Оптимізація окремих конструкцій компактного пучка труб малого діаметру з використанням cfd моделювання
DOI:
https://doi.org/10.31548/energiya2022.05.034Анотація
Пучки гладких циліндричних труб з шаховим і коридорним розташуванням широко використовуються в різних теплообмінних апаратах та пристроях енергетичних установок. Поверхні такого типу, які використовуються у відомих конструкціях кожухотрубних теплообмінниках, мають велику масу і габарити. У дослідженні запропоновано нову конструкцію кожухотрубного теплообмінника з використанням компактних пучків туб малого діаметра, що суттєво покращило його масогабаритні показники.
Проведено оптимізацію розташування труб в трубному пучку з використанням програмного пакету ANSIS FLUENT. Планування типу кількості CFD моделей проводилося за методом «Латинського дизайну вибірки Гіперкуба» з використанням програмного забезпечення ANSYS DesignXplorer.
Як змінні параметри було вибрано зміщення труб (діаметр труб 8 мм, зміщення від 1 до 5 мм) і відстань між сусідніми рядами труб (від 5 до 10 мм). Як оптимальний параметр вибрана теплогідравлічна ефективність пучка. При оптимізації застосовувався метод MOGA.
Результати оптимізації показують, що найбільше значення теплогідравлічної ефективності має трубний пучок для якого зміщення трубок становить 0,00101986 м, відстань між трубками 0,009937333 м. При цьому коефіцієнт тепловіддачі становить 100,019304 Вт/м2К, перепад тиску 34,5701419 Па, а теплогідравлічна ефективність рівна 312,101156. Для оптимального пучка труб перепад тиску у каналах пучка лежить в інтервалі від -47 до 130 Па, а швидкість потоку в окремих перерізах каналу досягає 14 м/с.
Ключові слова: CFD моделювання, оптимізація, трубний пучок, топлообмін, гідродинаміка
Посилання
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, 101384. https://doi.org/10.1016/j.tsep.2022.101384.
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, 106417. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2020.106417.
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, 106821. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2020.106821.
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, 115120. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.115120.
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, 113462. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.113462.
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, 279-305 https://doi.org/10.1016/B978-0-12-813734-5.00016-0.
Milani Shirvan, K., Mamourian, M., Abolfazli Esfahani, J. (2018). Experimental investigation on thermal performance and economic analysis of cosine wave tube structure in a shell and tube heat exchanger. Energy Conversion and Management, 175, 86–98. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2018.08.103.
Cheng, H., Luo, T., Yu, J., Yang, X., Liu, Y., Gu, Z., Jin, L. (2018). Experimental study of a shell-and-tube phase change heat exchanger unit with/without circular fins. Energy Procedia, 152, 990–996. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2018.09.105.
Abbasi, H. R., Sadeh, E. S., Pourrahmani, H., Mohammadi, M. H. (2020). Shape optimization of segmental porous baffles for enhanced thermo-hydraulic performance of shell-and-tube heat exchanger. Applied Thermal Engineering, 180, 115835. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.115835.
Mohanty, D. K. (2016). Application of firefly algorithm for design optimization of a shell and tube heat exchanger from economic point of view. International Journal of Thermal Sciences, 102, 228–238. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2015.12.002.
Mohanty, D. K. (2016). Gravitational search algorithm for economic optimization design of a shell and tube heat exchanger. Applied Thermal Engineering, 107, 184–193. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.06.133.
Moosavi, A., Abbasalizadeh, M., Sadighi Dizaji, H. (2016). Optimization of heat transfer and pressure drop characteristics via air bubble injection inside a shell and coiled tube heat exchanger. Experimental Thermal and Fluid Science, 78, 1–9. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2016.05.011.
Bahiraei, M., Naseri, M., Monavari, A. (2021). A CFD study on thermohydraulic characteristics of a nanofluid in a shell-and-tube heat exchanger fitted with new unilateral ladder type helical baffles. International Communications in Heat and Mass Transfer, 124, 105248. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2021.105248.
Tian, X., Guo, Z., Jia, H., Yang, J., Wang, Q. (2021). Numerical investigation of a new type tube for shell-and-tube moving packed bed heat exchanger. Powder Technology, 394, 584–596. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2021.08.080.
Gorobets, V.G., Trokhaniak, V.I. (2015) Eksperymentalne doslidzhennia teploobminnoho aparata novoi konstruktsii. [Experimental study of a new design heat exchanger]. Enerhetyka i avtomatyka, 4, 191-196. http://journals.nubip.edu.ua/index.php/Energiya/article/viewFile/5247/5160.
Gorobets, V.G., Bohdan, Yu.O, Trokhaniak, V.I. (2017). Teploobminne obladnannya dlya koheneratsiynykh ustanovok [Heat-exchange equipment for cogeneration plants] Кyiv: «PC «Коmprint», 198.
Trokhaniak, V. I. (2018). Systema enerhozberezhennia u ptashnykakh iz vykorystanniam nyzkopotentsialnoi enerhii gruntu [Power saving system in poultry-houses with usage of soil low-potential energy]. Кyiv: «PC «Коmprint», 386.
Gorobets, V., Bohdan, Y., Trokhaniak, V., Antypov, I. (2019). Investigations of heat transfer and hydrodynamics in heat exchangers with compact arrangements of tubes. Applied Thermal Engineering, 151, 46-54. doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.01.059
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Стосунки між правовласниками і користувачами регулюються на умовах ліцензії Creative Commons Із Зазначенням Авторства – Некомерційна – Поширення На Тих Самих Умовах 4.0 Міжнародна (CC BY-NC-SA 4.0):https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.uk
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див.The Effect of Open Access).
