material biocompatibility as well. Displacement fields during crack tip opening and fracture of the stainless steel and titanium alloy specimens were obtained using relevant software. Three-dimensional optical GOM system and Aramis software were used to perform experimental strain analysis on the specimens, with results showing that the applied measurement method gave good results in performing fracture behaviour studies of metallic biomaterials. Bearing in mind that the system used in this experimental analysis is also used to solve problems of structural integrity analysis and determining of material properties, the conclusion is that this method is suitable for analysis of bodies with irregular geometries made from various materials, as is often the case in biomedical applications. Fatigue fracture studies are aimed towards determining the factors influencing prosthesis behaviour in real exploitation conditions. Therefore, further studies in the course of this dissertation encompassed analysis of mechanical properties of the materials using the complicated geometries of implants themselves. Analysis of mechanical behaviour of hip implant biomaterials under external loading is an important step in ensuring implant integrity and safe operation. It is especially important to determine implant fracture conditions and factors which promote the rate of load-bearing failure. The standard that is most commonly applied in testing the toughness of femoral components of hip prostheses is ISO 7206, which prescribes laboratory testing conditions. Experimental analysis was performed on three hip implant specimens removed from patients after revision surgery to determine mechanical behaviour under chosen critical stress load values, by using non-contact three-dimensional displacement and strain field measurement system. In order to analyse the mechanical behaviour of the prostheses under real physiological loading, the conditions of the experiment were based on the ISO 7206 standard, with maximum applied loads that can occur in vivo, and a comparison analysis was performed using obtained results for maximum loads, and maximum standard-recommended loads. Strain field results are shown, resulting from relevant implant loading occurring during gait cycle, especially at stress concentration points. During further study numerical models were created, which gave results close to obtained experimental values, and a simulation of mechanical behaviour of hip prosthesis under characteristic loading was performed. The results show that the damage and cracks can be expected to initiate at the stress concentration points in the material, due to the fact that those areas exhibit stress values very close to, or even exceeding yield stress values of analyzed biomaterials. It is realistic to expect that microdamage will occur at the largest stress concentration spots on the hip prosthesis stem in active patients, who exert greater loads on the hip joint. Classical FEM is very limited in simulating crack growth, due to the fact that mesh regeneration is necessary after each growth step. Most contemporary modelling methods were used to model the problem of crack growth in the material, using extended finite element method in the software compatible with ABAQUS. It is shown that by using numerical simulations it is possible to predict behaviour of a stem with crack-type damage, and determine the number of gait cycles that will lead to final failure of the prosthesis. Information presented in this work show that mechanical behaviour and fracture behaviour are very important factors in bioprosthesis design and material selection. Fatigue, alongside with biological factors, i.e. biocompatibility, should be one of the main criteria in implant design.
Proteze zglobova imaju, uopšte uzevši, kratkoročni uspeh, pošto biološki i mehaniČki konflikti često uzrokuju otkaz implanata. Postoji puno potencijalnih problema koji mogu uticati na dugoročni ishod operacije, nakon što je urađena implantacija. Primećeno je da su u ortopedskim primenama, poput proteza kolena i kuka, lom usled zamora i habanje identifikovani kao najčešći problemi koji su povezani sa popuštanjem spoja kost-proteza i konačnim otkazom implanta. Tokom hirurške procedure i rada sa protezom neminovno će doći do pojave ogrebotina na njenoj površini, što može uzrokovati lokacije za pojavu prsline. Parametri projektovanja koje treba razmatrati u implantima su i parametri mehanike loma, pa je stoga neophodno razumevanje pojave inicijacije prsline i njenog daljeg rasta, radi sprečavanja katastrofalnog loma implanta. Linearno elastična mehanika loma se može primeniti u projektovanju biomedicinskih implanata, kada je parametar mehanike loma, odnosno mera čvrstoće materijala u prisustvu prsline konačne veličine u području važenja Hukovog zakona, kritični faktor intenziteta napona Kic. U okviru distertacije sprovedena su eksperimentalna istraživanja određivanja parametara