Gemi kargo tanklarında doğal taşınımla olan ısı geçişinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi
Numerical and experimental investigation of natural convection heat transfer in ship cargo tanks
Yazar: KORAY ŞAHİN
Danışman: PROF. DR. SELMA ERGİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering
Dizin: Doğal taşınım = Natural convection ; Gemiler = Ships ; Isı geçişi = Heat transfer ; Kargo taşımacılığı = Cargo transportation

Özet:
Ağır yakıt, ham petrol, asfalt, bitüm, kimyasallar, vb. petrol ürünlerinin akma noktası genel olarak çok yüksektir. Bu tip akışkanlar akma noktalarının altında katılaşırlar. Katılaşmayla birlikte kimyasal özellikleri değişir. Ayrıca, bu tip akışkanların akma noktalarının altında akışkanda mum oluşumu başlar. Gemi kargo tanklarındaki ağır yakıt, ham petrol, asfalt, bitüm, kimyasallar, vb. petrol ürünlerindeki katılaşmayı, kimyasal özellik değişimini ve mum oluşumunu önlemek için bu tip akışkanlar ısıtılır. Bundan dolayı, bu tip akışkanların tank içerisindeki sıcaklığı sefer süresince belli bir seviyede tutulur. Ayrıca, bu tip yüksek viskoziteye sahip akışkanlar istasyondan gemiye ve gemiden istasyona taşınması öncesinde akışkan ısıtılarak pompalanabileceği uygun sıcaklık değerine getirilir. Kargo tanklarındaki sıvı yükler geleneksel olarak dolaylı ısıtma yöntemleriyle ısıtılmaktadır. Bu yöntemlerde ısı, bir ısı transfer yüzeyi boyunca aktarılır. Kargo tanklarındaki ısıtma sistemi için en sık ve yaygın kullanılan yöntem tanka daldırılmış ısıtma serpantinlerinin kullanılmasıdır. Tankların tabanındaki serpantinler sıcak olur ve hemen yakınında bulunan sıvı yükü ısıtır. Sıcak sıvı yük ısınarak yükselir ve daha soğuk olan sıvı yükle yer değiştirir, böylece tankta doğal bir sirkülasyon (doğal taşınım) gerçekleşir. Ağır yakıt, ham petrol, asfalt, bitüm, vb. yüksek viskoziteli akışkanların bir gemi kargo tankında ısıtılması işlemi önemli miktarda enerji ve maliyet gerektirir. Bu enerji ve maliyet kapalı hacimdeki doğal taşınımın fiziğinin iyi anlaşılmasıyla azaltılabilir. Bu çalışmadaki amaç, gemi kargo tanklarındaki doğal taşınımla ısı transferi ve akış problemini deneysel ve hesaplamalı olarak modellemek ve elde edilen bilgiler, bulgular, sonuçlar ile gemi kargo tanklarındaki ısıtma sisteminin enerji etkinliğini arttırmaktır.
Bölüm 2'de deneysel çalışma açıklanmıştır. Gemi kargo tankı, alttan rezistans telleriyle ısıtılan üstten termostatik su banyosuyla soğutulan bir dikdörtgen kapalı hacim olarak modellenmiştir. Deneysel çalışmada, 5700 Detveyt tonluk (DWT) bir petrol/kimyasal tankerin gerçek kargo tank boyutlarının ⁓1/20 ölçeğinde bir model tankı oluşturulmuştur. Model tankın alt ve üst duvarları doğal taşınımla ısı geçişi için gerekli olan sıcaklık farkını yaratabilmek için farklı iki ısı değiştirici olarak tasarlanmıştır. Soğuk tarafta, üst alüminyum plakadan ısıyı uniform olarak çekmek için bir soğutma ceketi tasarlanmıştır. Sıcak tarafta, alt alüminyum plaka elektrik direnç telleriyle ısıtılmıştır. Isıyı plaka üzerinde uniform olarak dağıtmak için, elektrik direnç telleri üç eşit parçaya bölünmüştür. Alüminyum oksitten döküm yöntemiyle ısıtıcı için bir tabla imal edilmiştir. Tablanın içine ısıya dayanıklı cam tüpler yerleştirilmiştir. Her bir elektrik direnç teli tabladaki cam tüplerden