Численное моделирование и экспериментальное исследование процессов гидродинамики и теплообмена в теплообменных аппаратах новой конструкции

Проведено численное моделирование и экспериментальное исследование тепловых и гидродинамических характеристик сжатых пучков круглых труб в теплообменных аппаратах новой конструкции....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2016
Hauptverfasser:	Горобец, В.Г., Богдан, Ю.А., Троханяк, В.И.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут технічної теплофізики НАН України 2016
Schriftenreihe:	Промышленная теплотехника
Schlagworte:	Тепло- и массообменные аппараты
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142302
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Численное моделирование и экспериментальное исследование процессов гидродинамики и теплообмена в теплообменных аппаратах новой конструкции / В.Г. Горобец, Ю.А. Богдан, В.И. Троханяк // Промышленная теплотехника. — 2016. — Т. 38, № 5. — С. 21-31. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-142302
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1423022018-10-04T01:23:07Z Численное моделирование и экспериментальное исследование процессов гидродинамики и теплообмена в теплообменных аппаратах новой конструкции Горобец, В.Г. Богдан, Ю.А. Троханяк, В.И. Тепло- и массообменные аппараты Проведено численное моделирование и экспериментальное исследование тепловых и гидродинамических характеристик сжатых пучков круглых труб в теплообменных аппаратах новой конструкции. Проведено чисельне моделювання і експериментальне дослідження теплових і гідродинамічних характеристик компактних пучків круглих труб в теплообмінних апаратах нової конструкції. Numerical modeling and experimental investigation of heat and hydrodynamic characteristics of compressed round tube bundle for heat exchangers of new design are presented. 2016 Article Численное моделирование и экспериментальное исследование процессов гидродинамики и теплообмена в теплообменных аппаратах новой конструкции / В.Г. Горобец, Ю.А. Богдан, В.И. Троханяк // Промышленная теплотехника. — 2016. — Т. 38, № 5. — С. 21-31. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0204-3602 DOI: https://doi.org/10.31472/ihe.5.2016.03 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142302 621.43.068:536.24 ru Промышленная теплотехника Інститут технічної теплофізики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Тепло- и массообменные аппараты Тепло- и массообменные аппараты
spellingShingle	Тепло- и массообменные аппараты Тепло- и массообменные аппараты Горобец, В.Г. Богдан, Ю.А. Троханяк, В.И. Численное моделирование и экспериментальное исследование процессов гидродинамики и теплообмена в теплообменных аппаратах новой конструкции Промышленная теплотехника
description	Проведено численное моделирование и экспериментальное исследование тепловых и гидродинамических характеристик сжатых пучков круглых труб в теплообменных аппаратах новой конструкции.
format	Article
author	Горобец, В.Г. Богдан, Ю.А. Троханяк, В.И.
author_facet	Горобец, В.Г. Богдан, Ю.А. Троханяк, В.И.
author_sort	Горобец, В.Г.
title	Численное моделирование и экспериментальное исследование процессов гидродинамики и теплообмена в теплообменных аппаратах новой конструкции
title_short	Численное моделирование и экспериментальное исследование процессов гидродинамики и теплообмена в теплообменных аппаратах новой конструкции
title_full	Численное моделирование и экспериментальное исследование процессов гидродинамики и теплообмена в теплообменных аппаратах новой конструкции
title_fullStr	Численное моделирование и экспериментальное исследование процессов гидродинамики и теплообмена в теплообменных аппаратах новой конструкции
title_full_unstemmed	Численное моделирование и экспериментальное исследование процессов гидродинамики и теплообмена в теплообменных аппаратах новой конструкции
title_sort	численное моделирование и экспериментальное исследование процессов гидродинамики и теплообмена в теплообменных аппаратах новой конструкции
publisher	Інститут технічної теплофізики НАН України
publishDate	2016
topic_facet	Тепло- и массообменные аппараты
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142302
