Визначення розподілу полів температур в конструкційних елементах кожухотрубних теплообмінників за допомогою сукупності аналітичних та чисельних теплогідравлічних розрахунків
DOI:
https://doi.org/10.15587/2706-5448.2020.221579Ключові слова:
кожухотрубний теплообмінник, теплогідравлічні розрахунки, термонапружений стан, розрахунок температурних полів, скінченні елементиАнотація
Об’єктом дослідження є чисельні та аналітичні теплогідравлічні розрахунки кожухотрубного теплообмінника зворотньоточного типу. Для визначення термонапруженого стану теплообмінників виконуються розрахунки температурних полів їх елементів. В той же час, виконання чисельних теплогідравлічних розрахунків теплообмінника, який має велику кількість теплообмінних трубок, є нетривіальним завданням. Дане твердження викликано тим, що розрахункова модель буде містити велику кількість скінченних елементів. Складності при виконанні даних розрахунків можуть виникати при використанні електронних обчислювальних машин з обмеженими технічними можливостями. Такі розрахунки можуть зайняти досить тривалий час, або взагалі не виконатись.
Запропоновано підхід для визначення розподілу полів температур в окремих елементах теплообмінника. Даний підхід полягає в поєднанні аналітичних та чисельних теплогідравлічних розрахунків окремих елементів теплообмінника та тіл середовищ, що контактують з ними. Це дозволяє скоротити час та розрядність виконання розрахунків.
Для валідації вищезазначеного підходу побудовано дві розрахункові моделі кожухотрубного теплообмінника зворотньоточного типу. У якості першої розрахункової моделі виконувалася побудова всього корпусу теплообмінника, з врахуванням тіл його середовищ трубного та міжтрубного простору. Для даної моделі виконано тільки чисельні теплогідравлічні розрахунки. У якості другої розрахункової моделі будувалася частина теплообмінника, з врахуванням всіх тіл середовищ, що належать до неї. За допомогою аналітичних теплових розрахунків визначалися значення температур на вході в міжтрубний та трубний простори другої розрахункової моделі. В подальшому результати, отримані аналітичним шляхом, слугували в якості граничних умов для виконання чисельних теплогідравлічних розрахунків.
У результаті виконаних розрахунків зроблено порівняння отриманих результатів розподілу полів температур у вищезазначених розрахункових моделях. На основі аналізу отриманих результатів зроблено висновок щодо можливості використання комбінованого методу (поєднання аналітичних та чисельних теплогідравлічних розрахунків) визначення температурних полів в окремих елементах теплообмінників.
Посилання
- Renze, P., Akermann, K. (2019). Simulation of Conjugate Heat Transfer in Thermal Processes with Open Source CFD. ChemEngineering, 3 (2), 59. doi: http://doi.org/10.3390/chemengineering3020059
- Abbasian Arani, A. A., Uosofvand, H. (2019). Improving shell and tube heat exchanger thermohydraulic performance using combined baffle. International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, 30 (8), 4119–4140. doi: http://doi.org/10.1108/hff-06-2019-0514
- Hemanth, M., Mulabagal, S. (2017). CFD analysis of shell and tube heat exchanger with and without baffles by using nano fluids. International Journal of Emerging Technologies and Innovative Research, 4 (12), 25–31.
- Petrik, M., Szepesi, G. L. (2018). Shell Side CFD Analysis of a Model Shell-and-Tube Heat Exchanger. Chemical engineering transactions, 70, 313–318. doi: http://doi.org/10.3303/CET1870053
- Heat Transfer Optimization of Shell-and-Tube Heat Exchanger through CFD Studies (2011). Goteborg: Chalmers University of Technology, 39.
- Zenkevich, O. (1975). The finite element method in technology. Moscow: Mir Publishing House, 541.
- Menter, F. R. (1997). Eddy Viscosity Transport Equations and Their Relation to the k-ε Model. Journal of Fluids Engineering, 119 (4), 876–884. doi: http://doi.org/10.1115/1.2819511
- Menter, F. R. (1994). Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal, 32 (8), 1598–1605. doi: http://doi.org/10.2514/3.12149
- Belov, I. A. (2001). Modeling turbulent flows. Saint Petersburg: BSTU, 107.
- Florea, O., Smigelsky, O.; Kagan, S. Z. (Ed.) (1971). Calculations for processes and devices of chemical technology. Moscow: Chemistry, 448.
- Kern D. (1950). Process Heat Transfer. McGraw-Hill, 871.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2020 Tymofii Pyrohov, Alexander Korolev
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.