geçirilmiştir. Böylece, homojen bir sıcaklık dağılımı sağlayan bir tabla ısıtıcı tasarlanmıştır. Ayrıca, her bir elektrik direnç teli PID (Proportional Integral Derivative) kontrol mekanizmasına sahip dijital sıcaklık kontrol cihazıyla kontrol edilmiştir. Her bir elektrik direnç teli ayrı ayrı kontrol edilerek alt plakada uniform bir sıcaklık dağılımı elde edilmiştir. Böylece, doğal taşınım için gerekli olan sıcaklık farkının kontrol edilebileceği bir deney düzeneği kurulmuştur. Ağır yakıtın viskozitesinin sıcaklıkla olan büyük değişimi ve yüksek Pr sayısı özelliklerini modellemek için, model tank içerisinde çalışma sıvısı olarak gliserin kullanılmıştır. Deneyde soğuk ve sıcak plakaların yüzeylerindeki sıcaklıklar, model tankın farklı noktalarındaki gliserinin sıcaklıklarını ölçmek için gerekli olan veri toplama sistemi, açık kaynaklı bir elektronik geliştirme kartı olan Arduino Mega ATmega2560 ve tasarımı yapılan devrenin delikli pertinaks üzerine aktarılmasıyla geliştirilmiştir. Isıl çiftler, bir bilgisayara bağlı bu çalışmada geliştirilen veri toplama ünitesine bağlanmıştır. Bu çalışmadaki sıcaklık verilerini okumak için Arduino IDE (Integrated Development Environment) yazılımında kod yazılarak düzenlenmiştir. Model tank içerisindeki doğal taşınımla ısı geçişi için yapılan deneyler İstanbul Teknik Üniversitesi (İTÜ) Gemi İnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi'nde bulunan Gemi Emisyonları Laboratuvarı'nda gerçekleştirilmiştir. 
Deneysel çalışma, izotermal olarak ısıtılan alt alüminyum plaka sıcaklığı ile izotermal olarak soğutulan üst alüminyum plaka sıcaklığı arasındaki 3 farklı sıcaklık farkı değeri için gerçekleştirilmiştir. Çalışma sonucunda, kapalı hacmin dikey simetri ekseni boyunca sıcaklık profilleri sunulmuş ve yatay plakalardaki ortalama Nusselt sayıları hesaplanmıştır. Dikey simetri ekseninde ölçülerek deneysel olarak tahmin edilmiş zaman ortalama sıcaklık profilleri üst ve alt plakaların yakınında keskin bir şekilde değişmiştir. Sıcaklık profili plakaların yakınında termal sınır tabakaların varlığını açıkça göstermiştir. Termal sınır tabakaların dışındaki bölgede sıcaklıkta lineer bir tabakalaşma görülmüştür. 
Bölüm 3'te gliserin dolu model tanktaki doğal taşınımla olan ısı transferi sayısal olarak incelenmiştir. Aktif alüminyum plakalarda deneysel olarak ölçülen sıcaklıklar sınır şartı olarak sayısal çalışmada kullanılmış ve analizler gerçekleştirilmiştir. Sayısal çalışma, İTÜ Bilişim Enstitüsü bünyesinde bulunan Türkiye Ulusal Yüksek Başarımlı Hesaplama Uygulama ve Araştırma Merkezi'nde (UHeM) bulunan çok işlemcili yüksek performanslı bilgi işlem kümesi SARIYER'de sağlanan hesaplama kaynakları kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Üç boyutlu zamana bağlı korunum denklemleri, sonlu hacim yöntemine dayalı bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği programı ANSYS Fluent kullanılarak çözülmüştür. Model tank orta düzlemindeki dikey orta eksende sayısal olarak elde edilen sıcaklık profilleri, yatay duvarlarda hesaplanan ortalama Nusselt değerleri deneysel olarak ölçülerek elde edilen sıcaklık profilleri ve Nusselt değerleriyle karşılaştırılmıştır. Deneysel ve sayısal çalışmalardan elde edilen sonuçlar, sayısal simülasyonlar ve deneysel ölçümler arasında iyi bir uyum olduğunu göstermiştir.