citation_txt	Численное моделирование и экспериментальное исследование процессов гидродинамики и теплообмена в теплообменных аппаратах новой конструкции / В.Г. Горобец, Ю.А. Богдан, В.И. Троханяк // Промышленная теплотехника. — 2016. — Т. 38, № 5. — С. 21-31. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series	Промышленная теплотехника
work_keys_str_mv	AT gorobecvg čislennoemodelirovanieiéksperimentalʹnoeissledovanieprocessovgidrodinamikiiteploobmenavteploobmennyhapparatahnovojkonstrukcii AT bogdanûa čislennoemodelirovanieiéksperimentalʹnoeissledovanieprocessovgidrodinamikiiteploobmenavteploobmennyhapparatahnovojkonstrukcii AT trohanâkvi čislennoemodelirovanieiéksperimentalʹnoeissledovanieprocessovgidrodinamikiiteploobmenavteploobmennyhapparatahnovojkonstrukcii
first_indexed	2025-07-10T14:40:04Z
last_indexed	2025-07-10T14:40:04Z
_version_	1837271254688595968
fulltext	ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №5 21 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ УДК 621.43.068:536.24 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА В ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ Горобец В.Г.1, доктор техн. наук., Богдан Ю.А.2, Троханяк В.И.1 1 Национальный университет биоресурсов и природоиспользования Украины, ул. Героев Обороны, 15, Киев, 03041, Украина 2 Киевская государственная академия водного транспорта имени гетмана Петра Конашевича- Сагайдачного, ул. Кирилловская, 9, Киев, 04071, Украина Проведено чисельне моде- лювання і експерименталь- не дослідження теплових і гідродинамічних характеристик компактних пучків круглих труб в теплообмінних апаратах нової конструкції. Порівняння результатів чисельного моделювання стисне- них пучків круглих труб з резуль- татами проведеного експерименту та відомими експериментальними даними для пучків круглих труб традиційної коридорної компо- новки, підтверджує адекватність моделювання і майже подвійне зростання теплової ефективності досліджуваних стиснених пучків труб при незначних відмінностях сумарного аеродинамічного опору. Проведено численное модели- рование и экспериментальное ис- следование тепловых и гидроди- намических характеристик сжатых пучков круглых труб в теплообмен- ных аппаратах новой конструкции. Сравнение результатов численного моделирования сжатых пучков кру- глых труб с результатами проведен- ного эксперимента и известными экспериментальными данными для пучков круглых труб традиционной коридорной компоновки, подтверж- дает адекватность моделирования и почти двойной рост тепловой эф- фективности исследуемых сжатых пучков труб при незначительных отличиях суммарного аэродинами- ческого сопротивления. Numerical modeling and experimental investigation of heat and hydrodynamic characteristics of compressed round tube bundle for heat exchangers of new design are presented. Comparison of the results of numerical modeling of compressed round tube bundle with results of finished experiment and knowing experimental data for round tube bundle of convention inline geometry, confirms the adequacy of modeling and almost double the increase in the thermal efficiency of the investigated compressed round tube bundle with a relatively small change in the total aerodynamic resistance. Библ.12. рис. 7. Ключевые слова: вакуум-выпарной аппарат, тепловой насос, оптимизация. α – коэффициент теплоотдачи, Вт/м2К; d – внешний диаметр трубы, м; δ – толщина стенки трубы, м; H – площадь поверхности теплообмена (суммар- ная для двух тепловоспринимающих участков поверхность нагрева), м2; l – длина трубы, м; D – диаметр, м; G – расход, кг/с; T – температура, К, °С; P – давление, Па; S – шаг размещения труб в пучке, м; i – количество труб в ряду пучка; j – количество рядов в пучке; z – общее количество труб в пучке; k – кинетическая энергия турбулентности; ε – скорость диссипации турбулентности; w – скорость потока теплоносителя, м/с; τ – время, с; x, y – декартовые координаты; t – температура, К, °С; n – частота вращения коленчатого вала, мин-1; φ – угол по окружности трубы, °; с – удельная теплоемкость, Дж/(кг·К); а – относительный поперечный шаг пучка труб; b – относительный продольный шаг пучка труб; Q – тепловой поток, Вт; λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К); ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №522 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ μ – динамический коэффициент вязкости, Па·с; ν – кинематический коэффициент вязкости, м2/с; ρ – плотность, кг/м3. Безразмерные комплексы: Nu = α·D кан.