Metoda doboru płaszczowo-żebrowego rdzenia do pierścieniowego wymiennika ciepła o przepływie przeciwprądowym

• Autorzy: Nakonieczny K.

Warianty tytułu

EN

A Method for Thermodynamic Assessment of Annular Counter-flow Heat Exchanger with Shell-fin Core

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przedmiotem badań jest przeciwprądowy wymiennik ciepła o konstrukcji pierścieniowej z rdzeniem płaszczowo-żebrowym. Model cieplno-przepływowy urządzenia opracowano przy założeniu ustalonych w czasie warunków pracy wymiennika ciepła. Przenikanie ciepła przez ścianki oraz straty przepływowe ciśnienia płynów modelowano z wykorzystaniem wyników badań eksperymentalnych kompaktowych wymienników ciepła. Charakterystyczną cechą konstrukcji pierścieniowej jest obwodowa symetria naprzemiennie ułożonych kanałów przepływowych i wynikająca stąd symetria modelu obliczeniowego. Ze względu na układ kanałów, w części wlotowej i wylotowej wymiennika ciepła występuje przepływ krzyżowy płynów, a w części środkowej - przepływ przeciwprądowy. Do obliczeń wymiany ciepła w wymienniku wykorzystano metodę lokalnych bilansów energii, która umożliwia wyznaczenie pól temperatury i ciśnienia płynów w sposób iteracyjny. Na podstawie symulacji numerycznych przebadano rdzenie z ożebrowaniem płaskim prostym, przestawianym, falistym i żaluzjowym. Wyniki, ilustrujące zależność pomiędzy całkowitymi spadkami ciśnienia gazu, mocą cieplną urządzenia oraz natężeniem generacji entropii, zestawiono na wykresach.

EN

The study is devoted to analysis of an annular counter-flow heat exchanger with a shell-fin core. Thermo-hydraulic model of the device is valid for steady state conditions. Heat transfer across shells and fluid-flow pressure drops are modelled by using experimental data for compact heat exchangers. A circumferential symmetry of flow channels is reflected in the symmetry of computational algorithm. Due to the layout of flow paths, the inlet and the outlet parts of the heat exchanger are functioning in cross-flow, while the central part - in counter-flow arrangement. The computational algorithm is based on the distributed parameter model, where local energy balances are solved iteratively for the fluid temperature and pressure fields. Numerical simulations are used for thermodynamic assessment of the heat exchanger cores equipped with plane, strip, wavy and louvered fins. The results, illustrating a dependence between total pressure drops, heat transfer rate and entropy generation rate, are depicted in diagrams.

Słowa kluczowe

PL

pierścieniowy wymiennik ciepła; rdzeń płaszczowo-żebrowy; przepływ ustalony; model obliczeniowy

EN

annular heat exchanger; shell-fin core; steady flow; computational model

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja
• Rocznik: 2013
• Tom: T. 44, nr 3
• Strony: 117--121
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz.

Twórcy

autor

Nakonieczny K.

• Katedra Termodynamiki Mechaniki Płynów i Napędów Lotniczych, Wydział Mechaniczny Politechniki Lubelskiej,

Bibliografia

• [1] Brodowicz K.: Teoria wymienników ciepła i masy. PWN Warszawa, 1982
• [2] Bonca Z.: Wymiana ciepła i opory przepływu w wymiennikach płytowo-żebrowych stosowanych w chłodniczych bateriach termoelektrycznych. Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna, 10 (2003) 369-374
• [3] Picon-Nunez M., Polley G.T., Torres-Reyes E. and Gallegos-Munoz A.: Surface selection and design of plate—fin heat exchangers. Applied Thermal Engineering 19 (1999) 917-931
• [4] Traverso A., Massardo A.F.: Optimal design ofcompact recupera-torsfor microturbine application. Applied Thermal Engineering 25 (2005)2054-2071
• [5] Bejan A.: The concept of irreversibility in heat exchanger design: counterflow heat exchangers for gas-to-gas applications. Transactions of the ASME, J. Heat Transfer 99 (1977) 374-380
• [6] Xiangkun Ma, Pingjing Yao, Xing Luo, Wilfried Roetzel: Synthesis of multi-stream heat exchanger networkfor multi-period operation with genetic/simulated annealing algorithms. Appl. Thermal Eng. 28(2008)809-823
• [7] Xie G.N., Sunden B., Wang Q.W.: Optimization of compact heat exchangers by a genetic algorithm. Applied Thermal Engineering 28(2008)895-906
• [8] Sparrow E.M., Tong J.C.K., Abraham J.P.: Fluidflow in a system with separate laminar and turbulent zones. Num. Heat Transfer, Part A, 53(2008)341-353
• [9] Ismail L. Sheik, Ranganayakulu C, Shah Ramesh K.:Numerical study of flow patterns of compact plate-fin heat exchangers and ge-neration of design data for off set and wavyfins. International Journal of Heat and Mass Transfer 52 (2009) 3972-3983
• [10] Gupta Arun, Das Sarit K.: Second law analysis of crossflow heat exchanger in the presence of axial dispersion in one fluid. Energy 32(2007)664-672
• [11] Vargas J.V.C, Bejan A.: Thermodynamic optimization of finned crossflow heat exchangers for aircraft environmental control systems. Int. J. of Heat and Fluid Flow 22 (2001) 567-665
• [12] Ping Yuan, Hong-Sen Kou: Entropy generation on a crossfiow heat exchanger including three gas streams with different arrangements and the effect of longitudinal wall conduction. Num. Heat Transfer Part A, 43(2003)619-638
• [13] Hesselgreaves J.E.: Rationalisation of second law analysis ofheat exchangers. Int.J.Heat Mass Transfer 43 (2000) 4189-4204
• [14] Mishra Manish, Das P.K., Sarangi Sunil: Second law based optimisation of crossflow plate-fin heat exchanger design using genetic algorithm. Applied Thermal Engineering 29 (2009) 2983-2989
• [15] Zhang Lina, Yang Chunxin, Zhou Jianhui: A distributedparameter model and its application in optimizing the plate-fin heat exchanger based on the minimum entropy generation. International Journal of Thermal Sciences 49 (2010) 1427-1436
• [16] Rao R.V., Patel V.K.: Thermodynamic optimization of cross flow plate-fin heat exchanger using a particle swarm optimization algorithm. International Journal of Thermal Sciences 49 (2010) 1712-1721
• [17] McDonald Colin F.: Recuperator considerations for future higher efficiency microturbines. Applied Thermal Engineering 23 (2003) 1463-1487
• [18] Pingaud H., Le Lann J.M., Koehret B. and Bardin M.C.: Steady-state and dynamic simulation of platefin heat exchangers. Computers and Chemical Engineering 13 (1989) 577-585
• [19] Nakonieczny K.: Numerical modeling of cross-flow plate-fin air-to-air heat exchanger under unsteadyflow conditions. Numerical Heat Transfer, Part A, 49 (2006) 1-24
• [20] Kays W.M., London A.L.: Compact Heat Exchangers, McGraw-Hill, New York, 1964
• [21] Bejan Adrian, Kraus Allan D.: Heat Transfer Handbook, John Wiley & Sons, 2003