Bölüm 4'de ağır yakıt ile dolu kapalı bir hacimdeki laminer doğal taşınımla olan ısı transferi deneysel sonuçlarla doğrulanan sayısal yöntem ve çözüm prosedürü kullanılarak 103≤Ra≤107 aralığındaki Rayleigh (Ra) sayılarında farklı ısıtma sistemleri ve serpantin boru düzenlemeleri için incelenmiştir. İki farklı ısıtma sisteminin performansları araştırılmıştır. İlk sistemde ısıtıcı serpantinler tanka daldırılmıştır. İkinci sistemde, serpantin borularının tankın dışında yer aldığı dikkate alınarak, ağır yakıtın alt duvardan üniform olarak ısıtıldığı kabul edilmektedir. Sıcak serpantin borularının yüksek viskoziteli akışkana daldırıldığı ısıtma sisteminde serpantin boruları arasındaki yatay ve dikey mesafeler ile serpantin borularının dikey eksendeki konumlarının ısı transfer özellikleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. 103≤Ra≤106'da serpantin borularının kapalı alanın dışında olduğu ısıtma sistemi serpantin borularının kapalı alana daldırıldığı sistemden daha düşük bir ısı transfer kabiliyetine sahip olduğu belirlenmiştir. Ra=107'de serpantin borularının kapalı alan dışında olduğu ısıtma sistemi, yatay olarak hizalanmış serpantin boru düzenine sahip ısıtma sistemine kıyasla ortalama Nusselt değerlerinde % 3,25'lik bir iyileşme sağlamıştır.
Bölüm 5'de ağır yakıtla doldurulmuş 1:1 ölçekteki bir gemi kargo tankındaki serpantin borularının farklı düzenlemelerinin doğal taşınımla ısı transferi üzerindeki etkileri sayısal olarak incelenmiştir. Boruların sıralı, kademeli ve katmanlı düzenlemeleri için sayısal simülasyonlar yapılmıştır. Serpantin borularının tankın alt duvarı boyunca eşit yatay mesafelerde dağıtılarak sıralı bir şekilde yerleştirildiği düzen, gemilerdeki serpantin boru yerleşiminin geleneksel tasarımıdır. Gemilerdeki serpantin borularının geleneksel tasarımına ait sonuçlar bu çalışmada düşünülen ve önerilen tüm serpantin boru düzenlemelerine ait sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Serpantin borularının geleneksel tasarımında boru yüzeylerinde elde edilen zaman ortalama toplam ısı transfer katsayısı değeri sıralı düzende yerleştirilerek tank tabanının ortasında kümelenmiş serpantin boru düzeninde elde edilene göre % 7,6 artış göstermiştir. Kümelenmiş boru düzeninde son durumda tankta elde edilen minimum ve ortalama sıcaklık değerleri boruların geleneksel tasarım düzeninde elde edilenlere göre düşmüştür. Serpantin borularının kademeli düzeninde borular arasındaki 5 farklı açının (α) 150, 300, 450, 600 ve 750 doğal taşınımla ısı transferine ve akışa olan etkileri incelenmiştir. Serpantin boruları arasındaki açı değeri arttıkça boru yüzeylerindeki zaman ortalama toplam ısı transfer katsayısı değerinde ve son durumda tank içerisindeki ağır yakıtın ortalama ve minimum sıcaklık değerlerinde artış görülmüştür. Kademeli düzende α=600 ve α=750 için elde edilen boru yüzeylerindeki zaman ortalama toplam ısı transfer katsayısı değeri boruların geleneksel tasarım düzeninde elde edilene göre sırasıyla % 2,1 ve % 4,73 iyileşmiştir. Serpantin borularının kademeli düzeninde α=600'de sabit kalacak şekilde borular arasındaki yatay mesafenin doğal taşınımla ısı transferine ve akışa olan etkileri incelenmiştir. Kademeli düzende borular arasındaki yatay mesafenin 0,2284 m'den 0,8 m'ye artmasıyla, boru yüzeylerindeki zaman ortalama toplam ısı transfer katsayısı değerinde % 11,25'lik bir artış görülmüştür. Kademeli düzende α=600'de serpantin borular arasındaki yatay mesafenin 0,8 m olduğu durumda boru yüzeylerindeki zaman ortalama toplam ısı transfer katsayısı değerinde boruların geleneksel tasarım düzeninde elde edilene göre % 13,6'lık bir iyileşme görülmüştür. Taşınımdaki bu iyileşme son durumda tank içerisindeki ağır yakıtın minimum ve ortalama sıcaklık değerlerine yansımıştır. Serpantin borularının katmanlı düzeninde, gemi kargo tankı dikey olarak ısıtma bölgelerine (katmanlara) bölünerek ısıtılmıştır. Hesaplanan toplam ısıtma yükü katman sayısına bölünerek her katmana eşit olarak