Техніка та енергетика

ЧИСЕЛЬНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ТЕПЛООБМІНУ ТА ГАЗОДИНАМІКИ КОМПАКТНИХ ПУЧКІВ ТРУБ НОВОЇ КОНСТРУКЦІЇ

Віктор Троханяк, Валерій Григорович Горобець
Завантажити статтю
Анотація

При розробці нових типів конструкцій теплообмінних апаратів важливу роль відіграють такі фактори, як їх масогабаритні характеристики, ефективність теплопереносу через поверхню, що розділяє теплоносії, втрати тиску в трактах для кожного з теплоносіїв та інші параметри, які характеризують теплообмінний апарат. Таким чином, наукові дослідження у даній сфері є актуальними і вимагають свого рішення. Мета роботи полягала у розробці та впровадженні принципово нових підходів конструкційних параметрів кожухотрубних теплообмінників, у яких гладкотрубні пучки розміщенні якомога компактно при їх поперечному обтіканні. Для цього було проведене чисельного моделювання в каналах теплообмінників і дослідження процесів теплообміну та газодинаміки. Для розрахунку гідродинаміки і теплопереносу в каналах трубного пучка використовували пакет прикладних програм ANSYS Fluent. Проведено чисельне моделювання процесів гідродинаміки і теплопереносу при обтіканні компактного пучка труб малого діаметра. Математична модель включає рівняння Нав’є-Стокса, рівняння енергії і рівняння, які описують турбулентність зовнішнього потоку. В якості моделі турбулентності вибрана  модель, яка добре описує турбулентність в каналах. Результати чисельного моделювання показали на виході з каналів компактного пучка труб, усереднене значення якого складає +20.1 ºС. Характерно, що поблизу стінок каналу локальні значення температур мають значення близькі до +30 ºС. Швидкість повітря в окремих точках каналу досягає 85,1 м/с. При цьому середня швидкість повітря в поперечному перерізу каналу має значення близько 41,2 м/с при Re=21420. Продемонстровано, що максимальні значення локальних коефіцієнтів тепловіддачі для труб в компактному пучку спостерігаються в областях приєднання потоку до поверхні труб і на початку формування межового шару. Максимальні значення коефіцієнта тепловіддачі, що досягає до 1335,5 Вт/м2·ºС для другого та третього рядів, а у передній точці першого порядку становить 1042,3 Вт/м2 ºС. Отримані результати дадуть змогу покращити масогабаритні показники кожухотрубних теплообмінників та знизити їх собівартість

Ключові слова

рівняння Нав’є-Стокса Computational Fluid Dynamics, тепломасообмін, міжтрубні канали, масогабаритні показники

ЦИТУВАТИ
Trokhaniak, V., & Gorobets, V. (2023). Heat transfer and gas dynamics numerical modelling of compact pipe bundles of new design. Machinery & Energetics, 14(3), 79-89. https://doi.org/10.31548/machinery/3.2023.79
Використані джерела

[1] Alam, T., & Kim, M.H. (2018). A comprehensive review on single phase heat transfer enhancement techniques in heat exchanger applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 81, 813-839. doi: 10.1016/j.rser.2017.08.060.

[2] Alexandersson, O., Zweigbergk, K., & Zweigbergk, C. (2002). Living Water: Viktor Schauberger and the secrets of natural energy. Dublin: Gill Books Gateway.

[3] ANSYS. Fluent theory guide. Release 18.2. (2017). Retrieved from https://www.luis.uni-hannover.de/fileadmin/software-lizenzen/Ueberlassung/ANSYS18.2_ReleaseNotes.pdf.

[4] Bedi, R., Kiran, K., Mulla, A.M., Manoj, & Hebbar, G.S. (2018). Experimental augmentation of heat transfer in a shell and tube heat exchanger using twisted tape with baffles and hitrain wire matrix inserts – a comparative study. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 376, article number 012003. doi: 10.1088/1757-899X/376/1/012003.

[5] Biçer, N., Engin, T., Yaşar, H., Büyükkaya, E., Aydın, A., & Topuz, A. (2021). Design optimization of a shell-and-tube heat exchanger with novel three-zonal baffle by using CFD and taguchi method. International Journal of Thermal Sciences, 155, article number 106417. doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2020.106417.

[6] Bichkar, P., Dandgaval, O., Dalvi, P., Godase, R., & Dey, T. (2018). Study of shell and tube heat exchanger with the effect of types of baffles. Procedia Manufacturing, 20, 195-200. doi: 10.1016/j.promfg.2018.02.028.

[7] Caputo, A.C., Federici, A., Pelagagge, P.M., & Salini, P. (2022). On the selection of design methodology for shell-and-tube heat exchangers optimization problems. Thermal Science and Engineering Progress, 34, article number 101384. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2022.118541.

[8] Elyyan, M.A., Rozati, A., & Tafti, D.K. (2008). Investigation of dimpled fins for heat transfer enhancement in compact heat exchangers. International Journal of Heat and Mass Transfer, 51, 2950-2966. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.09.013.

[9] Erdogan, A., & Ozgur Colpan, C. (2018). Thermal design and modeling of shell and tube heat exchangers combining PTSC and ORC systems. Exergetic, Energetic and Environmental Dimensions, 2018, 279-305. doi: 10.1016/B978-0-12-813734-5.00016-0.

[10] Feizabadi, A., Khoshvaght-Aliabadi, M., & Rahimi, A.B. (2019). Experimental evaluation of thermal performance and entropy generation inside a twisted U-tube equipped with twisted-tape inserts. International Journal of Thermal Sciences, 145, article number 106051. doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2019.106051.

