Повышение эффективности компактных теплообменников с помощью оребрения | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 5 февраля, печатный экземпляр отправим 9 февраля.

Опубликовать статью в журнале

Авторы: ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №25 (263) июнь 2019 г.

Дата публикации: 21.06.2019

Статья просмотрена: 22 раза

Библиографическое описание:

Маслов, Н. А. Повышение эффективности компактных теплообменников с помощью оребрения / Н. А. Маслов, А. А. Цынаева. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2019. — № 25 (263). — С. 131-135. — URL: https://moluch.ru/archive/263/60963/ (дата обращения: 28.01.2022).



В связи с большой популярностью применения теплообменных аппаратов, появляется необходимость в их совершенствовании. Одним из главных показателей является эффективность теплообменника, которая выражается в первую очередь в высокой эффективности теплообмена. Добиться повышения эффективности теплообмена можно с помощью различных манипуляций. Одной из самых распространенных является применение интенсификаторов, одним из которых является оребрение на стенках канала. В данной работе оребрение рассматривается на плоском канале. Модель канала была выбрана по типу каналов, применяемых в регенераторах с непосредственной теплопередачей для газотурбинных установок, работающих по открытому циклу. Геометрические размеры плоского канала и параметры рабочей среды, приняты, как в примере, предложенном авторами пособия [1].

Канал представляет собой прямоугольный параллелепипед шириной 229 мм, длиной 1830 мм и высотой 6.35 мм. На стенках по всей длине расположены прямоугольные ребра: ширина ребра — 3 мм, высота — 1.5 мм (рис.1). Для выполнения работы была построена расчетная область в соответствии со схемой канала. Моделирование осуществлялось на бесплатной облачной платформе [2].

Рис. 1. Геометрия плоского канала а) без ребер; б) с ребрами

Численное моделирование проводилось в облачном сервисе [3]. Была выбрана модель для несжимаемого газового потока в стационарной постановке с использованием модели турбулентности k-omega SST.

Математическая модель включала:

– уравнения движения и сохранения импульса Навье-Стокса;

– уравнение сохранения энергии в стационарной постановке;

– уравнение состояния.

Для моделирования каналов было создано две расчетных сетки типа Hex-dominant (only CFD) в режиме Moderate (рис.2). Общее количество трехмерных элементов сетки составило 236224 для канала без ребер и 401744 для канала с ребрами соответственно.

Рис. 2. Расчетная сетка для канала а) без ребер; б) с ребрами

В качестве рабочего тела был использован воздух. Плотность среды составила 1.2 кг/м3. В начальный момент времени были заданы следующие параметры турбулентности: турбулентная кинетическая энергия k=0.00375, м2/с2 и интенсивность рассеивания ῲ=3.375 1/c.

Заданные граничные условия представлены на рис.1:

– Вход: давление — 910 Па, температура — 448 К.

– Выход: давление — 0 Па.

– Стенки: начальная температура — 293 К, удельный тепловой поток — 88.8 Вт/м2.

Параметры расчета: величина временного шага, – 1 с; количество итераций, N — 30000; интервал сохранения — 200 с; количество расчетных процессов, n — 8.

Анализ итерационной сходимости решения проводился на основании значений невязок при решении основных уравнений математической модели. Полученная динамика невязок (рис.3) свидетельствует о стабилизации решения после 200-го шага в канале без лунок и 300-го шага в канале с лунками.

Рис. 3. Динамика невязок в канале а) без ребер; б) с ребрами

Обработка результатов численного моделирования проводилась в бесплатной программе [4], распространяемой по свободной лицензии, в модуле визуализации ParaView. Были использованы параметры температуры на стенке канала и параметры скорости и температуры в центре потока. С помощью численного моделирования был получен профиль скорости (рис.4).

Рис. 4. Профиль скорости

Затем, используя эти данные, были найдены значения α и St, по формулам:

α = Q/ΔT и St = α/(V·ρ·cp),

где Q — удельный тепловой поток, Вт/м2; ΔT — разница температур на стенке канала и в центре потока, К; V — скорость воздуха, м/с; ρ — плотность воздуха, кг/м3; cp — удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг·К).

Полученные значения α и St были отражены на графической зависимости по длине канала (рис.5).

Рис. 5. Графики α и St по длине канала а) без ребер; б) с ребрами

На графиках наблюдаются небольшие скачки. Это связано с неравномерным распределением температуры стенок на входе в канал.

Чтобы сравнить гидравлические потери напора в каналах, необходимо определить значения коэффициентов сопротивления ξ и Сfp. Для этого воспользуемся следующими формулами:

и ,

где ∆р — перепад давления в потоке, Па; l — длина канала, м; d — диаметр канала, м; ρ — плотность воздуха, кг/м3; — средняя скорость воздуха в потоке, м/с.

Затем, для сравнения, строим графики зависимости полученных значений по длине канала (рис.6).

Рис. 6. Графики зависимости Cfp по длине канала а) без ребер; б) с ребрами

График расположен в отрицательной шкале графика.

Рис. 7. St/ξ по длине канала а) без ребер; б) с ребрами

Характер кривых совпадает с кривыми на графике рис. 5.