dağıtılmıştır. Kargo tank yüksekliği 4 ve 5 katman olacak şekilde bölünerek analizler gerçekleştirilmiştir. Katman sayısındaki artış serpantin boru yüzeylerindeki zaman ortalama toplam ısı transfer değerinde bir değişiklik oluşturmazken, son durumda tank içerisindeki ağır yakıtın ortalama sıcaklığını düşürmüştür. Katmanlı ısıtma, boru yüzeylerindeki zaman ortalama toplam ısı transfer katsayı değerinde gemilerdeki geleneksel boru yerleşim düzeninde elde edilen değere göre % 6,88'lik bir iyileşme sağlamıştır. Ayrıca, katmanlı ısıtmayla son durumda tank içerisindeki ortalama ağır yakıtın sıcaklık değeri de gemilerdeki geleneksel serpantin boru yerleşim düzeninde elde edilen değere göre artmıştır. Buna karşın, katmanlı ısıtma son durumda tank içerisindeki ağır yakıtın minimum sıcaklık değerlerini düşürmüştür.
Sonuç olarak, bu çalışmada önerilen serpantin borularının kademeli ve katmanlı düzenlerinde gemi kargo tankı içerisindeki doğal taşınımla ısı geçişinin etkinliğinde gemilerdeki geleneksel serpantin boru düzenine göre bir iyileşme sağlanmıştır. Böylece, yüksek viskoziteli akışkanla dolu gemi kargo tanklarındaki ısıtma sisteminin enerji etkinliği arttırılmıştır.

Abstract:
The issue of energy efficiency of ships has attracted the attention of engineers in recent years due to the increasing limitation on emission amounts in the rules and regulations related to emissions on the ship. Reducing ship-sourced emissions is possible by making every sub-system on board energy efficient. The heating system of high-viscosity fluids in the cargo tanks of ships carrying liquid cargo is one of these sub-systems. The heating system of high viscosity fluids such as heavy fuel, crude oil, asphalt, bitumen, naphtha, chemicals, etc. in ship cargo tanks is one of the ship sub-systems that causes a significant energy consumption in tankers. Therefore, it is one of the ship auxiliary systems that increases ship-sourced emissions.
Tankers are mostly used for global oil transportation. Transporting oil and its derivatives in tankers presents many operational challenges that limit their economic viability. These operational difficulties are due to the physical properties of oil and its derivatives. Petroleum products such as heavy fuel, crude oil, asphalt, bitumen, chemicals, etc. have high viscosity and they generally have a very high pour point. These types of fluids solidify below their pour point. Their chemical properties change with solidification. In addition, wax formation begins below the pour points of such fluids. High viscosity petroleum products such as heavy fuel, crude oil, asphalt, bitumen, chemicals, etc. are heated to prevent them from solidifying, changing their chemical properties and wax formation. Therefore, the temperature of such fluids in the tank is maintained at a certain level during the voyage. In addition, such high-viscosity fluids are heated before being transported from station to ship and from ship to station. Thus, the temperature of the fluid is raised to the appropriate level at which it can be pumped.
Heating is a common method used to overcome the above-mentioned problems of transporting high-viscosity liquid cargo from the ship to the station and keeping its temperature in the tank at a certain level. Liquid cargoes in cargo tanks are traditionally heated by indirect heating methods. In these methods, heat is transferred to the fluid from the heat transfer surface. The most common and widely used method for the heating system in cargo tanks is the use of heating serpentine tubes immersed in the tank. The serpentine tubes at the bottom of the tanks are hot and they heat the liquid cargo around the tubes. The hot liquid cargo rises by heating and is replaced by the colder liquid cargo. Thus, a natural circulation (natural convection) occurs in the tank. Therefore, the main heat transfer mechanism for heating high viscosity fluids in ship cargo tanks is natural convection heat transfer.