экв /λ – число Нуссельта; Re = w·D кан.экв /ν – число Рейнольдса; Pr = ν/a – число Прандтля; Eu = Δр/ρω2 – число Эйлера; Θ=t/tmax – безразмерная температура отработан- ных газов; Индексы: 1 – отработанные газы; 2 – вода; ′ – теплоноситель на входе; ″ – теплоноситель на выходе; a – поперечный ряд труб в пучке; b – продольный ряд труб в пучке; кан.экв – эквивалентный межтрубного канала; кож.экв – эквивалентный кожуха; in – вход; cт – стенка; s – поверхность; і = x,y индекс для соответственной координаты; т – локальный; ср – усредненное значение; р – изобарный; τ – тангенциальный; t – турбулентный. Введение Одним из важнейших направлений энерго- и ресурсосбережения на современном этапе раз- вития техники является разработка более совер- шенного теплообменного оборудования, входя- щего в состав энергетических установок. Вместе с тем теплообменные аппараты современных энергетических установок должны отвечать все более ужесточающимся требованиям к но- вым конструкциям: по надежности работы, ми- нимальному гидравлическому сопротивлению, удобству эксплуатации, компактности, уменьше- нию массогабаритных показателей и повышению долговечности. Представляет интерес разработка новых усовершенствованных конструкций тепло- обменников, которые обладают улучшенными энергетическими, массогабаритными и ценовы- ми характеристиками по сравнению с имеющи- мися аналогами. Актуальность исследования, анализ послед- них исследований и публикаций. Кожухотрубные теплообменные аппараты (ТА), нашли широкое применение в промышленности, энергетике и транспорте, благодаря простоте конструкций, малому гидравлическому сопротивлению, до- статочно высокой эффективности и долговечно- сти. Повышение их эффективности напрямую зависит от геометрии и компоновки основно- го элемента таких теплообменников – трубного пучка. Известно, что для кожухотрубных тепло- обменников максимальная теплоотдача в труб- ных пучках наблюдается при перекрестном токе теплоносителей, т. е. при поперечном обтекании таких пучков. Результаты исследований гидро- динамики и теплообмена пучков труб (с труба- ми традиционного круглого сечения), достаточно широко изложены в монографии [1]. Опублико- вано значительное количество работ, посвящен- ных исследованиям гладкотрубных пучков с при- менением труб удобообтекаемой формы [2, 3], а также с различной геометрией и компоновкой в пучках [4-6]. В то же время количество работ посвященных исследованиям процессов гидро- динамики и тепло- массопереноса в компактных гладкотрубных пучках, в частности, с трубами малого диаметра, которые образуют ряды с ми- нимальными межтрубными интервалами, весьма незначительно. Цель работы состоит в численном моделиро- вании и экспериментальном исследовании про- цессов теплообмена и гидродинамики, протека- ющих в каналах компактных пучков труб малого диаметра и выполнении их сравнительного ана- лиза с пучками труб известных компоновок. Экспериментальное оборудование. Для про- ведения исследований создана эксперименталь- ная когенерационная установка с утилизатором теплоты отработанных газов новой конструкции ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №5 23 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ [7], который установлен на линии газовыпуск- ного тракта поршневого двигателя внутреннего сгорания марки 3Д6 (6Ч15/18) (рис. 1). При про- ведении экспериментов сбор и обработка дан- ных измеряемых параметров осуществляется с помощью автоматизированного компьютерного комплекса, в основу которого, положено измери- тельное оборудование и приспособления пред- приятий «Регмік» и «Овен». Поверхность нагрева исследуемого ТА имеет следующие характеристики: диаметр и толщина гладких труб – d×δ = 0,010×0,001 м; эквивалент- ный диаметр межтрубного канала – Dкан.экв = 9,67 мм; длина труб – l = 0,150 м; эквивалентный диа- метр кожуха – Dкож.экв.