Теплоотдача при движении воды в трубе при температурах, близких к температурам кипения в переходном режиме
Г.Р. Бадретдинова, А.В. Дмитриев
Вестник ИГЭУ, 2024 г. выпуск 5, сс. 42—51
Скачать PDF
Состояние вопроса. В настоящее время существует проблема разработки эффективных методов расчета процессов тепло- и массообмена при конденсации пара из парогазовой смеси в промышленных аппаратах. Это связано с необходимостью создания новых надежных и высокоэффективных конструкций теплообменных аппаратов различного назначения.
Материалы и методы. При проведении численного моделирования был использован метод конечных элементов в программном комплексе ANSYS Fluent.
Результаты. Построена трехмерная модель проточной области экспериментального модуля и CFD-модель для расчета температур, скоростей движения фаз и их концентраций с учетом особенностей протекающих процессов тепло- и массообмена. Показано незначительное влияние на тепловой поток поворота на 180° при течении жидкой среды в интервале значения чисел Рейнольдса 1800–2600. Выполнена верификация созданной модели с результатами, полученными на экспериментальной установке, и установлено, что модель хорошо воспроизводит экспериментальные данные. Проведен анализ работ по исследованиям процессов тепло- и массообмена при течении жидкости в каналах при наличии фазовых переходов. Выявлены проблемы расчета параметров теплообмена при движении текучей среды в переходном режиме, особенно при значениях числа Рейнольдса, близких к 2000. Представлена схема экспериментальной установки, испытание которой проходило в трубопроводе промышленного предприятия на производственной площадке индустриального парка Технополис «ХИМГРАД» (г. Казань). Установлено, что в диапазоне чисел Рейнольдса 2600–3600 значения расчетных температур отличались от значений температур, полученных экспериментальным путем, менее чем на 0,42 %. При частичном переходе воды в пар в интервале значений чисел Рейнольдса 1800–2600 отклонения составили менее 6 %, что подтверждает адекватность численного моделирования задачи расчета процесса теплообмена в трубе.
Выводы. Доказана применимость модели Ли для решения задач течения воды в трубопроводе при частичном испарении. Эта модель позволяет точно учитывать процессы испарения и конденсации, что важно для проектирования систем охлаждения и кондиционирования воздуха. Показано, что учет влияния температуры на поверхностное натяжение, коэффициент теплопроводности воды и коэффициент динамической вязкости воды является важным для получения точных результатов. Предложенный подход может быть использован для оптимизации параметров работы конденсаторов и испарителей, а также для достаточно точного расчета коэффициента теплоотдачи и определения областей образования пара. Это позволит улучшать энергоэффективность промышленных установок и снижать затраты на эксплуатацию оборудования.
1. Аксенов Б.Г., Степанов О.А., Рыдалина Н.В. Экспериментальное исследование и математическая модель теплообменного аппарата со вставками из пористого металла // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. – 2020. – Т. 6, № 2(22). С. 22–40. DOI: 10.21684/2411-7978-2020-6-2-22-40
2. Драбкина Е.В., Никулин В.Д. Анализ возможностей применения конденсационных экономайзеров в качестве энергосберегающих устройств // Приоритетные направления инновационной деятельности в промышленности: сб. науч. ст. Х Междунар. науч. конф., Казань, 30–31 октября 2020 г. – Казань, 2020. – С. 87–93.
3. Мартинчук Ю.Ю. Конденсационные экономайзеры // Актуальные проблемы энергетики 2020: материалы студ. науч.-техн. конф. – Минск: БНТУ, 2020. – С. 789–791.
4. Куницкий В.А. Использование теплообменного аппарата для рекуперации тепловой энергии сточной душевой воды // Вестник Вологодского государственного университета. Сер.: Технические науки. – 2020. – № 1. – С. 19–22.
5. Струков А.Р., Львович Э.М. Проблемы экономии тепловой энергии // Ресурсосбережение и экология строительных материалов, изделий и конструкций. – 2022. – С. 277–279.