The process of heating high-viscosity fluids such as heavy fuel, crude oil, asphalt, bitumen, etc. in a ship cargo tank requires a significant amount of energy and cost. This energy and cost can be reduced by a better understanding of the mathematics and physics of the natural convection in enclosed volumes. This study aims to examine the natural convection heat transfer and flow problem in ship cargo tanks experimentally and computationally, and to increase the heating efficiency in ship cargo tanks with the obtained results, information and findings.
The experimental study is explained in Chapter 2. The ship cargo tank is modeled as a rectangular closed volume which is heated from the bottom by resistance wires and cooled from the top by a thermostatic water bath. In the experimental study, a model tank with a scale of ⁓1/20 of the actual cargo tank dimensions of a 5700 DWT (Deadweight tonnage) oil/chemical tanker is produced. The lower and upper walls of the model tank are designed as two different heat exchangers to form the temperature difference required for natural convection heat transfer. On the cold side, a cooling jacket is designed to uniformly remove heat from the upper aluminum plate. A closed-circuit cooled circulating thermostatic water bath with high cooling capacity is used to distribute heat uniformly in the cooling jacket. On the hot side, the bottom aluminum plate is heated by electrical resistance wires. To distribute the heat uniformly on the hot aluminum plate, the electrical resistance wires are divided into three equal parts. A plate heater is designed and manufactured from alumina material using the casting method. Heat-resistant glass tubes are placed inside the plate. Each electrical resistance wire is passed through glass tubes in the plate heater. Thus, a heater is designed that provides a uniform temperature distribution. Also, each electrical resistance wire is controlled by a digital temperature controller with a PID (Proportional Integrated Derivative) control mechanism. The electrical wiring diagram required for the control of each electrical resistance heater has been created. An electrical control panel is made by placing the circuit elements seen in the wiring diagram on the electrical panel. A uniform temperature distribution on the lower aluminum plate is obtained by controlling each electrical resistance wire separately. Thus, an experimental setup is established to control the temperature difference required for natural convection heat transfer. To model the heavy fuel large variation of viscosity with temperature and high Prandtl (Pr) number properties, glycerin is used as the working fluid in the model tank. Measurements for the determination of the thermophysical properties of glycerin such as viscosity and density were performed at Istanbul Technical University (ITU), Faculty of Chemistry and Metallurgy, Natural Additives, Functional Components and Health Excellence Center. In the experiment, the temperatures on the surfaces of the cold and hot aluminum plates and the temperatures of the glycerin at different points of the model tank were measured. The data acquisition system required to measure temperatures has been developed by transferring the Arduino Mega ATmega2560, an open source electronic development board, and the designed circuit to the perforated pertinax. Thermocouples were connected to the data acquisition unit developed in this study. To read the temperature data in this study, the code is written in the Arduino IDE (Integrated Development Environment) software. Temperature data were obtained using the open source Arduino IDE software. The calibration of the probe, thermocouples, digital temperature control devices and data acquisition system was performed in DUSCIO Heat Technique Laboratory of ITU Mechanical Engineering Faculty. In addition, the calibration of the multimeters and clamp meters was performed at ITU Electronics Faculty Electrical Circuit Fundamentals and Electrical Machines Laboratories. The experiments within the scope of this study for the natural convection heat transfer in the glycerin-filled model tank were conducted in the Ship Emissions Laboratory at the Faculty of Naval Architecture and Ocean Engineering of ITU.
An experimental study is conducted for 3 different temperature difference values between the isothermally heated lower aluminum plate temperature (TH) and isothermally cooled upper aluminum plate temperature (TC). The Rayleigh number (Ra) varies between 1.43x108 and 6.57x108 depending on temperature difference. As a result of the experimental study, temperature profiles along the vertical symmetry axis of the model tank are presented and the average Nusselt numbers on the horizontal plates are calculated. Depending on the increase in the temperature difference between the lower and upper plates, the temperature difference values between the inlet and outlet of the cooling jacket also increase. Therefore, with the increasing temperature difference, the total heat removes from the system through the cooling jacket also increase.