= 0,150 м; суммарная для двух тепловоспринимающих участков поверх- ность нагрева – Н = 1,602 м Принципиальная схема и общий вид экспери- ментальной установки приведены на рис. 1. Рис. 1. Принципиальная схема и общий вид экспериментальной установки: 1 – электронные весы; 2 – мерная емкость; 3 – топливный бак; 4 – топливный насос высокого давления (ТНВД); 5 – коллектор отработанных газов; 6 – утилизатор теплоты отработанных газов (ОГ); 7 – автоматизированный компьютерный комплекс измерительного оборудования и приспособлений; 8 – форсунки; 9 – поршневой двигатель внутреннего сгорания; 10 – коллектор впускного воздуха; 11 – реверс-редуктор; 12 – нагрузочное устройство «гидравлический тормоз»; G, T, P – расход, температура и давление теплоносителей в утилизаторе теплоты. Экспериментальные исследования для раз- работанного ТА проводились для пяти режимов работы двигателя при частоте вращения колен- чатого вала 600, 800, 1000, 1200 и 1500 об/мин. В результате изменения режимов работы дви- гателя изменялся расход отработанных газов G1 = 0,218÷0,328 кг/с, интервал значений чисел Рейнольдса Re при этом варьировался в диапазо- не 3000÷6000. Расход воды выбирался постоян- ным и был равен G2 = 0,175 кг/с. Численное моделирование Для когенерационной установки на базе дви- гателя внутреннего сгорания с утилизатором теплоты – ТА новой конструкции проведено компьютерное моделирование процессов гидро- динамики и теплообмена, протекающих в каналах исследуемых пучков труб с целью получения ло- кальных распределений поля скоростей, темпера- тур и давлений, а также получения зависимостей теплообменных характеристик от динамических и теплофизических параметров теплоносителя, в том числе локальных распределений коэффи- циентов теплоотдачи по окружности труб 1-4- го рядов первого пучка. Геометрия исследуемо- го канала с компактным расположением пучков труб приведена на рис. 2, который имеет следу- ющие геометрические характеристики: произ- ведение поперечного и продольного шага труб Sа×Sb = 0,15×0,10 м; диаметр труб d = 0,010 м; количество труб в ряду i = 42 штуки; пучки труб состоят из j = 9 рядов, а общее количество труб в пучках составляет z = 378 штук, причем пучки ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №524 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ разделены между собой технологическим зазо- ром, как показано на рис. 2. Численное модели- рование процессов теплообмена и гидродинами- ки в исследуемых пучках труб проводилось на основе метода конечных элементов с помощью программного пакета ANSYS Fluent. Математи- ческая модель процессов тепло- и массоперено- са, которые протекают в исследуемом аппара- те при двухмерной (2D) постановке включает в себя систему уравнений Навье-Стокса, уравне- ние переноса энергии для конвективных течений [8] и стандартную k-ε модель турбулентности [9]. Уравнения конвективного переноса массы и энергии имеют вид:                                                                        y w yx w xy p y w w x w w w y w yx w xx p y w w x w w w y ef y ef y y y x y x ef x ef x y x x x         , , 0         y w x w yx    ;                              y t ycx t xcy tw x twt ef p ef p yx     11 . (1) (2) Рис. 2. Геометрия канала с компактным расположением пучка труб. Для моделирования турбулентного течения используется двухпараметрическая стандартная модель, которая состоит из двух дифференциаль- ных уравнений переноса кинетической энергии и скорости диссипации. .3.1,1,92.1,44.1,09.0 ,,,, , , 21 2 2 21                                                                                                   k j i i j i x ktteftef k efef yx k k ef k ef yx ccc x w x w x w G kc де k c k Gc yyxxy w x w G y k yx k xy kw x kwk ) (3) Краевые условия имеют вид sСТsiiinii ttxxwwxww  ,0)(,)0(,0)0( СТ . (4) Численные расчеты в исследуемых пучках труб проведены для пяти режимов работы двига- теля при частоте вращения коленчатого вала n 600, 800, 1000, 1200 и 1500 об/мин. Результаты расче- тов для режима работы 1500 об/мин приведены на рис. 3, а-c. Распределение поля скоростей в кана- лах трубных пучков представлено на рис. 3а. Зна- чение средней скорости ОГ в наиболее узком по- перечном сечении канала составляет 37 2 м/с (рис. 3, а). На рис. 3, b и 3, c показано температурные распределения и изменение давления в потоке ОГ, протекающих по каналам трубных пучков. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №5 25 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ Рис. 3. a – скорость отработанных газов в каналах пучков труб, м/с; b – изменение температуры в каналах пучков труб, оС; c – перепад давления в каналах пучков труб, Па. Как видно из рисунка 3, b газы, выходящие из боковых каналов между корпусом и пучками, об- ладают более высокими температурами по срав- нению с газами, выходящими из каналов пучка, что указывает на наличие байпасной протечки га- зов между трубным пучком и корпусом аппарата. В результате численного моделирования по- лучены локальные распределения коэффициента теплоотдачи по окружности труб 1-4-го попереч- ных рядов первого пучка для каждого из пяти ре- жимов работы двигателя (рис. 4 для n = 1500 об/ мин). ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №526 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ Рис. 4. Распределение локальных коэффициентов теплоотдачи αm/αср на поверхности первых четырех труб продольного ряда исследуемого пучка с относительным поперечным и продольным шагом a×b = 1,5×1,0 при Re = 6044; Pr = 0,692 (n = 1500 об/мин) и аппроксимирующей полиномиальной функции распределения относительного коэффициента теплоотдачи αm/αср на поверхности труб 3-7-го рядов коридорного пучка при Re = 14000 [10]. Анализ результатов исследований. Сравне- ние интенсивности теплоотдачи для труб 1-4-го поперечных рядов первого пучка для пяти уста- новленных режимов работы двигателя проводи- лись на основе полученных численных данных о локальных распределениях коэффициентов те- плоотдачи на их поверхности. На рис. 4 показано распределение локальных значений коэффициента теплоотдачи по периме- тру для труб 1-4-го ряда в направлении потока (первый трубный пучок), представленных в без- размерной форме αm/αср , где αср – усредненное значение коэффициента теплоотдачи по периме- тру трубы. Локальные распределения, получены для каждого из пяти режимов работы двигателя и, кроме того, выполнено сравнение полученных результатов с результатами известных исследо- ваний для коридорного расположения трубных пучков. Анализ полученных распределений показы- вает, что локальные максимумы коэффициента теплоотдачи наблюдаются для труб 1-го ряда вблизи лобовой точки натекания потока, а для труб 2-4 рядов в областях присоединения потока к поверхности труб. В области отрывных течений локальные значения αm/αср существенно меньше, что обусловлено небольшими значениями скоро- сти потока в отрывных зонах и наличием застой- ных зон гидродинамического течения. Сравнение локальных значений коэффици- ента теплоотдачи для исследуемого компактного пучка труб и пучка с коридорным их располо- жением показывает, что при компактном распо- ложении труб величина и количество локальных максимумов больше по сравнению с коридорным их расположением, что в конечном итоге приво- дит к улучшению интегральных теплообменных характеристик пучка. Интенсификация теплообмена в пучках с компактным расположением труб по сравнению с коридорным пучком достигается влиянием на условия теплообмена нескольких факторов: 1) уменьшением диаметра труб, что приводит к сокращению длины зон формирования погранич- ного слоя на поверхности труб в области при- соединения внешнего потока к их поверхности; 2) уменьшением межтрубного расстояния (шага) между соседними рядами труб, что приводит к ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №5 27 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ увеличению скорости внешнего потока при оди- наковом расходе теплоносителя в теплообменных аппаратах известных конструкций; 3) большей турбулизацией внешнего потока в межтрубных каналах, что интенсифицирует теплообмен на об- текаемой поверхности; 4) созданием продольных знакопеременных градиентов давления, что так- же приводит к интенсификации теплообменных процессов (аналог каналов с переменным сече- нием или «гофрированных» каналов типа диффу- зор-конфузор). Для исследуемых пучков значение коэффи- циента теплоотдачи αср на участках присоединен- ного течения существенно больше значений αср на участках отрывного течения. При этом макси- мальное значение относительного коэффициента теплоотдачи 2-4-го рядов труб αm/αср на участках присоединенного течения (при Re = 6044) превы- шает на 0,46 (29 %) максимальное значение αm/αср для 3-7-го рядов труб коридорного пучка (при Re = 14000). Причем у исследуемого пучка мак- симумов αm/αср больше вдвое, которое обуслов- лено уменьшением длины формирования погра- ничного слоя на трубах малого диаметра, что в