mehanike loma nerđajućeg čelika 316L i titanove legure Ti-6A1-4V primenom standardnih ispitivanja mehanike loma izvedenih na modifikovanim CT epruvetama i epruvetama sa zarezom, uz primenu savremenih metoda za praćenje polja pomeranja i deformacija na epruvetama. Istraživanja pokazuju da najlošije karakteristike u odnosu na žilavost loma imaju legure titana, koje pokazuju i veoma veliku osetljivost na zareze, međutim treba uzeti u obzir da pri izboru materijala za implante od značajnog uticaja i efekti biokompatibilnosti materijala. Prikazani su rezultati polja pomeranja tokom otvaranja vrha prslina i loma na analiziranim epruvetama od nerđajućeg čelika i titan legura, dobijeni primenom relevantnog softvera. Trodimenzionalni optički sistem GOM i softver Aramis primenjeni su za izvođenje eksperimentalne deformacione analize ispitivanih epruveta, a rezultati pokazuju da primenjena metoda merenja daje dobre rezultate u istraživanju ponašanja loma metalnih biomaterijala. Imajući u vidu da se sistem, korišćen u ovoj eksperimentalnoj analizi, koristi za rešavanje problema analize strukturnog integriteta i određivanja osobina materijala, zaključak je da je ova metoda pogodna za analizu nepravilnih geometrija predmeta sačinjenih od raznih materijala, što je često slučaj u biomedicinskim primenama. Istraživanja u oblasti loma usled zamora usmerena su na identifikaciju faktora koji utiču na ponašanje proteze u realnim uslovima eksploatacije, pa su dalja istraživanja u okviru teze obuhvatila ispitivanja mehaničkog ponašanja materijala, na komplikovanim geometrijama samog implanta. U tom smislu, proučavanje ponašanja biomaterijala koji se koriste za izradu proteza veštačkog kuka pod dejstvom spoljašnjeg opterećenja ima važnu ulogu u obezbeđivanju integriteta i sigurnog rada implanta. Naročito je važno definisati pod kojim uslovima dolazi do njihovog loma i koji faktori utiču na dinamiku gubitka nosivosti. Najčešći standard koji se primenjuje za određivanje otpornosti femoralnih komponenti proteza kuka je ISO 7206, kojim se propisuju laboratorijski testovi. Izvršena su eksperimentalna merenja na tri uzorka proteze kuka koji su uklonjeni iz pacijenta nakon revizije, u smislu određivanja ponašanja pod dejstvom izabranih kritičnih vrednosti opterećenja, pri čemu je primenjen merni sistem za trodimenzionalno beskontaktno merenje polja pomeranja i deformacija. Kako bi se analiziralo mehaničko ponašanje proteze pod realnim fiziološkim opterećenjem, uslovi eksperimenta su bazirani na ISO 7206 standardu, ali su primenjena maksimalna opterećenja na implantu koja se mogu javiti in vivo, te je prikazana i uporedna analiza sa rezultatima merenja dobijenih primenom opterećenja koja su propisana standardom. Prikazani su rezultati polja deformacija koje nastaje dejstvom relevantnih opterećenja koja se javljaju na implantu tokom ciklusa hodanja, i to pre svega na mestima koncentracije napona. U cilju daljih istraživanja urađeni su numerički modeli koji daju rezultate bliske dobijenim eksperimentalnim vrednostima, nakon čega su izvršene simulacije ponašanja stema proteze kuka pod karakterističnim opterećenjem. Rezultati pokazuju da se na mestima povećane koncentracije napona može očekivati pojava oštećenja i prslina u materijalu, usled činjenice da su u tim oblastima dobijene vrednosti napona koje su veoma bliske ili čak i veće od granica tečenj
The researches in the field of fatigue failure are mainly aimed at
identifying the factors which determine the fatigue behavior of the
structural components and their inter relations. It is known ...that the fatigue
resistance of structures is influenced mostly by load sequences, combinations
of load types, as well as by materials and their fatigue properties.
Therefore, the fatigue life cannot be determined without a thorough analysis
of these parameters. Materials known as superalloys exhibit excellent
mechanical strength and considerable creep resistance, especially at high
temperatures. However, a critical property of these alloys is their
resistance to fatigue-crack propagation, particularly at service
temperatures. Besides, their fatigue features are not as easily accessible as
of other materials (aluminum or steel, for instance). Consequently,
determining the fatigue life in superalloy structures is not an easy task to
accomplish. Taking into consideration the superalloy properties set in the
NASGRO database, this thesis has explored the fatigue life of the real
structural components, considering – at the same time – the stresses of both
constant and variable amplitudes. The structural components have been
designed in the CATIA v5, whereas the propagations of the 2D and 3D fatigue
cracks through the structure have been simulated afterwards by the
application of the FEM in the FRANC2D/L, and the application of the extended
finite element method (XFEM) in the Abaqus software. Special attention has
been devoted to the fatigue analysis of the spar of a light aircraft.