The experimentally estimated time-averaged temperature profiles measured on the vertical symmetry axis change sharply near the isothermal upper and lower aluminum plates. The temperature profile clearly indicates the thermal boundary layers near the active walls. Outside these thermal boundary layers, a linear stratification is observed in temperature. Stratification observed in the region outside the thermal boundary layer indicates that the fluid is almost stationary. In addition, when the temperature difference between the lower and upper aluminum plates is 18 0C and 27.5 0C, the time for the system to reach equilibrium increases compared to the case where the temperature difference is 35 0C. This is due to the increased viscosity of glycerin at low temperatures reduces thermal diffusion.
Natural convection heat transfer in a glycerin-filled model tank is numerically investigated in Chapter 3. Experimentally measured temperatures on active aluminum plates are used as boundary conditions in the numerical study and numerical simulations are conducted. The computational study is conducted using the computational resources provided in the multiprocessor high performance computing cluster SARIYER, located in the Turkish National High Performance Computing Center (UHeM) within the ITU Informatics Institute. The three-dimensional unsteady conservation equations of continuity, momentum and energy are solved using ANSYS Fluent, computational fluid dynamics solver based on the finite volume method. The aim of the computational study is to verify the numerical method and solution procedure by comparing them with experimental results. Also, it is explained natural convection heat transfer in the tank in the best way by revealing the temperature and velocity values at the points that cannot be reached and measured in the experimental results. The temperature profile obtained numerically on the vertical mid axis in the mid-plane of the model tank is compared with the temperature profiles from experimental measurements. The temperature areas near the lower and upper horizontal walls have high gradients in both experimental and numerical results. This indicates a boundary layer near the active walls. Both the experimental and numerical results show that the glycerin in the tank has a linear temperature distribution outside the region near the horizontal active walls of the tank. Outside the zone near the active walls of the tank, the difference between the experimentally measured temperatures and the numerically obtained temperature values is small. This difference increases slightly with increasing Ra number. It is thought that the small difference between the experimental and numerically obtained temperatures may be due to the experimental uncertainties of the measurement system. The use of experimentally measured temperature distributions along the lower and upper walls as boundary conditions in numerical simulations improves the agreement between experimental and numerical studies. Results from experimental and numerical studies show a good agreement between numerical simulations and experimental measurements.
In Chapter 4, laminar natural convection heat transfer in a confined space filled with heavy fuel is investigated using a numerical method and the solution procedure verified by the experimental results. The natural convection heat transfer in the confined space is investigated for different heating systems and serpentine tube arrangements at Ra numbers in the range of 103≤Ra≤107. The performances of two different heating systems are investigated. In the first system, the heating serpentine tubes are immersed in a tank. In the second system, it is assumed that the serpentine tubes are located outside the tank and the heavy fuel is heated uniformly from the bottom wall. In the heating system where hot serpentine tubes are immersed in high viscosity fluid, the effects of horizontal and vertical distances between serpentine tubes and vertical position of serpentine tubes on heat transfer characteristics are investigated. The heating system where the serpentine tubes are outside the confined space has a lower heat transfer capability than the system in which the serpentine tubes are immersed in the confined space at 103≤Ra≤106. The heating system where the serpentine tubes are outside the confined space at Ra=107 provides an improvement of 3.25% in the average Nusselt values compared to the heating system with horizontally aligned serpentine tube arrangement. As the horizontal distance between the serpentine tubes increases, the average Nusselt numbers on the serpentine tubes increase at 103≤Ra≤107. For all Ra numbers, the average Nusselt number on the serpentine tubes reaches its maximum value when the distance of the serpentine tubes to the bottom wall of the confined space is the minimum.
