Прогнозирование характеристик теплообмена в однорядных и многорядных теплообменниках с шахматным расположением каплевидных труб


DOI: 10.34759/tpt-2022-14-9-411-421

Авторы

Дееб Р.

Университет Дамаска, Сирия, Дамаск

e-mail: e.rawad.deeb@yandex.com, DeebR@mpei.ru

Аннотация

В работе впервые были выведены корреляции для описания среднего числа Нуссельта Nuср и эффективности ε компактного теплообменника с использованием каплевидных труб с учетом количества рядов труб NR. Каплевидные трубы расположены в шахматной компоновке и размещены последовательными рядами в направлении потока (от 1 до 20 рядов), каждый из которых состоял из 7 труб в поперечном направлении. Число Рейнольдса Re варьировалось от 1.78∙103 до 18.72∙103. Моделирование конвективного теплообмена проводилось с помощью программного пакета ANSYS. Проанализировано влияние количества рядов труб и числа Рейнольдса на тепловые характеристики исследуемых теплообменников.

Результаты моделирования хорошо согласуются с имеющимися литературными данными. Результаты показали, что Nuср и ε возрастают с увеличением Re. Более того, увеличение NR приводит к уменьшению ε. Максимальные значения Nuср были получены для NR = 2, которые были на 4–7 % и 20–25 % выше, чем для NR = 1 и NR = 20 соответственно. Теплообмен оказался стабилизирован только начиная с 19-го ряда. Кроме того, однорядный теплообменник имеет лучшую эффективность по сравнению с теплообменником с большим NR (ε для NR = 1 было примерно в 22−27 раза выше, чем для NR = 20). Максимальная погрешность между численными результатами и полученными на их основе корреляциями составила ± 9 %, следовательно, они могут быть использованы для будущих исследований и проектирования теплообменников с различным количеством рядов каплевидных труб.


Ключевые слова:

каплевидная труба, некруглая труба, число рядов труб, число Рейнольдса, корреляция, теплообмен, число Нуссельта, эффективность, теплообменник, численное исследование, Fluent

Библиографический список

  1. Paul S.S., Ormiston S.J., Tachie M.F. Experimental and numerical investigation of turbulent cross-flow in a staggered tube bundle. International Journal of Heat Fluid Flow, 2008, vol. 29, pp. 387–414. URL: https://doi.org/ 10.1016/j.ijheatfluidflow.2007.10.001
  2. Murshed S.S., Lopes M.M. Heat Exchangers: Advanced Features and Applications. BoD—Books on Demand, 2017, p. 218. URL: https://doi.org/10.5772/68064
  3. Abd Rabbo M.F., Badawy M.T.S., Sakr R.Y., Gomaa A.G., Rashed H. R., Fawaz H.E. Numerical investigation of cutting edge effect on fluid flow and heat transfer for in-phase trapezoidal air channels. Alexandria Engineering Journal, 2018, vol. 57, pp. 911–926. URL: https://doi.org/ 10.1016/j.aej.2016.11.019
  4. TEMA, «Standards of the Tubular Exchanger Manufacturer’s Association [TEMA]», 8th Edition, New York, 1998.
  5. Zhukauskas A. Heat transfer from tubes in crossflow. Advances in Heat Transfer, 1972, vol. 8, pp. 93–160. URL: https://doi.org/10.1016/S0065-2717(08)70038-8
  6. Кондратюк В.А., Семеняко А.В., Терех А.М., Руденко А.И., Жукова Ю.В. Теплообмен и аэродинамика одиночных труб плоскоовального профиля // Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. 2013. Т. 12. № 1. С. 3–6.
  7. Ibrahim T.A., Gomma A. Thermal performance criteria of elliptic tube bundle in cross flow. International Journal of Thermal Sciences, 2009, vol. 48, pp. 2148–2158. URL: https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2009.03.011
  8. Дееб Р. Обобщение и анализ результатов последних исследований в области улучшения характеристик теплообмена и гидродинамики при поперечном обтекании гладких труб // Тепловые процессы в технике. 2021. Т. 13. № 2. С. 50–69. DOI: 10.34759/tpt-2021-13-2-50-69
  9. Дееб Р. Влияние относительного продольного и поперечного шага на характеристики теплообмена шахматного пучка труб каплевидной формы // Тепловые процессы в технике. 2022. Том. 14. № 2. С. 74–84. DOI: 10.34759/tpt-2022-14-2-74-84
  10. Sayed A. et al. Heat transfer characteristics of staggered wing-shaped tubes bundle at different angles of attack. Heat and Mass Transfer, 2014, vol. 8, pp. 1091–1102. URL: https://doi.org/10.1007/s00231-014-1323-3
  11. Дееб Р. Теплоаэродинамические характеристики шахматного смешанного пучка круглых и каплевидных труб // Тепловые процессы в технике. 2020. Том. 12. № 10. С. 434–444. DOI: 10.34759/tpt-2020-12-10-434-444
  12. Jang J.Y., Wu M.C., Chan W.J. Numerical and experimental studies of three dimensional plate-fin and tube heat exchangers. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1996, vol. 39, iss.14, pp. 3057–3066. URL: https://doi.org/10.1016/0017-9310(95)00341-X
  13. Marshalova G.S., Sukhotskii A.B., Kuntysh V.B. Enhancing Energy Saving in Air Cooling Devices by Intensifying External Heat Transfer. Chemical and Petroleum Engineering, 2020, vol. 56, pp. 85–92. URL: https://doi.org/ 10.1007/s10556-020-00743-6
  14. Merker G.P., Hanke H. Heat transfer and pressure drop on the shell-side of tube-banks having oval-shaped tubes. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1986, vol. 29, pp. 1903–1909. URL: https://doi.org/10.1016/0017-9310(86)90008-6
  15. Xie G., Wang Q., Sunden B. Parametric study and multiple correlations on airside heat transfer and friction characteristics of fin-and-tube heat exchangers with large number of large-diameter tube rows. Applied Thermal Engineering, 2009, vol. 29, pp. 1–16. URL: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2008.01.014
  16. Khan M.S., Zou R., Yu A. Computational simulation of air-side heat transfer and pressure drop performance in staggered mannered twisted oval tube bundle operating in crossflow. International Journal of Thermal Sciences, 2021, vol. 161, 106748. URL: https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci. 2020.106748
  17. ANSYS Fluent Reference Guide. ANSYS. Inc. Release 16.0. 2015.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2023