Numerical methods have been used to identify the weak points on the spar,
along with the fatigue life of a spar crack and its direction of propagation.
The results gained have corresponded well with the experimental values
obtained on the spar of the alloy 2024-T3. Taking into account the good
correlation between numerical and experimental values, the same finite
element models have been used to estimate the crack life on the spars made of
super alloys. The investigations have shown that the majority of the super
alloys possess fatigue properties similar to aluminum, and in a few of them
the life of fatigue crack has proved to be much longer than in the 2024-T3
alloy. Through a couple of representative 3D examples, the thesis has also
successfully verified the extended finite element method.
Istraživanja u oblasti loma usled zamora uglavnom su usmerena ka
identifikaciji faktora od kojih zavisi ponašanje pod zamorom nosećih
struktura, kao i proučavanju njihovih međusobnih odnosa. Različiti redosledi
primene opterećenja, kombinovanje različitih tipova opterećenja, kao i
materijali i njihova svojstva, najviše utiču na otpornost na zamor, pa se
određivanje veka pod zamorom ne može sprovesti bez detaljne analize ovih
parametara. Materijali poznati pod imenom super legure imaju izvanrednu
čvrstoću i otpornost na puzanje (naročito pri visokim temperaturama), ali im
otpornost na zamor i širenje prsline nisu jače strane. Pored toga, njihove
zamorne karakteristike nisu lako dostupne kao karakteristike drugih
materijala (aluminijum, čelik), pa određivanje zamornog veka struktura od
super legura ne predstavlja lak zadatak. Uzimajući u obzir karakteristike
super legura koje se nalaze u NASGRO bazi, u okviru teze je sprovedeno
istraživanje zamornog veka realnih strukturnih elemenata, pri čemu su u obzir
uzeti i naponi promenljivih i naponi konstantnih amplituda. Strukturni
elementi su projektovani u softveru CATIA v5, a zatim su primenom metode
konačnih elemenata u softveru FRANC2D/L i primenom proširene metode konačnih
elemenata u softveru Abaqus simulirana širenja 2D i 3D zamorne prsline kroz
strukturu. Posebna pažnja posvećena je analizi zamora ramenjače lakog aviona.
Numeričkim metodama su identifikovana slaba mesta na ramenjači, kao i pravac
širenja i zamorni vek prsline, a dobijeni rezultati su se dobro slagali sa
eksperimentalnim vrednostima na ramenjačama od legure 2024-T3. S obzirom na
saglasnost numeričkih i eksperimentalnih vrednosti, razvijeni modeli konačnih
elemenata iskorišćeni su i da se dobije procena veka prslina na
ramenjačama od super legura. Istraživanja su pokazala da većina super legura
ima zamorna svojstva slična aluminijumu, dok je kod nekoliko njih prslina
imala znatno duži vek nego kod legure 2024-T3. U tezi je takođe, kroz
nekoliko karakterističnih 3D primera, uspešno verifikovana proširena metoda
konačnih elemenata.
U radu je prezentirana problematika dinamičke analize rudničkih liftova koji se koriste pri podzemnoj eksploataciji sirovina. Kod ovih postrojenja posebno su izražene dinamičke pojave, jer se radi o ...postrojenjima s ekstremnim visinama (do 2000 m) i brzinama dizanja (do 20 m/s) pomoću čeličnih užadi. Prikazan je postupak formiranja mjerodavnog dinamičkog modela za analizu ovakvih postrojenja. Osnovni parametri (krutost i prigušenje) su, u toku dizanja, promjenjive veličine i njihove vrijednosti su određene kombiniranjem teorijske analize i realiziranih eksperimenata na rudničkom liftu u RTB u Boru (Srbija).