The effects of different arrangements of serpentine tubes on natural convection heat transfer and fluid flow in a 1:1 scale ship cargo tank filled with heavy fuel are numerically investigated in Chapter 5. Numerical simulations are performed for aligned, staggered and layered arrangements of serpentine tubes. The arrangement that the serpentine tubes are aligned horizontally along the bottom wall of the tank is the conventional design of the serpentine tube layout on ships. In the conventional layout, the serpentine tubes are distributed along the bottom of the tank. Firstly, the serpentine tubes in the ship cargo tank are placed in the tank in accordance with the conventional design and numerical simulations of the conventional design are performed. The results of the conventional design of serpentine tubes in ship cargo tank are compared with all serpentine tube arrangements considered and proposed in this study. The heat transfer performances of different arrangements of serpentine tubes are compared using the time-averaged total heat transfer coefficients on the hot serpentine tubes, the average and minimum temperature values of the heavy fuel in the tank for the final state.
In the conventional design of the serpentine tubes, the time-averaged total heat transfer coefficient value on the tube surfaces shows an increase of 7.6% compared to the clustered, aligned serpentine tube arrangement in the middle of the tank bottom. The difference in the heat transfer coefficient shows its effect on the temperature values in the tank. In the clustered serpentine tube layout, for the final state the minimum and average temperature values in the tank are lower than those obtained in the conventional design layout of the tubes.
The effects of the vertical distance of the serpentine tubes from the bottom of the tank on the natural convection heat transfer and fluid flow are investigated in the conventional design of the serpentine tubes. Increasing the vertical distance from 0.2 m to 0.5 m increases the heat transfer coefficient value and the average temperature of the heavy fuel in the final state, and decreases the minimum temperature value. If the vertical distance increases from 0.15 m to 0.2 m, no significant change is observed in these values.
The effects of 5 different angles (α) between the serpentine tubes (150, 300, 450, 600 and 750) on the natural convection heat transfer and fluid flow are investigated for the staggered arrangement of the serpentine tubes. As the angle between the serpentine tubes increases, the time-averaged total heat transfer coefficient on the tube surfaces, the average and minimum temperature values of the heavy fuel in the tank for the final state increase. The time-averaged total heat transfer coefficient values on the tube surfaces obtained for α=600 and α=750 in the staggered arrangement provide an improvement of 2.1% and 4.73%, respectively, compared with the conventional design arrangement of the tubes.
In the staggered arrangement of the serpentine tubes, the effects of the horizontal distance between the tubes on the natural convection heat transfer and fluid flow are investigated. The angle between the serpentine tubes is fixed at 600. With the increase in the horizontal distance between the serpentine tubes from 0.2284 m to 0.8 m in the staggered arrangement, an increase of 11.25% is observed in the time-averaged total heat transfer coefficient value on the tube surfaces. When the horizontal distance between the serpentine tubes is 0.8 m at α=600 in the staggered arrangement, an improvement of 13.6% is observed in the time-averaged total heat transfer coefficient value on the tube surfaces compared to the conventional arrangement of the tubes. This improvement in convection has affected the minimum and average temperature values of the heavy fuel in the tank for the final state.
In the layered arrangement of serpentine tubes, the ship's cargo tank is divided vertically into heating zones (layers). The total heating load is divided by the number of layers and distributed equally to each layer. In this study, cargo tank height is divided into 4 and 5 layers, and numerical simulations are carried out separately for these two cases. While the increase in the number of layers does not affect the time-averaged total heat transfer coefficient value on the serpentine tube surfaces, it decreases the average temperature of the heavy fuel in the tank for the final state. Layered heating provides an improvement of 6.88% in the time-averaged total heat transfer coefficient value on the tube surfaces compared to the conventional serpentine tubes layout in ships. In addition, in the case of layered heating, the average temperature of the heavy fuel in the tank increases compared to the conventional serpentine tubes layout in ships. On the other hand, layered heating reduces the minimum temperature values of the heavy fuel in the tank for the final state.
As a result, an improvement is achieved in the efficiency of natural convection heat transfer in the ship cargo tank in the staggered and layered arrangement of the serpentine tubes proposed in this study, compared with the conventional serpentine tube arrangement in the ships. Thus, the energy efficiency of the heating system in ship cargo tanks filled with high viscosity fluid is increased.
This study provides important information on understanding and modeling time-dependent natural convection heat transfer in ship cargo tanks filled with high-viscosity fluid. It is shown that the arrangement of the serpentine tubes in the ship cargo tank has a significant effect on the natural convection heat transfer and fluid flow. The knowledge provided by the study will contribute significantly to the design process for arranging the serpentine tubes in the ship cargo tank.