конечном результате повышает интенсивность процесса теплообмена. Этот фактор конструктив- но обеспечивается «гофрированностью» канала, т. е. последовательным чередованием участков сужения и расширения вдоль канала. При этом относительный коэффициент теплоотдачи выше в местах сужения канала, чем в местах его рас- ширения. Течение и теплообмен в разработанных пучках организуется следующим образом. При попереч- ном обтекании рядов труб возникают отрывные течения в угловых зонам между соседними труба- ми. Оторвавшийся от поверхности цилиндра по- ток, который формируется между точками поверх- ности при угле по окружности трубы φ = 75º и φ = 290º, присоединяется к поверхности низлежащего цилиндра в точках при угле по окружности трубы φ = 110º и φ = 255º (рис. 3, а). Возникшая застойная зона между трубами испытывает периодические воздействия поперечных пульсаций давления. Из этой области периодически, с определенной ча- стотой, выбрасывается масса теплоносителя, вза- имодействие которой с основным потоком приво- дит к турбулизации течения. При наличии соприкосновения соседних труб, которое используется в компоновке ком- пактного пучка, как известно на примере двух соприкасающихся труб (тандеме) [1, 11, 12] су- щественно уменьшает аэродинамическое сопро- тивление трубного пучка, поскольку расположен- ные один за другим цилиндры обтекаются без возникновения крупномасштабных вихрей, кото- рые образуются, например, при обтекании труб с коридорным расположением. Результаты исследований течения и тепло- обмена в пучках труб ТА новой конструкции оценивались путем сравнения полученных экс- периментальных данных с результатами числен- ного моделирования и известными эксперимен- тальными данными, которые получены другими исследователями. Результаты исследований представлены в виде графических зависимостей на рис. 5-7 для чисел Рейнольдса в диапазоне Re = 3000 ÷ 6000 и числа Прандтля Pr = 0,73. На рис. 5 приведены зависимость безраз- мерной температуры отработанных газов θ (а) и безразмерного количества теплоты Q/Qmax (b) от частоты вращения коленчатого вала двигателя n. На рис. 6, a и 6, b представлены зависимости числа Эйлера и перепада давления отработанных газов от числа Рейнольдса. На рис. 7, a представлена зависимость усред- ненного по поверхности коэффициента α тепло- отдачи от числа Рейнольдса Re. Как следует из рисунка, возрастание скорости потока отработан- ных газов в 2 раза приводит к росту α в 1,8 раза. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных показывает, что погрешность, получен- ная при численном моделировании, не превыша- ет 5 %. На рис. 7, b приведена экспериментально найденная зависимость усредненного по поверх- ности числа Нуссельта uN от числа Рейнольдса Re. Как видно из рисунка, для полученной зави- симости в области больших чисел Рейнольдса наблюдается более быстрый рост числа Нуссель- та. На рис. 7 приведена также экспериментальная зависимость uN = f(Re), полученная для кори- дорного пучка труб в работах А.А. Жукаускаса, И.А. Белова и Н.А. Кудрявцева [1, 11]. Сопостав- ление показывает, что при тех же значениях чис- ла Рейнольдса интенсивность теплообмена для ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №528 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ a) b) Рис. 5. Зависимость безразмерной температуры отработанных газов θ (a) и безразмерного коли- чества теплоты Q/Qmax (b) от частоты вращения коленчатого вала двигателя n: ♦ – экспериментальные данные для компактного пучка труб; ■ – результаты численного моделирования. a) b) Рис. 6. Зависимость числа Эйлера Eu (а) и перепада давления Δр (b) отработанных газов от числа Рейнольдса Re: ♦ – экспериментальные данные для компактного пучка труб; ■ – результаты численного моделирования. a) b) Рис. 7. Зависимость усредненного по поверхности коэффициента теплоотдачи α (а) и среднего числа Нуссельта uN (b) от числа Рейнольдса Re: ♦ – экспериментальные данные для компактного пучка труб; ▲– экспериментальные данные для коридорного пучка труб; ■ – результаты численного моделирования. