Analysis of operating conditions for high performance heat exchanger with the finned elliptical tube

• Autorzy: Łopata S. , Ocłoń P.

Warianty tytułu

PL

Analiza warunków pracy wysokosprawnego wymiennika ciepła z rurami eliptycznymi ożebrowanymi

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The analysis of the hydraulic and thermal performance of the high performance heat exchanger, with the finned elliptical tubes is presented in this paper. The thermal and hydraulic performance of this type of heat exchangers strongly depends on the flow distribution inside the tubes of heat exchanger. However, due to the compact size of these types of heat exchangers, it is difficult to ensure the uniform flow velocities inside all the tubes. The value of flow velocity influences the heat transfer conditions inside the device. The actual value of the mass flow rate for an individual tube may differ significantly from its designed value. If the differences in the flow velocities inside the tubes are large, then the tubes of heat exchanger are exposed to the significant thermal loads. This can cause the large effort of the tube material and may lead to the fracture of tube due to exceeding the allowable stress limits. In this work, the coupled flow, thermal and structural analyses of the heat exchanger are conducted. The zones and the location of the improper flow conditions are indicated. The structural analysis of the high performance heat exchanger is carried out in order to point out the tubes, where the allowable stresses are exceeded.

PL

W pracy została przedstawiona metodyka obliczeń przepływowo-cieplnych i wytrzymałościowych wysokosprawnego wymiennika ciepła z rurami eliptycznymi ożebrowanymi, o przepływie krzyżowo-prądowym. Wymienniki tego typu stosowane są w instalacjach energetycznych, ciepłowniczych oraz w instalacjach przemysłu ciężkiego. Ulegają one dość często awariom z uwagi na niekorzystne warunki rozpływu czynników roboczych. Jest to uwarunkowane głównie rozwiązaniami konstrukcyjnymi tych wymienników. W pracy pokazano mapy niekorzystnych rozpływów cieczy w wymienniku, otrzymane przy użyciu kodów CFD. Ponadto zamieszczono analizy termiczne i wytrzymałościowe warunków pracy urządzenia, przy użyciu Metody Elementów Skończonych (MES). Przy wysokiej temperaturze czynnika płynącego prostopadle do powierzchni ożebrowanej, może to skutkować nieprawidłowym odbiorem ciepła przez czynnik roboczy płynący wewnątrz rurek wymiennika. Skutkuje to znacznym wzrostem naprężeń ściskających w rurach wymiennika, a w konsekwencji ich uszkodzeniem i awarią urządzenia. Generuje to znaczne koszty, związane z przerwami w pracy instalacji, kosztami naprawy, a nawet konieczności wymiany urządzenia.

Słowa kluczowe

EN

heat exchanger; conjugate heat transfer analysis; structural analysis

PL

wymiennik ciepła; sprzężona wymiana ciepła; analiza wytrzymałościowa

• Wydawca: KAPRINT
• Czasopismo: Rynek Energii
• Rocznik: 2012
• Tom: Nr 5
• Strony: 112--124
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Łopata S.

• Katedra Maszyn i Urządzeń Energetycznych Wydziału Mechanicznego Politechniki Krakowskiej, Al. Jana Pawła II 37, 31-864 Kraków

autor

Ocłoń P.

• Katedra Maszyn i Urządzeń Energetycznych Wydziału Mechanicznego Politechniki Krakowskiej, Al. Jana Pawła II 37, 31-864 Kraków