[11] Gorban, V.F., Andreev, A.O., Stolbovy, V.O., Firstov, S.O., & Karpets, M.V. (2021). Influence of the lattice parameter on physical properties of high-entropy coatings. Scientific Herald of Uzhhorod University. Series “Physics”, 49, 61-65.

[12] Gorobets, V., Trokhaniak, V., Bohdan, Y., & Antypov, I. (2021). Numerical modeling of heat transfer and hydrodynamics in compact shifted arrangement small diameter tube bundles. Journal of Applied and Computational Mechanics, doi: 10.22055/JACM.2020.31007.1855.

[13] Gu, H., Chen, Y., Sund’en, B., Wu, J., Song, N., & Su, J. (2020). Influence of alternating V- rows tube layout on thermal-hydraulic characteristics of twisted elliptical tube heat exchangers. International Journal of Heat and Mass Transfer, 159, article number 120070. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120070.

[14] Hasanli, R., Aliyev, I., Poladov, N., Azimova, L., & Tagiyev, T. (2022). Isothermal transformations in high-strength cast iron. Scientific Herald of Uzhhorod University. Series “Physics”, 51, 48-58. doi: 10.54919/2415-8038.2022.51.48-58.

[15] Hojjat, M. (2020). Nanofluids as coolant in a shell and tube heat exchanger: ANN modeling and multi-objective optimization. Applied Mathematics and Computation, 365, article number 124710. doi: 10.1016/j.amc.2019.124710.

[16] Jamil, M.A., Goraya, T.S., Shahzad, M.W., & Zubair, S.M. (2020). Exergoeconomic optimization of a shell-and-tube heat exchanger. Energy Conversion and Management, 226, article number 113462. doi: 10.1016/j.enconman.2020.113462.

[17] Khmelnik, S.I. (2010). Navier-Stokes equations. On the existence and the search method for global solutions. Charleston: CreateSpace Independent Publishing Platform.

[18] Kundu, P.K., Cohen, I.M., & Dowling, D.R. (2008). Fluid mechanics (4 Ed.). Amsterdam Elsevier.

[19] Lanjewar, A., Bhagoria, J.L., & Sarviya, R.M. (2011). Heat transfer and friction in solar air heater duct with W-shaped rib roughness on absorber plate. Energy, 36, 4531-4541. doi: 10.1016/j.energy.2011.03.054.

[20] Li, X.Z., Zhu, D.S., Yin, Y.D., Tu, A., & Liu, S.J. (2019). Parametric study on heat transfer and pressure drop of twisted oval tube bundle with in line layout. International Journal of Heat and Mass Transfer, 135, 860-872. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.02.031.

[21] Lim, T.-W., & Choi, Y.-S. (2020). Thermal design and performance evaluation of a shell-and-tube heat exchanger using LNG cold energy in LNG fuelled ship. Applied Thermal Engineering, 171, article number 115120. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2020.115120.

[22] Marzouk, S.A., Abou Al-Sood, M.M., El-Fakharany, M.K., & El-Said, E.M.S. (2022). A comparative numerical study of shell and multi-tube heat exchanger performance with different baffles configurations. International Journal of Thermal Sciences, 179, article number 107655. doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2022.107655.

[23] Nagarani, N., Mayilsamy, K., Murugesan, A., & Kumar, G.S. (2014). Review of utilization of extended surfaces in heat transfer problems. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 29, article number 604613. doi: 10.1016/j.rser.2013.08.068.

[24] Rahman, M.M., Tan, J.H., Fadzlita, M.T., & Muzammil, A.W.K. (2017). A review on the development of gravitational water vortex power plant as alternative renewable energy resources. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 217, article number 012007. doi: 10.1088/1757-899X/217/1/012007.

[25] Riaz, M.T., Cheema, T.A., Tayyab, M., Khan, A.U.A., Amber, K.P., Sajid, M.B., Park, C.W. (2022). Investigation of free and forced vortex induced thermal energy exchange potential. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 52, article number 102107. doi: 10.1016/j.seta.2022.102107.

[26] Talebi, M., & Lalgani, F. (2021). Assessment of thermal behavior of variable step twist in the elliptical spiral. International Journal of Thermal Sciences, 170, article number 107126. doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2021.107126.

[27] Tayyab, M., Cheema, T.A., Malik, M.S., Muzaffar, A., Sajid, M.B., & Park, C.W. (2020). Investigation of thermal energy exchange potential of a gravitational water vortex. Renewable Energy, 162, 1380-1398. doi: 10.1016/j.renene.2020.08.097.

[28] Trokhaniak, V., Gorobets, V., Shelimanova, O., & Balitsky, A. (2023). Research of thermal and hydrodynamic flows of heat exchangers for different air cooling systems in poultry houses. Machinery & Energetics, 14(1), 68-78. doi: 10.31548/machinery/1.2023.68.

[29] Trokhaniak, V.I. (2018). Power saving system in poultry-houses with usage of soil low-potential energy. Кyiv: Коmprint.

[30] Wang, C., Cui, Z., Yu, H., Chen, K., & Wang, J. (2020). Intelligent optimization design of shell and helically coiled tube heat exchanger based on genetic algorithm. International Journal of Heat and Mass Transfer, 159, article number 120140. doi: 10.1016/j. ijheatmasstransfer.2020.120140.

[31] Yang, Z., Ma, Y., Zhang, N., & Smith, R. (2020). Design optimization of shell and tube heat exchangers sizing with heat transfer enhancement. Computers & Chemical Engineering, 137, article number 106821. doi: 10.1016/j.compchemeng.2020.106821.

[32] Zotloterer, F. (2004). Hydroelectric power station. Austria Patent AU2003294512. Retrieved from https://patents.google.com/patent/AU2003294512A1/en.