U ovom radu izvršena je analiza stanja naprezanja ciklozupčanika numeričkim i eksperimentalnim metodama za najkritičniji slučaj sprezanja – slučaj jednostrukog zahvata. Ciklozupčanik predstavlja ...vitalni element cikloreduktora – mehaničkog prijenosnika snage i gibanja novije generacije sa sve većom primjenom u industrijskoj praksi. Izrađen je 3D kompjuterski model jednog konkretnog jednostupanjskog cikloreduktora. Zatim je definiran čitav niz različitih numeričkih modela ciklozupčanika u programskim paketima FEMAP i NASTRAN radi određivanja što realnijeg stanja naprezanja uporabom metode konačnih elemenata (MKE). U cilju verifikacije dobivenih rezultata numeričkim putem, izvršena je eksperimentalna analiza korištenjem metode mjernih traka. Napravljen je fizički model ciklozupčanika kao i ostalih elemenata cikloreduktora koji su s njim u direktnom kontaktu kako bi se dobili što realniji uvjeti u postupku eksperimentalne analize. Dobiveni eksperimentalni rezultati pokazuju dobru sukladnost s numeričkim rezultatima. Čak i za najnepovoljniji teorijski slučaj sprezanja (jednostruki zahvat), koji se kod cikloreduktora u praksi gotovo i ne javlja, vrijednosti naprezanja su u dopuštenim granicama i osiguravaju pouzdan rad prijenosnika tijekom predviđenog radnog vijeka.
U ovom rada je prikazano eksperimentalno određivanje sile valjanja, matematičko modeliranje, proračun i verifikacija sile valjanja. Rezultati provedenog istraživanja pokazuju da se ...matematičko-eksperimentalno modeliranje može uspješno primijeniti za definiranje sile valjanja i tehnoloških parametara procesa valjanja. Osim toga, u radu je definiran matematički model sile valjanja F = f (Δh, ε, δ, k). Glavna postignuća su: originalna eksperimentalna identifikacija sile valjanja, originalni mjerni senzor za mjerenje sile valjanja i matematički model za definiranje sile valjanja.
Ovaj članak opisuje neke moguće metode za smanjenje statičnih sila protok ulja u hidrauličkom ventilu sa uzdužnim klipom i malim "on/off" sjedežnim ventilom. Sa porastom strujnog toka i razlike ...tlakova dolazi do povećanja aksijalnih statičnih sila što prouzročava upotrebu viših potisni sila odnosno veću potrošnju energije pri upravljanu ventila. Spomenjeno rezultira obaveznom upotrebom aktuatora veće snage za direktno upravljanje hidrauličkog ventila. Sa stajališta potrošnje energije pri upravljanju ventilom ova tema je veoma važna. Da bi omogućili upotrebu aktuatora niže snage za direktno upravljane ventila s visokim protokom ulja, potrebno je smanjiti aksijale sile koje djeluju na klip u ventilu.Ovaj istraživački rad predstavlja jedno od mogućih rješenja s takvim dizajnom kućišta hidrauličkog ventila i klipa da strujni tok ulja kroz ventil uzrokuje minimalne statične aksijalne sile. Glavni parametri geometrije ventila sa uzdužnim klipom i malim "on/off" ventila su definirani i detaljno analizirani pomoću CFD (Computational Fluid Dynamics) simulacijskoj alata Ansys CFX. Poslije toga provedena je eksperimentalna analiza za validaciju numeričkog modela ventila. Rezultati istraživanja su vrlo obećavajući i dokazuju da aksijalna komponenta sile protoka, a stoga i snaga potrebna za aktiviranje, može se značajno smanjiti samo promjenom geometrije kućišta ventila i klipa. Tako je potrošnja energije za pogon smanjena na minimum, a dinamične karakteristike ventila su poboljšane u isto vrijeme.