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №5 29 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ компактного пучка труб малого диаметра почти в 2 раза превышает интенсивность теплообмена на поверхности коридорного пучка труб. Исходя из результатов экспериментальных исследований показано, что предложенная кон- струкция ТА с компактным трубным пучком име- ет высокую эффективность, которая существенно превышает тепловую эффективность кожухо- трубного теплообменника с традиционной кори- дорной компоновкой труб. Расчеты показывают, что теплообменные аппараты новой конструкции имеют габаритные размеры на 50 % и массу на 10 % меньше по сравнению с теплообменными аппаратами известных конструкций. Выводы 1. Проведено компьютерное моделирование процессов тепло- и массопереноса в каналах предельно сжатых поперечно обтекаемых глад- котрубных пучков коридорной компоновки при отсутствии зазора между соседними трубами в направлении движения теплоносителя при по- мощи программного комплекса ANSYS Fluent. Получены поля скоростей, температур и давле- ний в исследуемых каналах, проанализировано условия гидродинамического течения в них и проведена оценка интенсивности теплопереноса между теплоносителями через стенку, которая их разделяет. 2. Получены экспериментальные данные про- цессов, протекающих в каналах исследуемого пучка, которые представлены в виде зависимо- стей теплообменных характеристик для сжатых пучков труб от динамических и теплофизических параметров теплоносителей. 3. Определено, что максимальное значение относительного коэффициента теплоотдачи на поверхности труб 2-4-го рядов αm/αср на участках присоединенного течения (при Re = 6044) пре- вышает на 0,46 (29 %) максимальное значение αm/αср для труб 3-7-го рядов при коридорной ком- поновке пучков (при Re = 14000). Показано, что у исследуемого пучка максимумов αm/αср примерно в 2 раза больше по сравнению с коридорным пуч- ком, что обуславливает увеличение суммарного коэффициента теплообмена для пучков новой конфигурации. 4. Проведен сравнительный анализ резуль- татов численного моделирования и экспери- ментальных данных для каналов с компактным размещением пучков труб. Показано, что раз- работанная конструкция является достаточно эффективной при относительно малом гидрав- лическом сопротивлении и имеет улучшенные массогабаритные показатели теплообменной по- верхности при одинаковой тепловой мощности теплообменников. 5. Предложена компактная конструкция те- плообменного трубного пучка, которая обладает высокой эффективностью, малым аэродинамиче- ским (1225 Па) и гидравлическим сопротивлени- ем (400 Па), при значениях числа Нуссельта на поверхности исследуемого пучка, которые при- мерно в 2 раза превышают их значения для пучка с коридорной компоновкой труб. ЛИТЕРАТУРА 1. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. – Москва: Наука, 1982. – 472 с. 2. Письменный Е.Н., Кондратюк В.А., Жукова Ю.В., Терех А.М. Конвективный теплообмен по- перечно-омываемых шахматных пакетов плоско- овальных труб // Восточно-европейский журнал передовых технологий. – 2011. – 2/8 (50). – С. 4-8. 3. Pis’mennyi, E.N. Ways for Improving the Tubular Heaters Used in Gas Turbine Units // Thermal Engineering. – 2012. – Vol. 59, Issue 6. – P. 485–490. 4. Анисин А.А. Повышение энергетической эффективности пучков гладких труб и профили- рованных каналов для газо-жидкостных тепло- обменных аппаратов энергетических установок: автореферат диссертации на соискание степе- ни доктора техн. наук: 05.14.04 /А.А. Анисин; Санкт-Петербургский государственный политех- нический университет. – СПб.: 2009. – 42 с. 5. Пронин В.А., Дозорцев А.В., Тырин В.Е. Гидродинамика и теплообмен в межтрубных ка- налах гладкотрубных пучков коридорно-диффу- зорного типа // Труды четвертой Российской На- циональной конференции по теплообмену: В 8 томах. Т.6. Дисперсные потоки и пористые сре- ды. Интенсификация теплообмена. – М., 2006. – С. 285-288. 6. Пронин В.А. Компоновки трубных пучков и синтез конвективных поверхностей теплообмена ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №530 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ с повышенной энергоэффективностью: авторе- ферат диссертации на соискание степени доктора техн. наук: 01.04.14 / В.А. Пронин; Московский энергетический институт. – М.: 2008. – 40 с. 7. Патент UA 104559, F28D 7/00 (2014.01). Теплообмінний апарат / Горобець В.Г., Богдан Ю.О.; заявник Горобець В.Г., Богдан Ю.О. - № а 201303816; заявл. 27.03.2013; опубл. 10.02.2014, Бюл. №3, 2014 р. – 2 с: іл.. 8. