Analiza parametrów cieplno-przepływowych lamelowego wymiennika ciepła z wykorzystaniem pełnowymiarowego modelu CFD i jego weryfikacji eksperymentalnej

• Autorzy: Janusz Szymon , Szudarek Maciej , Rudniak Leszek , Borcuch Marcin

Identyfikatory

DOI

DOI 10.36119/15.2022.6.4

Warianty tytułu

EN

Analysis of the thermal and flow performance of a finned coil heat exchanger using a full-scale CFD model and its experimental verification

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Wymienniki ciepła, w zależności od przeznaczenia, różnią się między sobą konstrukcją i zasadą działania. Niezależnie od mediów wymieniających ciepło, prowadzone są prace nad poprawą efektywności wymienników i zmniejszenia strat ciśnienia. Coraz częściej do optymalizacji tego typu urządzeń stosowane są symulacje numeryczne z wykorzystaniem oprogramowania CFD. Modelowanie pełnowymiarowych urządzeń wiąże się jednak z dużą liczbą komórek obliczeniowych w modelu numerycznym, a w konsekwencji długim czasem symulacji lub brakiem możliwości przeprowadzenia analizy dla zakładanego pierwotnie modelu. W artykule zaprezentowano wyniki analiz numerycznych i eksperymentalnych pracy wymiennika lamelowego. Dzięki zastosowaniu opisanych w artykule uproszczeń, zmniejszono liczbę elementów siatki numerycznej z ok. 200 mln do ok. 13 mln, co pozwoliło na przeprowadzenie obliczeń na posiadanej stacji obliczeniowej. Model został zweryfikowany na stanowisku eksperymentalnym, a maksymalny błąd względny spadków ciśnienia między symulacją, a eksperymentem nie przekroczył 5%. Przedstawione założenia i procedury mogą być wskazówką przy analizie pokrewnych konstrukcji charakteryzujących się modelami numerycznymi o dużej liczbie elementów o niewielkich wymiarach.

EN

Heat exchangers, depending on their intended use, vary in terms of their design and principle of operation. Regardless of the heat transfer media, research is carried-out to improve the efficiency of the exchangers and reduce pressure losses. Numerical simulations with the use of CFD software are often used to optimize this type of devices. However, modelling full-size devices, is associated with a large number of computational cells in the numerical model and, consequently, a long simulation time or the inability to perform the analysis for the originally prepared model. The article presents the results of numerical and experimental analyzes of the finned coil heat exchanger. Thanks to the simplifications described in the article, the number of numerical grid elements was reduced from approx. 200 million to approx. 13 million, which made it possible to carry out calculations on the existing computing station. The model was verified on an experimental stand, and the maximum relative error of pressure drop did not exceed 5% between the simulation and the experiment. Presented assumptions and procedures can be a guide in the analysis of related devices characterized by numerical models with a large number of small elements.

Słowa kluczowe

PL

chłodnictwo; wymienniki ciepła; symulacje numeryczne; CFD; wymiennik lamelowy

EN

refrigeration; heat exchangers; numerical simulations; CFD; finned coil heat exchanger

• Wydawca: Ośrodek Informacji "Technika instalacyjna w budownictwie''
• Czasopismo: Instal
• Rocznik: 2022
• Tom: nr 6
• Strony: 29--34
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., fot., rys., tab.

Twórcy

autor

Janusz Szymon

• M.A.S. Sp z o.o., Dział Badawczo-Rozwojowy, Starachowice

• https://orcid.org/0000-0002-1777-610X

autor

Szudarek Maciej

• Politechnika Warszawska, Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej, Warszawa

• https://orcid.org/0000-0002-3214-9147

autor

Rudniak Leszek

• Politechnika Warszawska, Zakład Kinetyki i Termodynamiki Procesowej, Warszawa

• https://orcid.org/0000-0002-2925-1503

autor

Borcuch Marcin

• M.A.S. Sp z o.o., Dział Badawczo-Rozwojowy, Starachowice

• https://orcid.org/0000-0002-6428-3295

Bibliografia

• [1] Marcin Borcuch, Wojciech Kalawa, Paulina Warzybok, Tadeusz Michał Wójcik „Badania możliwości magazynowania ciepła w prototypowym wymienniku akumulacyjnym”; Instal 2015, wydanie 9, s. 58-61
• [2] Máté Petrik, Gábor Szepesi, Károly Jármai „Cfd Analysis and Heat Transfer Characteristics of Finned Tube Heat Exchangers”; Pollack Periodica 2019, s. 165-176; DOI: 10.1556/606.2019.14.3.16
• [3] Marcin Borcuch, Stanisław Gumuła, Michał Musiał and Krzysztof Wojciechowski „The Analysis of Heat Exchangers Geometry in Thermoelectric Generators for Waste Heat Utilization”; E3S Web of Conferences, 2016
• [4] Jiyuan Tu, Guan-Heng Yeoh, Chaoqun Liu „Computational Fluid Dynamics: A Practical Approach”; Elsevier Science, 2018
• [5] Ewa Pelińska-Olko, Yessica Barnaś „Wpływ składowych współczynnika przenikania ciepła na wydajność wymiennika rurowego małej mocy”; Instal, 2021: Tom nr 1 s. 25-30; DOI 10.36119/15.2021.1.1
• [6] Subasgar Kumareswaran „Shell and tube heat exchanger design for sulfuric acid manufacturing plant”; Technical Report 2014; DOI 10.13140/RG.2.1.2721.6720/1
• [7] Paweł Jakończuk, Jerzy Gagan, Kamil Śmierciew, Dariusz Butrymowicz „Wizualizacyjna metoda oceny szronienia chłodnicy powietrza”; Instal, 2020, nr 5, s. 11-16; DOI: 10.36119/15.2020.5.2
• [8] N. Kayansayan, M. Ali Acar „Ice formation around a finned-tube heat exchanger for cold thermal energy storage”; Dokuz Eylül University, Department of Mechanical Engineering, Bornova 35100, Izmir, Turkey, 2005
• [9] Wang, Xio Lin; Chua, Hui Tong; and Ng, Kim Choon, “Simulation of the Silica Gel-Water Adsorption Chillers” (2004). International Refrigeration and Air Conditioning Conference. Paper 663
• [10] Ms. N.Gayathri, Mr. V. V. Ramakrishna M.Tech, Mr. Sanmala Rajasekhar M.Tech (P.Hd) „Heat Transfer & Periodic Flow Analysis of Heat Exchanger by CFD with Nano Fluids”; Int. Journal of Engineering Research and Applications, ISSN: 2248-9622, Vol. 6, Issue 1, (Part - 1) January 2016, pp. 43-66
• [11] Kamil Śmierciew „Wybrane zagadnienia cieplno-przepływowe urządzeń stosowanych w technice chłodniczej i cieplnej w ujęciu numerycznym i eksperymentalnym”; Politechnika Białostocka, 2018; s. 78-88
• [12] ANSYS, Inc. „Ansys Fluent User’s Guide”; Release 2022 R1, January 2022

Uwagi

1. Artykuł opracowany w ramach działalności badawczo-rozwojowej spółki M.A.S. realizującej projekty POIR.01.01.01-00-0628/19 pt. „Opracowanie innowacyjnej, wielomodułowej chłodni o zwiększonej efektywności energetycznej” oraz POIR.02. 01.00-00-0172/19 pt. „CBR Innowacyjnych, Przyjaznych Środowisku Urządzeń i Systemów Chłodzenia i Magazynowania Energii M.A.S. (CBRIPŚUSChME)”

2. Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023)