Modelowanie wymiany ciepła w termosyfonie w zastosowaniu do chłodzenia pieców do obróbki cieplnej

• Autorzy: Górecki G. , Łęcki M. , Sawicki J.

Warianty tytułu

EN

Modelling of heat transfer in thermosyphon in application to heat treatment furnance cooling

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Rurki ciepła mogą posłużyć jako elementy chłodzące pieców do obróbki cieplnej metali, np. w procesach wyżarzania i odpuszczania. Użycie rurek ciepła zapewnia niemal stałą temperaturę na ich powierzchni, gwarantującą równomierny rozkład temperatury w piecu. Umożliwia to sprawne „przeniesienie” strumienia ciepła na znaczne odległości, np. do instalacji odzysku ciepła odpadowego. Jednym z najprostszych konstrukcyjnie rodzajów rurki ciepła jest termosyfon, w którym zachodzi grawitacyjny spływ skroplin. Zaprojektowanie takiego układu wymaga obliczenia strumienia ciepła przenoszonego przez termosyfon oraz jego temperatury w różnych warunkach pracy. W pracy jest przedstawiony uproszczony model przepływu płynu z wymianą ciepła zaimplementowany w programie ANSYS FLUENT za pomocą funkcji użytkownika (UDF). Modelowana jest konwekcja na zewnątrz rurki, przewodzenie przez ściankę i przepływ pary (z pominięciem spływu cieczy) w środku termosyfonu. Przepływ pary jest Z założenia laminarny (małe strumienie masy), rozwiązywany różnymi algorytmami, takimi jak Solver sprzężony (Coupled) i Solvery segregowane (PISO, SIMPLE). Tak uproszczony model pozwala na wystarczająco dokładne obliczenie pola temperatury przy jednoczesnym krótkim (w porównaniu z modelem dwufazowym) czasem obliczeń. Wyniki symulacji porównane są z danymi eksperymentalnymi pochodzącymi z doświadczeń i dostępnej literatury.

EN

Heat pipes can be used as cooling elements of metals heat treatment furnance, for example in processes of annealing and tempering. Use ofheat pipes ensures almost constant temperature of their surface guaranteeing uniform temperature distribution in the oven and allows efficient heat flux “transport” on considerable distances, for example to waste heat recuperation installation. Thermosyphon is one of the simplest construction type of heat pipe, with gravitational condensate return. Designing of such system requaires calculation of heat fiux throughput and thermosyphon temperature in various working conditions. In present paper simplified model of fluid flow with heat exchange is used, simulated by ANSYS FLUENT code with User Defined Functions (UDF). Processes included in numerical computation are: heat convection outside of the thermosyphon, conduction through the solid wall and vapor flow inside thermosyphon (liquid return considered negligible). There is an assumption of laminar vapor flow (low mass fiuxes), solved with different algorithms, like Coupled and Segregated Solvers (PISO, SIMPLE). The simplified model enables accurate numerical solution of temperature field in relatively short time (comparing to two-pase model). Obtained results are compared with experimental data from literature and own mesurements.

Słowa kluczowe

PL

piece; obróbka cieplna metali; termosyfon; rurka ciepła; Fluent

EN

ovens; metals heat treatment; thermosyphon; heat pipe; FLUENT

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 5
• Strony: 438--442
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys.

Twórcy

autor

Górecki G.

• Instytut Maszyn Przepływowych, Politechnika Łódzka

autor

Łęcki M.

• Instytut Maszyn Przepływowych, Politechnika Łódzka

autor

Sawicki J.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Łódzka

Bibliografia

• [1] Reay D. A., Kew P. A.: Heat pipes. Theory, design and applications. Butterworth-Heinemann, Oxford (2006).
• [2] Powell R. A., Rossnagel S.: PVD for microelectronics: Sputter deposition applied to semiconductor manufacturing. Academic Press, USA (1999).
• [3] Khurram K., Turan A.: Axi-symmetric simulation of a two phase Vertical thermosyphon using Eulerian two-fluid methodology. Heat Mass Transfer (2013 - opublikowane tylko w wersji internetowej).
• [4] Asmaie L., Haghshenasfard M., Mehrabani-Zeinabad A., Nasr Esfahany M.: Thermal performance analysis of nanofluids in a thermosyphon heat pipe using CFD modeling. Heat Mass Transfer 49 (2013) 667÷678.
• [5] Annamalai A. S., Ramalingam V.: Experimental investigation and computational fluid dynamics analysis of a air cooled condenser heat pipe. Thermal Science 15 (2011) 759÷772.
• [6] George P.-L., Frey P. J.: Mesh generation: Application to finite elements. Wiley, Great Britain (2008).
• [7] Patankar S. V.: Numerical heat transfer and fluid flow. Taylor & Francis, USA (1980).
• [8] Chung T. J.: Computational fluid dynamics. Cambridge University Press, Cambridge (2002).
• [9] Ansys CFX-Solver Theory Guide, USA (2009).
• [10] Gaugler R. S.: Heat transfer device. US Patent No. 2350348, Appl. 21 December 1942. Published 6 June 1944.
• [11] Łęcki M.: Analiza zastosowania wymiennika lamelowego typu „rurka ciepła” do odzysku ciepła w klimatyzacji. Chłodnictwo (2002) 34÷41.