Розробка та чисельне моделювання теплообмінного обладнання нової конструкції для систем підтримання мікроклімату у пташниках

Abstract

Дана стаття є продовженням вдосконалення систем підтримання мікроклімату у пташниках і ціллю є розробка та чисельне моделювання кожухотрубного теплообмінника нової конструкції, як елемента системи вентиляції. При розробці нових типів конструкцій теплообмінних апаратів важливу роль відіграють такі фактори, як їх масогабаритні характеристики, ефективність теплопереносу через поверхню, що розділяє теплоносії, втрати тиску в трактах для кожного з теплоносіїв та інші параметри, які характеризують теплообмінний апарат. У роботі розглядаються кожухотрубний теплообмінник із кожухом прямокутного перерізу при поперечному обтіканні пучків труб. Геометрія розташування труб з діаметром d=10 мм є своєрідною, що відрізняється від традиційних шахових, коридорних та компактних пучків. Сусідні труби в таких тісних пучках зміщені одна відносно другої на відстань 1 мм. Причому розглянуто три типи конструкції пучка, в яких є зміщення труб у поперечному напрямку по всій довжині трубного пучка на 10 мм, 12 мм і 15 мм. Так як застосоване зміщення цілого ряда на різну відстань, кількість рядів трубок змінюється. Кількість трубок в одному ряду, діаметром 10 мм, міститься 102 шт, що складаються із 2 колекторів. Висота труб 1 м. При чисельному розрахунку задач гідродинаміки і тепло- масопереносу використовується метод кінцевих елементів. Побудова сітки проводилося в сіткогенераторі ANSYS Meshing на базі платформи Workbench. При побудові сітки для теплообмінного апарата усіх конструкцій використано локальне управління сіткою. Якість сітки Orthogonal Quality для усіх типів теплообмінників змінювалась і знаходиться в межах від 0,599 до 0,625. Проведено комп’ютерне математичне моделювання процесів тепло- і масопереносу в пучках труб різної геометрії при компактному розміщенні труб з використанням програмного комплексу ANSYS Fluent. В основі математичної моделі лежать рівняння Нав’є-Стокса, рівняння збереження енергії для конвективних течій та рівняння нерозривності. У розрахунках застосовано стандартну k-ε модель турбулентності. Отримано поля швидкостей, температур, тисків у досліджуваних каналах. Проаналізовано умови гідродинамічної течії в каналах та проведено оцінки інтенсивності теплопереносу між гарячим та холодним теплоносієм через стінку, що їх розділяє. Визначено наефективніші поверхні теплообміну та показано перспективність застосування пропонованих конструкцій пучків труб при конструюванні теплообмінників різного призначення.

Данная статья является продолжением совершенствования систем поддержания микроклимата в птичниках и целью является разработка и численное моделирование кожухотрубного теплообменника новой конструкции, как элемента системы вентиляции. При разработке новых типов конструкций теплообменных аппаратов важную роль играют такие факторы, как их массогабаритные характеристики, эффективность теплопереноса через поверхность, разделяющую теплоносители, потери давления в трактах для каждого из теплоносителей и другие параметры, которые характеризуют теплообменный аппарат. В работе рассматриваются кожухотрубный теплообменник с кожухом прямоугольного сечения при поперечном обтекании пучков труб. Геометрия расположения труб с диаметром d = 10 мм является своеобразной, отличающийся от традиционных шахматных, коридорных и компактных пучков. Соседние трубы в таких тесных пучках смещены одна относительно другой на расстояние 1 мм. Причем рассмотрены три типа конструкции пучка, в которых смещение труб в поперечном направлении по всей длине трубного пучка на 10 мм, 12 мм и 15 мм. Так как применено смещение целого ряда на разное расстояние, количество рядов трубок меняется. Количество трубок в одном ряду, диаметром 10 мм, содержит 102 шт, состоящие из 2 коллекторов. Высота труб 1 м. При численном расчете задач гидродинамики и тепло- массопереноса используется метод конечных элементов. Построение сетки проводилось в сеткогенераторе ANSYS Meshing на базе платформы Workbench. При построении сетки для теплообменного аппарата всех конструкций использовано локальное управление сеткой. Качество сетки Orthogonal Quality для всех типов теплообменников изменений и находится в пределах от 0,599 до 0,625. Проведено компьютерное математическое моделирование процессов тепло- и массопереноса в пучках труб различной геометрии при компактном размещении труб с использованием программного комплекса ANSYS Fluent. В основе математической модели лежат уравнения Навье-Стокса, уравнения сохранения энергии для конвективных течений и уравнение неразрывности. В расчетах применено стандартную k-ε модель турбулентности. Получены поля скоростей, температур, давлений в исследуемых каналах. Проанализированы условия гидродинамического течения в каналах и проведено оценки интенсивности теплопереноса между горячим и холодным теплоносителем через стенку, разделяющую их. Определены болей ефективные поверхности теплообмена и показана перспективность применения предлагаемых конструкций пучков труб при конструировании теплообменников различного назначения.

This article is a continuation of improvement of microclimate maintenance systems in poultry houses and the goal is to develop and numerical modeling of the shell and tube heat exchanger of a new design as an element of the ventilation system. In the development of new types of designs of heat-exchange units, factors such as their mass-overall characteristics, the efficiency of heat transfer through the surface separating the heat-carrier, the loss of pressure in the tract for each of the heat-carrier and other parameters characterizing the heat-exchange apparatus play an important role. The paper deals with the shell-tube heat exchanger with a rectangular cross-section case with a crosssectional flow of pipe beams. The geometry of the pipes with diameters d = 10 mm is peculiar, which differs from the traditional chess, corridor and compact beams. Neighboring pipes in such close beams are displaced one relative to the other at a distance of 1 mm. Moreover, we consider three types of beam construction, in which there is a displacement of pipes in a transverse direction along the entire length of the tube beam at 10 mm, 12 mm and 15 mm. Since the displacement of a series of different distances is applied, the number of rows of tubes varies. The number of tubes in one row, 10 mm in diameter, contains 102 pcs, consisting of 2 collectors. Height of pipes is 1 m. In the numerical calculation of the problems of hydrodynamics and heat-mass transfer, the method of finite elements is used. Construction of the grid was carried out in a grid generator ANSYS Meshing on the basis of the Workbench platform. When constructing a grid for a heat-exchange apparatus of all structures, local grid control is used. The quality of the Orthogonal Quality grid for all types of heat exchangers varies from 0,599 to 0,625. The computer mathematical modeling of heat and mass transfer processes in bundles of pipes of different geometries at compact placement of pipes using the software ANSYS Fluent is carried out. The basis of the mathematical model is the Navier-Stokes equation, the energy conservation equation for convective currents and the continuity equation. In the calculations a standard k-ε turbulence model was used. The fields of velocities, temperatures, and pressure in the studied channels are obtained. The conditions of the hydrodynamic flow in the channels were analyzed and estimates of the heat transfer intensity between the hot and cold coolant through the wall separating them.The effective heat transfer surfaces are determined and the promise of application of the proposed designs of the beams of pipes in the design of heat exchangers of various applications is shown.