6. Mokhtar Z., Berghe J.V., Blondeau J. Experimental characterisation of a spiral heat exchanger for waste water heat recovery from partially filled sewage pipes // Case Studies in Therm. Eng. – 2023. – P. 103770. https://doi.org/10.1016/j.csite.2023.103770
7. Wilberforce T., Muhammad I. Dynamic modelling and analysis of Organic Rankine Cycle power units for the recovery of waste heat from 110 kW Proton Exchange Membrane Fuel cell system // Int. J. of Thermofluids. – 2023. – Vol. 17. – P. 100280. https://doi.org/10.1016/j.ijft.2023.100280
8. Rogowski M., Andrzejczyk R. Recent advances of selected passive heat transfer intensification methods for phase change material-based latent heat energy storage units: A review // Int. Com. in Heat and Mass Transf. – 2023. – Vol. 144. – P. 106795. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2023.106795
9. Experimental and numerical exploration on improved heat transfer by continuous spiral flow in shell of spiral wound corrugated tube heat exchanger / Q. Gong, C. Yu, W. Wang, Y. Wang // Case Stud. in Therm. Eng. – 2023. – Vol. 51. – P. 103483. https://doi.org/10.1016/j.csite.2023.103483
10. Entropy analysis and mixed convection of nanofluid flow in a pillow plate heat exchanger in the presence of porous medium / G. Tian, C. Tian, A.A. Alizadeh, et al. // Alexandria Eng. J. – 2023. – Vol. 82. – P. 541–556. https://doi.org/10.1016/j.aej.2023.10.019
11. Thermal-hydraulic performance of a plate heat exchanger with grooved copper foam / K. Nilpueng, T. Chomamuang, M. Mesgarpour, et al. // Case Stud. in Therm. Eng. – 2023. – Vol. 51. – P. 103525. https://doi.org/10.1016/j.csite.2023.103525
12. Инженерная модель конденсации пара из движущейся парогазовой смеси на поверхности пучка из гладких горизонтальных труб / К.Б. Минко, Г.Г. Яньков, В.И. Артемов и др. // Теплоэнергетика. – 2021. – № 9. – С. 51–63. https://doi.org/10.1134/S0040363621080063
13. Беспалов В.В., Беспалов В.И., Мельников Д.В. Исследование и оптимизация глубины утилизации тепла дымовых газов в поверхностных теплообменниках // Теплоэнергетика. – 2017. – № 9. – С. 64–70. https://doi.org/10.1134/S0040363617090028
14. Сидоров А.А., Ястребов А.К. Интеграция модуля численного решения кинетического уравнения в CFD-пакет для задачи объемной конденсации при истечении парогазовой смеси через сопло // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. – 2021. – Т. 48, № 1. – С. 65–75. DOI: 10.21822/2073-6185-2021-48-1-65-75
15. Беспалов В.В., Туболев А.А., Галашов Н.Н. Исследование теплоотдачи от насыщенного влажного воздуха к вертикальной стенке теплообменника при конденсации водяных паров // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2022. – Т. 333, №. 8. – С. 7–14. DOI: 10.18799/24131830/2022/8/3638
16. Расчет образования осадка на оребренных трубах теплообменника при конденсации парогазовой смеси с твердыми частицами / А.В. Дмитриев, Н.Д. Якимов, В.В. Харьков, Г.Р. Бадретдинова // Инженерно-физический журнал. – 2023. – Т. 96, № 6. – С. 1456–1463.
17. Экспериментальное исследование теплообмена от парогазовой смеси при передаче тепла через ребристую поверхность / В.Э. Зинуров, А.В. Дмитриев, И.И. Шарипов, А.Р. Галимова // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. – 2021. – Т. 7, № 2(26). – С. 60–74. DOI: 10.21684/2411-7978-2021-7-2-60-74.
18. Guichet V., Delpech B., Jouhara H. Experimental investigation, CFD and theoretical modeling of two-phase heat transfer in a three-leg multi-channel heat pipe // Int. J. of Heat and Mass Transf. – 2023. – Vol. 203. – P. 123813. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123813
19. Хаузен Х. Теплопередача при противотоке, прямотоке и перекрестном токе. – М.: Энергоиздат, 1981. – 384 с.
20. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – М.: Энергоиздат, 1981. – 416 с.
21. Experimental study on the forced convection heat transfer characteristics of airflow with variable thermophysical parameters in a circular tube / Q. Zhao, B. Mao, J. Zhao, et al. // Case Stud. in Therm. Eng. – 2022. – Vol. 40. – P. 102495. https://doi.org/10.1016/j.csite.2022.102495
22. Bianco V., Nardini S., Manca O. Enhancement of heat transfer and entropy generation analysis of nanofluids turbulent convection flow in square section tubes // Nanoscale research letters. – 2011. – Vol. 6. – P. 1–12. https://doi.org/10.1186/1556-276X-6-252
23. El Hasadi Y.M.F., Padding J.T. Do logarithmic terms exist in the drag coefficient of a single sphere at high Reynolds numbers? // Chemical Engineering Science. – 2023. – Vol. 265. – P. 118195. https://doi.org/10.1016/j.ces.2022.118195
24. Direct contact condensation heat transfer characteristics of vapor with noncondensable gases in horizontal tubes / Y. Zhao, K. Luo, C. Shi, et al. // Case Stud. in Therm. Eng. – 2023. – Vol. 49. – P. 103260. https://doi.org/10.1016/j.csite.2023.103260
25. Manninen M., Taivassalo V., Kallio S. On the mixture model for multiphase flow // Technical Research Center of Finland. VTT Publications. – 1996. – Vol. 288. – P. 67.
26. A novel relaxation drift model for simulating liquid-vapor momentum non-equilibrium in two-phase ejectors / J. Long, B. Yu, D. Wang, et al. // Case Stud. in Therm. Eng. – 2023. – Vol. 52. – P. 103758. https://doi.org/10.1016/j.csite.2023.103758