Optimization of heat exchanger heat transfer surface of the engine with external heat supply

Abstract

The paper describes the calculation the heat transfer surface of the heat exchanger of the power plant. These calculations use ANSYS CFX software package. The work determined the construction that provides the biggest temperature difference between the inlet and outlet of the coolant.

Full Text

Многообразие потребителей энергии и требований к виду и качеству энергообеспечения, заставляет по-новому взглянуть на роль автономных энергетических агрегатов малой мощности. В статье рассматривается энергетическая установка электрической мощностью - 1 кВт, снимаемой тепловой мощностью 3,5 кВт. Перепад температуры рабочей жидкости создает теплообменник. Теплообменник состоит из 6 оребренных труб и является самым металлоёмким узлом энергетической установки. Рассматривается одиночная оребренная труба, в ней протекает 60% водный раствор этиленгликоля при температуре +70ºС. Расход жидкости - 10 л/мин. Отвод теплоты осуществляется через стенку трубы и оребренную поверхность в окружающую среду температурой +40ºС. Установка эксплуатируется в экстремальных условиях, температурный диапазон работы от -40ºС до +40ºС. Характеристики энергетической установки представлены в таблице 1. Таблица 1 Характеристики энергетической установки N 1 кВт Q 3,5 кВт Tвх. 70ºС (расход водного раствора этиленгликоля) 0,012 кг/с Целью работы является определение оптимальных геометрических параметров оребренной трубы: диаметра, длины. Для численной реализации задачи в описанной постановке использовался конечно-элементный программный комплекс ANSYS CFX. Постановка расчетной задачи Задача решается в стационарной постановке. Использованы граничные условия третьего рода. Коэффициент теплоотдачи рассчитывается из критериального уравнения [1]: , где: . После подстановки коэффициентов и математических вычислений коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха равен , со стороны этиленгликоля . Для учета гравитационных сил используется модель Буссинеска (Buoyancy Model). Геометрические размеры исследуемых труб представлены в таблицах 2, 3 и на рисунке 1. Рассмотрены следующие варианты конструкции элементов теплообменника: переменный диаметр теплопередающей трубы, переменная длина, вариант исполнения теплообменника с наружным кожухом и без кожуха. Таблица 2 Геометрические размеры труб без кожуха Таблица 3 Геометрические размеры труб с кожухом Диаметр d, мм Длина L, мм 22 1500 2000 24 1500 2000 27 1500 2000 30 1500 2000 Диаметр d, мм Длина L, мм 22 1500 24 1500 27 1500 30 1500 Целью оптимизации оребренной трубы является расчет перепада температур между входом и выходом водного раствора этиленгликоля , при наличии по длине трубы конечной разницы температуры между средой и ребрами по всей теплопередающей поверхности теплообменника. В результате расчетов построены графики зависимости перепада температур от диаметров для трех типов труб рисунок 2. а) б) Рисунок 1. Общий вид оребренной трубы d=27 мм без кожуха (а), с кожухом (б) Рисунок 2. Зависимость перепада температур от диаметров трубы Был проанализирован градиент температур по поверхности ребра в трех сечениям. Рисунок 3. Градиент температуры по поверхности ребра трубы без кожуха Рисунок 4. Градиент температуры по поверхности ребра трубы с кожухом Распределения градиента температуры по длине ребра приведены в таблице 4. Таблица 4 Распределение градиента температуры по длине ребра Сечение Оребренная труба без кожуха, Градиент ТºС Оребренная труба с кожухом, Градиент ТºС Верхнее 1,8 2,6 Среднее 1,1 3,1 Нижнее 1,4 2,6 Из графика на рисунке 2 следует, что отличие перепада температур при длине 2 м и 1,5 м варьируется от 0,7ºС до 0,8ºС, поэтому применять трубы длиной 2 м при данном расходе жидкости нецелесообразно, это ведет к существенному увеличению металлоёмкости теплообменника. При применении кожуха, разница температуры увеличилась в 1,5 - 2 раза.