Bibliografia

• [1] Idem S., Jacobi A., Goldchmidt V. W.: Heat Transfer Characterization of a Finned-Tube Heat Exchanger (with and without Condensation). Transaction of the ASME, Vol. 112, (1990), pp. 64-70.
• [2] Ibrahim T. A., Gomaa A.: Thermal performance criteria of elliptic tube bundle in crossflow. International Journal of Thermal Sciences, Vol. 48, No. 11, (2009), pp. 2148-2158.
• [3] Bordallo S. N., Saboya F. E. M.: Pressure Drop Coefficients for Elliptic and Circular Sections in One, Two and Three-Row Arrangements of Plate Fin and Tube Heat Exchangers. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences, Vol. 21, No. 4, (1999).
• [4] Jang J. Y, Yang J. Y.: Experimental and Numerical Analysis of the Thermal-Hydraulic Characteristics of Elliptic Finned-Tube Heat Exchangers. Heat Transfer Engineering, Vol.19, No. 4, (1998), pp. 55-67.
• [5] Taler D.: Direct and Inverse Heat Transfer Problems in Dynamics of Plate and Tube Heat Exchangers. Heat Transfer - Mathematical Modelling, Numerical Methods and Information Technology, Aziz Belmiloudi (Ed.), ISBN: 978-953-307-550-1, InTech, Available from: http://www.intechopen.com/books/heat-transfer-mathematical-modelling-numerical-methods-and-information-technology/direct-and-inverse-heat-transfer-problems-in-dynamics-of-plate-and-tube-heat-exchangers, (2011).
• [6] Taler D., Trojan M., Taler J.: Numerical Modeling of Cross-Flow Tube Heat Exchangers with Complex Flow Arrangements. Evaporation, Condensation and Heat transfer, Amimul Ahsan (Ed.), ISBN: 978-953-307-583-9, InTech, Available from: http://www.intechopen.com/books/evaporation-condensation-and-heat-transfer/numerical-modeling-of-cross-flow-tube-heat-exchangers-with-complex-flow-arrangements, (2011).
• [7] Taler D., Cebula A.: A new method for determination of thermal contact resistance of a fin-to-tube attachment in plate fin-and-tube heat exchangers. Chemical and Process Engineering, Vol. 31, No. 4, (2010), pp. 839-855.
• [8] Li B., Feng B.; He Y.L., Tao W.Q.: Experimental study on friction factor and numerical simulation on flow and heat transfer in an alternating elliptical axis tube. Applied Thermal Engineering, Vol. 26, Issue 17–18, (2006), pp. 2336–2344.
• [9] Khan M.G., Fartaj A., Ting D. S. K.: An experimental characterization of cross-flow cooling of air via an in-line elliptical tube array. International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 25, No. 4, (2004), pp. 636–648.
• [10] Łopata S., Ocłoń P.: Modelling and Optimizing Operating Conditions of Heat Exchanger with Finned Elliptical Tubes. Fluid Dynamics, Computational Modeling and Applications, L. Hector Juarez (Ed.), ISBN: 978-953-51-0052-2, InTech, Available from: http://www.intechopen.com/books/fluid-dynamics-computational-modeling-and-applications/modelling-and-optimizing-operating-conditions-of-heat-exchanger-with-finned-elliptical-tubes, (2012).
• [11] Łopata S., Ocłoń P.: Coupled thermal – structural analysis of the high performance heat exchanger with finned elliptical (in polish). Systems, Technologies and Energetic Devices, Collective Work edited by J. Taler, Cracow University of Technology press, Cracow, (2010), pp. 826 – 840.
• [12] Łopata S., Ocłoń P.: The Stress State analysis of the high performance heat exchanger. Technical Transactions; Cracow University of Technology press, Issue 7, Year 108, Cracow, (2011), pp. 360-368
• [13] Incopera F. P., De Witt D. P.: Fundamentals of Heat and Mass Transfer 5th Ed. Willey, ISBN-10: 0471386502, ISBN-13: 978-0471386506, (2001).
• [14] Bird R. B.: Transport Phenomena 2nd Edition. Wiley, ISBN-10: 0471410772, ISBN-13: 978-0471410775, (2001).
• [15] Egorov Y. , Menter F.: Development and Application of SST-SAS Turbulence Model in the DESIDER Project. Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design, Vol. 97, (2008), pp. 261 – 270.
• [16] Łopata S., Ocłoń P.: Investigation of the flow conditions in a high-performance heat exchanger. Archives of Thermodynamics, Vol. 31, no. 3, (2011), Gdańsk, pp. 37-50.
• [17] Steiner D., Taborek J.: Flow boiling heat transfer in vertical tubes correlated by an asymptotic model. Heat Transfer Eng. 13 (1992), pp. 43–69.
• [18] ANSYS Theory Reference v12.1.
• [19] Brush D. O., Almroth B. O.: Buckling of bars, plates, and shells. McGraw Hill, ISBN-10: 0070085935, ISBN-13: 978-0070085930, (1975)
• [20] Heyt J., Diaz M.: Pressure drop in flat-oval spiral air duct. ASHRAE Transactions. Atlanta, Georgia: ASHRAE. Vol. 81, Pt. 2, (1975), pp. 221-232.