Ispitivanje ovješenih mostova opterećenih probnim opterećenjem je efikasan način za sagledavanje ponašanja i određivanje glavnih karakteristika takvih mostova. Ovaj rad prikazuje ponašanje ...rekonstruiranog ovješenog mosta preko Dunava u Novom Sadu. Most je izgrađen između 1976. i 1981. godine, a 1999. godine bio je teško oštećen kada su ga pogodile dvije Tomahawk rakete. Godine 2003. počela je rekonstrukcija mosta, a krajem 2005. godine Građevinski fakultet Sveučilišta u Beogradu bio je pozvan ispitati rekonstruiranu konstrukciju mosta. U ovom radu prikazani su rezultati koji se odnose na pomake, rotacije i deformacije glavnog nosača konstrukcije duljine 351 m. Vibracije mosta izazvane su udarnim opterećenjem uslijed prolaska teškog kamiona preko mosta, pri čemu su određena vertikalna ubrzanja glavnog nosača. Potrebne funkcije u frekventnoj domeni određene su primjenom Fourier-ove transformacije i na taj način je izdvojeno prvih pet perioda osciliranja. U radu su prikazane geološke karakteristike terena. Formiran je numerički model mosta na bazi metode konačnih elemenata i dobiveno je dobro slaganje eksperimentalnih i numeričkih rezultata. Ovi rezultati pokazuju da se most ponaša elastično pod utjecajem probnog opterećenja, što ukazuje da konstrukcija ima odgovarajuću nosivost i da se sigurno može pustiti u promet.
Drvo je anizotropan materijal, odnosno, sastoji se od skupa vlakana koja bolje podnose normalna naprezanja u svom uzdužnom pravcu ili pravcu vlakana, a slabije okomito na pravac vlakana te posmično u ...uzdužnom pravcu. U praktičnim slučajevima potrebno je izbjegavati pojavu ovih nepovoljnih naprezanja, iako je to u pravilu teško izvedivo. Iz tog razloga, neizbježne su analize interakcija između svih posmičnih te normalnih naprezanja. U radu je eksperimentalno analizirana interakcija naprezanja od torzije i savijanja kroz djelovanje ekscentričnom poprečnom silom, a rezultati su na jednostavan i praktičan način uspoređivani s računskim vrijednostima te vrijednostima dobivenim linearnim numeričkim modelom. Naglasak je stavljen na posmična naprezanja paralelno vlaknima i normalna naprezanja okomito na vlakna, a rezultati su prikazani tablicom i dijagramima sila/pomak.
Zahvaljujući veoma dobrom svojstvu upravljanja, jednostavnoj konstrukciji
i izdržljivosti, spojke temeljene na magnetoreološkim fluidima nalaze
sve širu primjenu u industriji i tehnici motornih ...vozila. Eksperimentalna
magnetoreološka spojka razvijena je na Sveučilištu u Zagrebu da bi se
potakla istraživanja na području modeliranja i regulacije magnetoreoloških
spojki. Spojka je konstruirana tako da olakša rukovanje fluidom, te omogući
promjenu širine fluidnog raspora i primjenu raznih vrsta brtvi. Članak
prvo izlaže proračun glavnih konstrukcijskih parametara spojke. Zatim
se opisuje cjelokupni mehatronički sustav spojke. Konačno, prikazuju se
glavni rezultati ispitivanja statičkog i dinamičkog ponašanja spojke, koji se
uspoređuju s projektnim parametrima.
U radu je provedena termodinamička i hidrodinamička analiza kompaktnih izmjenjivača
topline različitih konstrukcijskih tipova s ciljem optimizacije njihove geometrije.
Termodinamička analiza je ...ostvarena numeričkim putem uz provjeru matematičkog modela i
pripadajućih mu numeričkih simulacija eksperimentalnim putem. U zračnom tunelu
otvorenog tipa, namjenski razvijenom za potrebe ovog istraživanja, mjereni su temperatura i
maseni protoci radnih medija na cijevnom lamelnom i na dva lamelna izmjenjivača topline s
mikrokanalima. Usporedba dobivenih rezultata mjerenja za navedene izmjenjivače topline je
ostvarena u odnosu na iskoristivost topline i prosječni toplinski tok po ukupnoj masi i
volumenu izmjenjivača. Za numeričku analizu su prema izmjenjivačima topline korištenim u
eksperimentu razvijeni modeli odgovarajuće geometrije u smjeru strujanja vode i strujanja
zraka. Primjenom složenijeg matematičkog modela zrak/voda, koji uključuje provođenje
topline kroz stijenku cijevi i pad temperature vode u aksijalnom smjeru, postignuti su točniji
rezultati u odnosu na modele s pretpostavljenom konstantnom temperaturom stijenke cijevi.