Литература:

  1. Кэйс В. М., Лондон А. Л. Компактные теплообменники, М.: Энергия, 1967, ст. 208.
  2. Электронный ресурс. Onshape. Home page. URL: https://www.onshape.com/
  3. Электронный ресурс. SimScale. Home page. URL: https://www.simscale.com/
  4. Salome Platform. Home page. URL: http://www.salome-platform.org/
Основные термины (генерируются автоматически): длина канала, ребро, канал, плоский канал, стенка канала, численное моделирование, CFD, математическая модель, стационарная постановка, удельный тепловой поток.


Похожие статьи

Численное моделирование теплообмена в канале с градиентом...

Разработана численная прямоугольного канала с конфузорной секцией и проведена ее

Постановка задачи. Расчетная область состоит из плоского рабочего канала длиной 1,2м.

По результатам моделирования обработав данные по параметрам потока был вычислен...

О точном решении задачи движения вязкой сжимаемой жидкости...

Найдено точное решение одной модели движения жидкости в канале прямоугольной формы. Это решение может быть использовано для проверки работоспособности численных алгоритмов. Постановка задачи о стационарном течении вязкой сжимаемой жидкости в...

Разработка методики уточнения одномерных моделей на основе...

Система уравнений, составляющих математическую модель физических процессов происходящих в камере, решается численными методами (методы конечных элементов, конечных объемов, конечных разностей). Для задач газовой динамики наиболее...

Об устойчивости неизотермического микроконвективного течения...

Пусть жидкость заполняет плоский вертикальный канал ширины 2a (рис. 1). Границы канала – неподвижные твердые стенки.

Известно, что плоские течения в вертикальном слое реализуются, если величина теплового потока не зависит от z, а компонента скорости .

канала обуславливает существенную интенсификацию...

Закрутка потока в каналах может обеспечиваться не только специально предназначенными для этого закручивающими устройствами, такими, как

Здесь: * — текущее значение угла закрутки потока около поверхности канала. Э. Волчков и С. Спотарь исследовали локальную...

Эйлеровы методы моделирования потоков со свободной...

Численное моделирование нестационарных турбулентных течений жидкости со свободной

Н а первом этапе моделирования осуществляется построение геометрии, генерация сетки и задание.

Рассмотрим модуль, решающий совместно электромагнитную и тепловую задачи...

Математическая модель расчета двухтактных двигателей...

Среди многочисленных схем газообмена легких двухтактных двигателей, наибольшее распространение получила кривошипно-камерная продувка. Двухтактные двигатели с данным типом продувки применяются на мотоциклах, снегоходах, бензопилах...

Математическое моделирование тепловых полей при...

Библиографическое описание: Давыдова М. Ю. Математическое моделирование тепловых полей при индукционно-резистивном

где с1, с2, с3 — удельная теплоемкость материала индукционно-резистивном нагревателя, материала нефтепровода и нефти соответственно, Дж...

Разработка математической модели канала связи с белым...

Введение. В данной статье выполняется разработка математической модели канала связи с белым Гауссовым шумом соответствующей заданным критериям. Предложенная математическая модель апробируется в задачах моделирования каналов связи с...

Похожие статьи

Численное моделирование теплообмена в канале с градиентом...

Разработана численная прямоугольного канала с конфузорной секцией и проведена ее

Постановка задачи. Расчетная область состоит из плоского рабочего канала длиной 1,2м.

По результатам моделирования обработав данные по параметрам потока был вычислен...

О точном решении задачи движения вязкой сжимаемой жидкости...

Найдено точное решение одной модели движения жидкости в канале прямоугольной формы. Это решение может быть использовано для проверки работоспособности численных алгоритмов. Постановка задачи о стационарном течении вязкой сжимаемой жидкости в...

Разработка методики уточнения одномерных моделей на основе...

Система уравнений, составляющих математическую модель физических процессов происходящих в камере, решается численными методами (методы конечных элементов, конечных объемов, конечных разностей). Для задач газовой динамики наиболее...

Об устойчивости неизотермического микроконвективного течения...

Пусть жидкость заполняет плоский вертикальный канал ширины 2a (рис. 1). Границы канала – неподвижные твердые стенки.

Известно, что плоские течения в вертикальном слое реализуются, если величина теплового потока не зависит от z, а компонента скорости .

канала обуславливает существенную интенсификацию...

Закрутка потока в каналах может обеспечиваться не только специально предназначенными для этого закручивающими устройствами, такими, как

Здесь: * — текущее значение угла закрутки потока около поверхности канала. Э. Волчков и С. Спотарь исследовали локальную...

Эйлеровы методы моделирования потоков со свободной...

Численное моделирование нестационарных турбулентных течений жидкости со свободной

Н а первом этапе моделирования осуществляется построение геометрии, генерация сетки и задание.

Рассмотрим модуль, решающий совместно электромагнитную и тепловую задачи...

Математическая модель расчета двухтактных двигателей...

Среди многочисленных схем газообмена легких двухтактных двигателей, наибольшее распространение получила кривошипно-камерная продувка. Двухтактные двигатели с данным типом продувки применяются на мотоциклах, снегоходах, бензопилах...

Математическое моделирование тепловых полей при...

Библиографическое описание: Давыдова М. Ю. Математическое моделирование тепловых полей при индукционно-резистивном

где с1, с2, с3 — удельная теплоемкость материала индукционно-резистивном нагревателя, материала нефтепровода и нефти соответственно, Дж...

Разработка математической модели канала связи с белым...

Введение. В данной статье выполняется разработка математической модели канала связи с белым Гауссовым шумом соответствующей заданным критериям. Предложенная математическая модель апробируется в задачах моделирования каналов связи с...

Задать вопрос