The performance of a water-water shell-and-tube heat exchanger in off-design conditions with consideration of reference parameters

• Autorzy: Laskowski R. , Smyk A.

Warianty tytułu

PL

Osiągi wymiennika płaszczowo-rurowego woda-woda typu JAD w zmienionych warunkach pracy z uwzględnieniem parametrów odniesienia

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Commonly used in Poland in heating and industrial applications, the JAD shell-and-tube heat exchangers are of counterflow type. Their performance can be represented by a counterflow heat exchanger effectiveness as a function of two parameters: NTU and C. In order to determine the NTU parameter, the overall heat transfer coefficient needs to be calculated. This requires additional relations including those used to determine the heat transfer coefficient for both fluids, and similarity numbers like the Nusselt, Reynolds, and Prandtl numbers. In order to determine the counterflow heat exchanger effectiveness, a set of linear and nonlinear equations describing the performance of the heat exchanger in off-design conditions must be developed. Because of the nonlinearity of the equations, the calculation must be performed in an iterative way. The greatest difficulty is to calculate the overall heat transfer coefficient; therefore, some approximate relations as functions of input parameters of the heat exchanger (temperatures and mass flow rates) have been created. One commonly used relation for the overall heat transfer coefficient has the form of a power function with four constant exponents. These exponents take specific values for different types of heat exchangers, but it is difficult to determine their physical interpretation. Therefore, in the paper a different relation for the overall heat transfer coefficient is given as a function of input variables, i.e.: temperatures at the heat exchanger inlet and mass flow rates of both fluids, taking into account reference parameters, with four constant coefficients that have a simple physical interpretation. The correctness of the proposed relation was checked on the basis of data obtained from the simulator of the JAD counterflow heat exchanger. The accuracy of the outlet temperature of heating fluid with regard to the proposed relation for the overall heat transfer coefficient was .

PL

Stosowane powszechnie w naszym kraju w ciepłownictwie a także w przemyśle wymienniki płaszczowo-rurowe JAD należą do grupy wymienników przeciwprądowych. Ich osiągi można przedstawić za pomocą efektywności wymiennika przeciwprądowego w funkcji dwóch parametrów: NTU i C. Aby wyznaczyć parametr NTU trzeba obliczyć współczynnik przenikania ciepła. W tym celu potrzebne są dodatkowe zależności między innymi służące do wyznaczenia współczynnika przejmowania ciepła od strony obu czynników, liczby podobieństwa Nusselta, Reynoldsa, Prandtla. W celu wyznaczenia efektywności wymiennika przeciwprądowego należy stworzyć zbiór zależności liniowych i nieliniowych opisujących osiągi wymiennika w zmienionych warunkach pracy (ZWP). Z powodu nieliniowości układu równań obliczenia trzeba przeprowadzić w sposób iteracyjny. Największe trudności nastręcza wyznaczenie współczynnika przenikania ciepła, dlatego tworzone są zależności aproksymacyjne w funkcji parametrów wejściowych do wymiennika (temperatur i strumieni mas). Jedną z powszechnie używaną zależności na współczynnik przenikania ciepła ma postać potęgową ze stałymi wykładnikami. Wykładniki te przyjmują określone wartości dla danego typu wymiennika, ale trudno jest określić ich interpretację fizyczną. Dlatego w artykule podano inną zależność aproksymacyjną na współczynnik przenikania ciepła w funkcji zmiennych wejściowych tj.: temperatury na wlocie do wymiennika dla obu czynników i strumieni mas z uwzględnieniem parametrów odniesienia z czterema stałymi współczynnikami, które mają prostą interpretację fizyczną. Poprawność proponowanej zależności sprawdzono na podstawie danych uzyskanych z symulatora wymiennika przeciwprądowego typu JAD. Dokładność temperatury wody grzejnej na wylocie z wymiennika z uwzględnieniem proponowanej zależności aproksymacyjnej na współczynnik przenikania ciepła wyniosła .

Słowa kluczowe

EN

water-water shell-and-tube heat exchanger; overall heat transfer coefficient; counterflow heat exchanger effectiveness; off-design conditions

PL

wymiennik płaszczowo-rurowy woda-woda typu JAD; współczynnik przenikania ciepła; efektywność wymiennika przeciwprądowego; zmienione warunki

• Wydawca: KAPRINT
• Czasopismo: Rynek Energii
• Rocznik: 2015
• Tom: Nr 6
• Strony: 112--118
• Opis fizyczny: Bibliogr. 33 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Laskowski R.

• Politechnika Warszawska Instytut Techniki Cieplnej, ul. Nowowiejska 21/25, 00-665 Warszawa

autor

Smyk A.

• Politechnika Warszawska Instytut Techniki Cieplnej, ul. Nowowiejska 21/25, 00-665 Warszawa