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. – М.: Наука, 1974. – 712 с. 9. ANSYS FLUENT Theory Guide. Release 14. ANSYS, Inc. Southpointe 275 Technology Drive Canonsburg, PA 15317, 2011. – 826 р. 10. Кулинченко В.Р. Справочник по теплооб- менным расчетам. – К.: Тэхника, 1990. – 165 с. 11. Белов И.А., Кудрявцев Н.А. Теплопередача и сопротивление пакетов труб. – Л.: Энергоато- миздат, – 1987. – 223 с. 12. Идельчик И.Е. Справочник по гидравли- ческим сопротивлениям. – М.: Машинострое- ние, 1992. – 672 с. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №5 31 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ NUMERICAL MODELING AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF HEAT EXCHANGE AND HYDRODYNAMICS PROCESS IN HEAT EXCHANGER OF NEW DESIGN Gorobets V.G.1, Bohdan Yu.O.2, Trohanyak V.I.1 1 National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, Heroyiv Oborony st., 15, Kyiv, 03041, Ukraine 2 Kyiv State Maritime Academy named after hetman Petro Konashevich-Sahaydachniy, Kyrilivska str., 9, Kyiv, 04071, Ukraine In this paper, the computer numerical modeling and experimental investigation of heat and hydrodynamic characteristics of compressed round tube bundle for heat exchangers of new design are presented. Comparative analysis of obtained results with the results of known experimental investigation for smooth tube banks of inline arrangements are realized. Comparison of the results of numerical modeling of compressed round tube bundle with results of finished experiment and known experimental data for round tube bundle of convention inline geometry, confirms the adequacy of modeling and almost double the increase in the thermal efficiency of the investigated compressed round tube bundle with a relatively small change in the total aerodynamic resistance. References 12, fig. 7. Key words: heat exchange, hydrodynamics, tube bundle, numerical modeling, experiment 1. Zhukauskas А.А. Convective heat transfer in heat exchangers. – Moscow: Nauka, 1982. – 472 p. (Rus.) 2. Pis’mennyi, E.N., Kondratyk V.A., Zhukova Yu.V., Tereh A.M. Convective heat exchange of cross- washing straggle packs of flat-oval tubes // Eastern- European Journal of Enterprise Technologies. – 2011. – 2/8 (50). – P. 4-8. (Rus.) 3. Pis’mennyi, E.N. Ways for Improving the Tubular Heaters Used in Gas Turbine Units // Thermal Engineering. – 2012. – Vol. 59, Issue 6. – P. 485–490. 4. Anisin A.A. Increase of energy efficiency of smooth tube bundles and profile channels for gas- liquid heat exchangers for power plants: abstract of thesis for the degree of doctor of technical science on the speciality: 05.14.04 /A.A. Anisin; Peter the Great Saint-Petersburg Polytechnic University. – Saint- Petersburg: 2009. – 42 p. (Rus.) 5. Pronin V.A., Dozortsev A.V., Tyirin V.E. Hydrodynamic and heat transfer in tube channels of smooth tube bundles of inline-diffuser type // Transactions of the fourth Russian National heat exchange conference: In 8th volumes. Vol.6. Dispersed flows and porous mediums. Heat exchange intensification. – Moscow, 2006. – P. 285-288. (Rus.) 6. Pronin V.A. Arrangements of tube bundles and synthesis of convective heat surfaces with increased energy efficiency: abstract of thesis for the degree of doctor of technical science on the speciality: 01.04.14 / V.A. Pronin; Moscow Power Engineering Institute. – M.: 2008. – 40 p. (Rus.) 7. Patent UA 104559, F28D 7/00 (2014.01). Heat exchanger / Horobets' V.H., Bohdan Yu.O.; zayavnyk Horobets' V.H., Bohdan Yu.O. - № a 201303816; zayavl. 27.03.2013; opubl. 10.02.2014, Byul. №3, 2014 year. – 2 p: il.. (Ukr.) 9. ANSYS FLUENT Theory Guide. Release 14. ANSYS, Inc. Southpointe 275 Technology Drive Canonsburg, PA 15317, 2011. – 826 р. 10. Kulinchenko V.R. Reference book to heat transfer calculation. – К.: Tehnika, 1990. – 165 p. (Rus.) 11. Belov I.A., Kudryavtsev N.A. Heat transfer and resistance of tube packs. – Leningrad: Energoatomizdat, – 1987. – 223 p. (Rus.) 12. Idel’chik I.E. Reference book to hydraulic resistance. – М.: Mashinostroenie, 1992. – 672 p. (Rus.) Получено 15.09.2016 Received 15.09.2016

Численное моделирование и экспериментальное исследование процессов гидродинамики и теплообмена в теплообменных аппаратах новой конструкции

Institution

Ähnliche Einträge