Numerički trodimenzijski modeli izmjenjivača topline su riješeni primjenom metode
kontrolnih volumena. Optimizacija geometrije kompaktnih izmjenjivača topline ostvarena je
za lamelni izmjenjivač topline s mikrokanalima koji pripada vrhunskim tehnologijama u
tehnici grijanja, klimatizacije i ventilacije. Primijenjena je metoda odzivnih ploha za model
izmjenjivača s četiri izabrana parametra od kojih su tri geometrijska, a jedan odražava
izabrani pogonski uvjet. Na osnovi dobivenih rezultata optimizacije formirane su smjernice
za izbor optimalne geometrije lamelnih izmjenjivača topline s mikrokanalima sa stajališta
termodinamičkih i hidrodinamičkih karakteristika.
U radu je provedena termodinamička i hidrodinamička analiza kompaktnih izmjenjivača
topline različitih konstrukcijskih tipova s ciljem optimizacije njihove geometrije.
Termodinamička analiza je ostvarena numeričkim putem uz provjeru matematičkog modela i
pripadajućih mu numeričkih simulacija eksperimentalnim putem. U zračnom tunelu
otvorenog tipa, namjenski razvijenom za potrebe ovog istraživanja, mjereni su temperatura i
maseni protoci radnih medija na cijevnom lamelnom i na dva lamelna izmjenjivača topline s
mikrokanalima. Usporedba dobivenih rezultata mjerenja za navedene izmjenjivače topline je
ostvarena u odnosu na iskoristivost topline i prosječni toplinski tok po ukupnoj masi i
volumenu izmjenjivača. Za numeričku analizu su prema izmjenjivačima topline korištenim u
eksperimentu razvijeni modeli odgovarajuće geometrije u smjeru strujanja vode i strujanja
zraka. Primjenom složenijeg matematičkog modela zrak/voda, koji uključuje provođenje
topline kroz stijenku cijevi i pad temperature vode u aksijalnom smjeru, postignuti su točniji
rezultati u odnosu na modele s pretpostavljenom konstantnom temperaturom stijenke cijevi.
Numerički trodimenzijski modeli izmjenjivača topline su riješeni primjenom metode
kontrolnih volumena. Optimizacija geometrije kompaktnih izmjenjivača topline ostvarena je
za lamelni izmjenjivač topline s mikrokanalima koji pripada vrhunskim tehnologijama u
tehnici grijanja, klimatizacije i ventilacije. Primijenjena je metoda odzivnih ploha za model
izmjenjivača s četiri izabrana parametra od kojih su tri geometrijska, a jedan odražava
izabrani pogonski uvjet. Na osnovi dobivenih rezultata optimizacije formirane su smjernice
za izbor optimalne geometrije lamelnih izmjenjivača topline s mikrokanalima sa stajališta
termodinamičkih i hidrodinamičkih karakteristika.
In this paper thermodynamical and hydraulical analysis of compact heat exchangers of
different construction types has been performed in order to optimize their geometry.
Thermodynamical analysis has been carried out numerically along with the evaluation of the
mathematical model and corresponding numerical simulations through the experiment. In an
open circuit wind tunnel developed on purpose for this investigation, the measurement of
working media temperatures and mass flows for fin-and-tube and two heat exchangers with
microchannel coil has been accomplished. The comparison of the obtained measurement
results for the mentioned heat exchangers has been performed in relation to the heat transfer
effectiveness and specific heat transfer rate per total mass and heat exchanger’s volume. For
the purpose of numerical analysis and in accordance with the heat exchangers used for
experiments, models with adequate geometry in direction of both air and water flow have
been developed. With utilization of air/water side model, more accurate results have been
achieved in relation to the model that assumes constant temperature or constant heat flux on
the pipe wall. Numerical 3D models of heat exchangers have been solved using the finite
volume method. The geometry optimization of compact heat exchangers has been
accomplished for the heat exchanger with microchannel coil that belongs to state of the art
technologies in heating, ventilating and air conditioning industry. The response surface
method has been used for the heat exchanger model with four chosen parameters three of
them being geometrical and one reflecting the chosen operating condition. From the
thermodynamical and hydraulical point of view and based on the obtained optimization
results, directions have been given for the choice of optimal geometry of the heat exchanger
with microchannel coils.
PDF
