Проведение расчетов теплообменных аппаратов методом CFD

О проекте

Проведение расчетов теплообменных аппаратов методом CFD

«Арска Тек» – молодая компания, которая занимается разработкой и улучшением технологических процессов. «Арска Тек» обратилась к компании «МЦД» для более детального исследования процессов теплообмена и картины течения рабочей среды теплообменных аппаратов. Инженеры компании «МЦД» выполнили исследовательскую работу для подтверждения рабочих характеристик теплообменных аппаратов и верности выбранных конструкторских решений.

Целью данной исследовательской работы являлось определение температур на внешней поверхности трубок промышленных теплообменных аппаратов Е–1561, Е–1562 на различных режимах работы, а также определение отрывных и застойных зон.

Для этого требовалось:

  • Определение температур на внешней поверхности трубок теплообменников Е–1561, Е–1562 при заданных Заказчиком режимах работы;
  • Исследование процесса теплопереноса в теплообменниках со слоем загрязнения на внешней поверхности трубок и без;
  • Получение подробной картины течения теплоносителей.

Для выполнения расчетных работ применялся метод конечных объёмов. Результаты сравнивались с экспериментальными данными. Моделирование производилось по геометрическим моделям, предоставленным Заказчиком.

Заказчик сообщил, что в исследуемых теплообменниках происходит коррозионный износ трубок предположительно из-за:

  • Высокого перепада температур теплоносителя и хладагента, что приводит к образованию отложений солей на поверхности трубок;
  • Низкой скорости потоков оборотной воды через теплообменное оборудование (0,24 м/с) и, как результат, увеличения образования отложений.

При моделировании учитывались загрязнения на внешней поверхности трубок и их тепловая проводимость и не учитывались отклонения от предоставленной конструкторской документации, включая, в частности, ошибки изготовления, сборки, изменения в ходе эксплуатации, о которых нет информации.

Предоставленная Заказчиком геометрическая модель теплообменников была отредактирована и подготовлена для расчетов в программе ANSYS SpaceClaim. На основе преобразованной геометрической модели была построена расчетная сетка в программе ANSYS Meshing. Расчеты проведены в ANSYS Fluent. Для визуализации результатов использовалась ANSYS CFD-Post.

В данной работе для моделирования процесса течения теплоносителей и вынужденного конвективного теплообмена уравнение Навье-Стокса осреднялись по Рейндольдсу и замыкались двухпараметрической моделью к – ε.

В решателях ANSYS Fluent используется метод конечного объёма. Метод конечного объёма основан на разбиении пространства, в котором течет среда, на множество ячеек простой геометрической формы (в данном случае тетраэдров).

Загрязнение учитывалось как термическое сопротивление сложной системы совместно с термическим сопротивлением материала трубок.

Первоначальной целью, прописанной в техническом задании, был подбор оптимального расхода охлаждающей воды, при котором внешняя температура трубок была бы меньше 95°С. Однако, на стадии предварительных расчетов было выявлено, что температура стенки не превосходит 93°С. Максимальная температура локализована в относительно малом регионе возле входа сдувочного газа. Средняя температура внешней поверхности составляет не более 40°С. Учитывая данное обстоятельство, по согласованию с заказчиком, было решено выполнить моделирование теплообмена внутри аппаратов с учетом внешнего загрязнения и без, а также при различных расходах охлаждающей воды.

Изометрический вид преобразованной геометрической модели теплообменника Е-1562
Рисунок 1. Изометрический вид преобразованной геометрической модели теплообменника Е-1562

Для проведения гидрогазодинамических расчетов с использованием метода конечного объема была построена тетраэдральная сетка с призматическими слоями в пристеночной области. Общее количество ячеек предварительной сетки – 7,6 миллионов. Сетка на которой проводился расчет – 20 миллионов. Сетка сгущена в областях где газодинамические параметры меняются наиболее быстро.

В результате моделирования теплообменника E–1561 было выявлено, что температура оборотной воды растет непрерывно от входа к выходу. Максимум температуры воды достигается не на выходе, а в зоне изгиба трубного пучка. Максимальная температура трубок в застойной зоне – 55°С, в то время как в месте течения отрыва – 30°С.

Максимальная температура на стенке трубки достигается возле входа газа в зону теплообмена. Максимальная температура стенки не превосходит указанные в техническом задании 95°С.

Полученная картина течения показывает, что в водяном тракте имеется множество отрывных и застойных зон, в которых температура воды и поверхности трубок достигает локального максимума. Профиль скорости течения, которое огибает разделительные перегородки, имеет периодический характер. Три основные застойные зоны на которые следует обратить внимание – это зона вблизи входа газа в охлаждающий тракт, застойные зоны между перегородками, зона изгиба трубок.

Температура оборотной воды на корпусе теплообменника Е–1561
Рисунок 2. Температура оборотной воды на корпусе теплообменника Е–1561

Геометрия теплообменников Е-1561 и Е-1562 подобна. Поэтому описания характерных гидродинамических процессов, приведенных выше, также применимы и к результатам моделирования теплообменника E–1562.

В ходе моделирования было выявлено, что застойные зоны образуются на входе и выходе из теплообменного аппарата. А течения через клапан оказывают существенное влияние на поле температур.

При расчете для теплообменника Е–1562 для трех разных режимов работы с учетом загрязнения граничным условием был расход охлаждающей воды: 3,013кг/с, 6,027кг/с и 9,041кг/с. Расход сдувочного газа для всех трех режимов одинаков. Результаты показали, что течения во всех трех случаях подобны. Характер течения также подобен.

В ходе детального исследования процессов теплообмена и картины течения рабочей среды теплообменных аппаратов Е – 1561 и Е – 1562 с учетом слоя загрязнения и без для теплообменника Е – 1562 был проведен сравнительный анализ трех разных режимов, в которых варьируется расход охлаждающей воды. Получены картины течения сдувочного газа и оборотной воды теплообменников. Численным путем определены температуры теплоносителей на выходе. Показаны области локального максимума температуры на поверхностях труб. Определено, что максимальная температура на поверхности труб не превышает значения в 95°С.

Проведенное моделирование подтвердило верность конструкторских решений.

Есть подобная задача? Звони!

Позвоните нам

+7 (495) 644-06-08

Напишите нам

info@digitaltwin.ru

Часы работы

Пн-Пт 9:00 – 18:00

Другие проекты

Отправить сообщение

    Свяжитесь с нами

    Позвоните нам

    +7 (495) 644-06-08

    Напишите нам

    info@digitaltwin.ru

    Часы работы

    Пн-Пт 9:00 – 18:00