NUMERICAL SIMULATION OF SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER IN ANSYSFLUENT SOFTWARE

Full Text

Для производства тепловой энергии требуется применение современного оборудования: в котельных, тепловых сетях, тепловых пунктах, различных системах теплопотребления в промышленности. В настоящее время при распределении тепловой энергии для подготовки горячей воды в тепловых сетях применяются кожухотрубчатые теплообменные аппараты. Такая конструкция теплообменного аппарата хорошо зарекомендовала себя при длительной эксплуатации [1]. Основной тенденцией производства в настоящее время является увеличение эффективности используемого технологического оборудования [2]. Кожухотрубчатый теплообменный аппарат (КТА) - один из широко распространённых теплообменников не только в энергетике, но и в нефтяной, химической промышленности и др. [3]. Распространение кожухотрубчатого теплообменного аппарата обусловлено надежностью конструкции и раз- А. С. Горшенин, Н. П. Краснова, Ю. И. Рахимова 175 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 нообразием типов и вариантов исполнения для эксплуатации в широком диапазоне температуры, давления и коррозионной активности среды. Исследования КТА ведутся во многих областях: застойные зоны в межтрубном пространстве из-за перегородок [4] со спиральными и полукольцевыми выемками [5], гидрогазодинамика КТА [6], численные модели КТА и проблемы их верификации и валидации [7]. В связи с тем, что испытание новых конструкций с помощью эмпирических методов достаточно дорогостояще и трудоемко, применяются новые методы для определения характеристик теплообменников. Одним из современных методов является компьютерное моделирование, которое позволяет испытывать новые конструкции теплообменников с помощью CFD расчетов [8]. Наиболее эффективным методом исследования процессов гидродинамики и теплопередачи в настоящее время является метод вычислительной гидродинамики, реализованный в программных системах конечно-элементного анализа. Преимуществами вычислительной гидродинамики является высокая скорость расчета, точность и полнота полученных данных, дающая представление о распределении и скорости потоков в аппарате, гидравлическом сопротивлении внутреннего пространства в целом и его отдельных участков. Цель данной работы - создание компьютерной модели процесса теплообмена и массообмена в пространстве водо-водяного кожухотрубчатого теплообменника для дальнейшего исследования различных конструкций теплообменника при помощи компьютерного моделирования и валидации данной модели про помощи аналитического решения. Выбор оптимального соотношения геометрических параметров для достижения наибольшей энергетической эффективности теплообменного аппарата должен производиться на основании исследования тепло-гидравлических характеристик потоков. Описание модели. Оборудование абонентских установок состоит из различного рода теплообменных аппаратов, нагревательных приборов, водо-водяных подогревателей, калориферов и т. п. [9]. Расчет регулирования современных систем централизованного теплоснабжения проводится по уравнениям, описывающим работу различного типа теплообменных аппаратов в нерасчетных условиях. В таких условиях обычно известны только температуры теплоносителей на входе в теплоиспользующие установки и, как правило, не известны температуры теплоносителей на выходе из них. Для сравнения аналитического и численного решения были заданы следующие условия: температура греющего теплоносителя на входе 63 °С, температура нагреваемого теплоносителя на входе 12 °С, а также скорость на входе в подающие патрубки 1 м/c как для аналитического, так и для численного решения. Известны габаритные размеры теплообменника: количество и размер трубок, количество ходов, размеры кожуха. По данным параметрам была построена трёхмерная модель подогревателя. Ожидаемые температуры на выходе были высчитаны аналитически и сравнены с температурами по результату моделирования. Также по исходным данным была аналитически пересчитана площадь теплообмена. В рамках исследуемой задачи выбран водо-водяной кожухотрубчатый четырёхходовой противоточный теплообменник с подачей горячей воды в межтрубное пространство. Некоторые из конструктивных и заданных геометрических параметров представлены ниже: - размер корпуса (кожуха) Dс, - 2 м; - внутренний диаметр трубы do - 0,1 м; - количество труб Нт - 12; - длина теплообменника l - 5 м; - температура на входе в корпус Т - 285 К; - толщина стенки труб δ - 0,5 мм; - входные и выходные патрубки греющего и нагреваемого теплоносителя - 0,5 м. На начальном этапе построена геометрия модели кожухотрубчатого теплообменника во встроенном в ANSYSмодуле - DesignModeler, которая состоит из двух тел: пространство нагреваемого теплоносителя (coldwater), греющего теплоносителя (hotwater) (рис.1). Для выполнения численного эксперимента произведена генерация и адаптация расчётной сетки в модуле ANSYS Meshing. Структура расчётной сетки показана на рис. 2. Общее число элементов сетки: 6265630. Устанавливались настройки решателя Fluentво встроенном модуле Set Up. Задача решалась в стационарном виде Steady, тип решателя на основе давления Pressure-Based. Подключена гравитация по оси Y(-9,81 м/с2), подключено уравнение энергии, для описания движения жидкости в теплообменнике используется k-epsilon модель турбулентности со стандартной пристеночной функцией. Задавались граничные условия: температура и скорость на входе греющего и нагреваемого теплоносителя. Результаты и обсуждение. По итогам численного эксперимента получены расходы теплоносителя, температуры на входе и выходе, перепады давления. Ниже представлены контуры температур и скорости в сечениях КТА (рис. 3, 4). Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 176 ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА Рис. 1. Геометрия кожухотрубчатого теплообменника: а - кожух (hot water); б - пучок труб (cold water) а б Рис. 2. Расчетная сетка теплообменника Рис. 3. Контур распределения температуры Рис. 4. Контур скорости Для оценки точности полученных результатов, соответствия расчетной модели реальному теплообменному аппарату проведена верификация результатов теплового расчёта с аналитическим решением методом сравнения площади теплообмена [10]. Из основного уравнения теплопередачи выражаем расчётное значение F. Для расчёта температурного напора принимаем температуры теплоносителей на выходе по результатам решения численной модели. (1) Загрязнения на стенках трубы не учитываются. Тепловую мощность теплообменного аппарата находим по формуле (2) где G - расход теплоносителя; C - теплоёмкость воды; tвых,tвх - температуры теплоносителя на входе и на выходе в теплообменник соответственно. Расход греющего и нагреваемого теплоносителей определяется по формуле (3) где W - скорость подачи воды в патрубок; d - диаметр входного патрубка. Задаёмся температурой греющего теплоносителя на выходе, подбирая подходящую методом последовательных приближений. (4) (5) Так как Δtб/ Δtм ≤ 2 , то с достаточной точностью можно принимать средний температурный напор: Скорость потока: (6) где f - проходное сечение. А. С. Горшенин, Н. П. Краснова, Ю. И. Рахимова 177 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 (7) Число Рейнольдса определялось по формуле Reтр > 10000, Reмтр > 10000, движение в обоих случаях турбулентное. В случае развитого турбулентного режима движения жидкости в прямых трубах и каналах, т. е. в трубном пространстве, критерий Нуссельта определяется по уравнению (8) Коэффициенты теплоотдачи от потока в трубах к внутренней поверхности трубок и от наружной поверхности трубок к потоку в межтрубном пространстве определим по формулам: (9) (10) Коэффициент теплопередачи для цилиндрической стенки равен (11) Площадь теплообменана на основе геометрической модели в DesignModeler определяется по формуле (12) Площадь, полученная в результате аналитического решения, определяется из уравнения теплопередачи (13) Значение площади теплообмена модели сравниваем с аналитическим решением (см. таблицу). Сравнительный анализ аналитической и численной модели Показатель Аналитическое решение Компьютерное моделирование Греющий теплоноситель (вода) Температура на входе, °С 63 63 Температура на выходе, °С 59 59 Нагреваемый теплоноситель (вода) Температура на входе, °С 12 12 Температура на выходе, °С 15,990 15,998 Расход теплоносителя, кг/с 195 195 Число ходов 4 4 Трубки теплообменника Диаметр наружный, мм 100 100 Толщина стенки, мм 0,5 0,5 Площадь теплообмена, м 23,5 18,85 Погрешность в расчёте площади теплообмена может быть вызвана наличием в модели поперечных перегородок. В представленном контуре распределения температур видно, что перепад температуры в трубном пучке составляет 3 °С. Это вызвано высокой скоростью движения теплоносителя, а также малым количеством труб в одном ходу. Аналитически полученная скорость в межтрубном пространстве составила 2,1 м/c, что также отражено на полученном в результате моделирования контуре скоростей (рис. 4). Вывод. В данной работе для оптимизации конструкции трубчатого теплообменника применена методика, которую можно считать типовой для решения задач оптимизации с использованием моделей компьютерной динамики жидкости. Методика включает следующие основные этапы: создание параметризованной геометрической модели, построение сеточной модели на основе автоматического генератора расчетной сетки, формирование расчетной CFD модели (выбор уравнений, выбор модели турбулентности, постановка граничных Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 178 ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА условий, верификация и идентификация), создание параметризованного расчетного блока с выводом в качестве параметров критериев оптимизации, задание области оптимизационного поиска, построение поверхности отклика, нелинейная оптимизация по поверхности отклика. Эта методика достаточно универсальна и может применяться во многих других случаях, так как при проектировании зачастую приходится решать задачи оптимизации.С учётом допустимой погрешности, описанной в данной работе, алгоритм решения можно считать оптимальным для сокращения времени и мощности для вычисления.

About the authors

Andrey S. GORSHENIN

State Technical University

Natalya Petrovna KRASNOVA

State Technical University

Julia Igorevna RAKHIMOVA

State Technical University

References

Supplementary files