Bibliografia

• [1] Cengel Y. A., Heat transfer, McGraw-Hill, 1998.
• [2] Holman J.P., Heat Transfer, McGraw-Hill, New York, 2002.
• [3] Kostowski E., Heat Transfer (in Polish), WPS Gliwice, 2000.
• [4] Patrascioiu C., Radulescu S., Modeling and simulation of the double tube heat exchanger case studies, Advances in Fluid Mechanics and Heat & Mass Transfer (ISBN: 978-1-61804-114-2) (2012) 35–41.
• [5] Zheng H., Bai J., Wei J., Huang L., Numerical Simulation about Heat Transfer Coefficient for the Double Pipe Heat Exchangers. Applied Mechanics and Materials, 71-78 (2011) 2477-2580.
• [6] Bracco S., Faccioli I., Troilo M., A Numerical Discretization Method for the Dynamic Simulation of a Double-Pipe Heat Exchanger, International Journal of Energy, 1 (3) (2007) 47-58.
• [7] Pietrzyk Z., Smyk A., Water temperature control diagram for a district heating network considering the degree of the heating system automation (in Polish), IX Forum Ciepłowników Polskich, Międzyzdroje 19-21 września 2005. Materiały XIV KK. IGCP, str.169-180.
• [8] HEI Standards for Steam Surface Condensers Heat Exchange Institute. Cleveland 10th ed., (2006).
• [9] Jian-qun Xu, Tao Yang, You-yuan Sun, Ke-yi Zhou, Yong-feng Shi, Research on varying condition characteristic of feedwater heater considering liquid level, Applied Thermal Engineering 67 (2014) 179-189.
• [10] Laskowski R. M., The application of the Buckingham Π theorem to modeling high-pressure regenerative heat exchangers in off-design operation, Journal of Power Technologies 91(4) (2011) 198–205.
• [11] F. Vera-García, J.R. García-Cascales, J. Gonzálvez-Maciá, R. Cabello, R. Llopis, D. Sanchez, E. Torrella, A simplified model for shell-and-tubes heat exchangers: Practical application, Applied Thermal Engineering 30 (2010) 1231–1241.
• [12] Patrascioiu C., Radulescu S., Prediction of the outlet temperatures in triple concentric-tube heat exchangers in laminar flow regime: case study, Heat Mass Transfer 51 (2015) 59–66.
• [13] Batmaz E., Sandeep K.P., Calculation of overall transfer coefficients in a triple tube heat exchanger, Heat Mass Transfer 41 (2005) 271–279.
• [14] Unal A., Effectiveness-NTU relations for triple concentric-tube heat exchangers, Int. Comm. Heat Mass Transfer 30 (2003) 261–272.
• [15] Garcia-Valladares O., The simulation of triple concentric-tube heat exchangers, Int. J. Thermal Sci. 43 (2004) 979–991.
• [16] Patrascioiu C., Marinoiu C., The applications of the nonlinear equations systems algorithms for the heat transfer processes. Proceedings of the 12th WSEAS international conference on mathematical methods, computational techniques and intelligent systems Kantaoui-Sousse, Tunisia, (2010) 30–35.
• [17] Patrascioiu C., The simulation of the heat transfer trough a shell-and-tube bundle heat exchanger, Petroleum–Gas University of Ploiesti Bulletin, Technical Series, vol LXII, Ploiesti, (2010) 39–46.
• [18] Hussaini I. S., Zubair S. M., Antar M. A., Area allocation in multi-zone feedwater heaters, Energy Conversion and Management vol. 48 (2007) 568-575.
• [19] Weber G. E., Worek W. M., Development of a method to evaluate the design performance of a feedwater heater with a short drain cooler, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Transactions of the ASME (ISSN 0742-4795), vol. 116, no. 2, (1994) 434-441.
• [20] Weber G. E., Worek W. M., The application of a method to evaluate the design performance of a feedwater heater with a short drain cooler, ASME J. Eng. Gas Turbines Power vol. 117 (1995) 384-387.
• [21] Bahadori A., Simple method for estimation of effectiveness in one tube pass and one shell pass counter-flow heat exchangers, Applied Energy 88 (2011) 4191–4196.
• [22] Zheng H., Bai J., Wei J., Huang L., Numerical Simulation about Heat Transfer Coefficient for the Double Pipe Heat Exchangers, Applied Mechanics and Materials, 71-78 (2011) 2477-2580.
• [23] Bradley J.C., Counterflow, crossflow and cocurrent flow heat transfer in heat exchangers: analytical solution based on transfer units, Heat Mass Transfer 46 (2010) 381–394.
• [24] Laskowski R., The black box model of a double tube counter flow heat exchanger, Heat Mass Transfer 1-9,2014, DOI 10.1007/s00231-014-1482-2.
• [25] Helio Aparecido Navarro, Luben Cabezas-Gomez, A new approach for thermal performance calculation of cross-flow heat exchangers, International Journal of Heat and Mass Transfer 48 (2005) 3880–3888.
• [26] Beckman G., Heil G., Mathematische Modelle für die Beurteilung von Kraftwerksprozessen. EKM Mitteillungen, 1965;10.
• [27] Laskowski R. M., A mathematical model of the steam condenser in the changed conditions, Journal of Power Technologies 92 (2) (2012) 101–108.
• [28] Laskowski R., Lewandowski J., Simplified and approximated relations of heat transfer effectiveness for a steam condenser, Journal of Power Technologies 92 (4) (2012) 258–265.
• [29] Laskowski R., Smyk A., Analysis of the working conditions of a steam condenser using measurements and an approximation model (in Polish), Rynek Energii 1 (110) (2014) 110-115.
• [30] Szapajko G., Rusinowski H., Empirical modelling of heat exchangers in a CHP Plant with bleed-condensing turbine, Archives of Thermodynamics 29(4) (2008).
• [31] Szapajko G., Rusinowski H., Mathematical modelling of steam-water cycle with auxiliary empirical functions application, Archives of Thermodynamics 31(2) (2010) 165-183.
• [32] Laskowski R., Smyk A., An approximate thermal-flow model of a regenerative heater (in Polish), Rynek Energii 6 (109) (2013) 77-82.
• [33] Laskowski R., Lewandowski J., A simplified mathematical model of a U-tube steam generator under variable load conditions, Archives of Thermodynamics 34 (3) (2013) 75–88.