Моделирование работы трубчатых теплообменников методом сглаженных частиц

Цели. В работе теплообменных аппаратов ключевую роль играет скорость теплопередачи в условиях ограниченного пространства. Форма сечения труб может повлиять на характеристики теплообмена. Хотя производство труб кругового сечения проще и обходится дешевле, теплообмен в аппаратах с трубами других поперечных сечений может происходить с большей скоростью, так, чтобы это давало экономические преимущества. Поэтому проведение математического моделирования гидродинамики и теплообмена в трубчатом теплообменном аппарате актуально и интересно как теоретически, так и с прикладной точки зрения.

Цель исследования – определение влияния формы сечения труб на интенсивность теплопередачи.

Методы. Численные исследования выполнены методом гидродинамики сглаженных частиц. Продемонстрированы возможности метода сглаженных частиц для решения задач промышленного теплообмена.

Результаты. Анализ интенсивности теплопередачи проведен для труб круглых и прямоугольных сечений. В случаях, когда поперечные сечения труб в теплообменнике являются вытянутыми вдоль некоторого направления, исследовано влияние расположения труб по отношению к набегающему потоку: длинной стороной вдоль потока или поперек его. Исследовано влияние на теплообмен выступов на поверхности труб. Проведен анализ обтекания труб с различными формами поперечных сечений. Выявлены особенности обтекания, найдены поля скоростей и температуры в объеме теплообменника. Найдены значения безразмерного теплового потока (числа Нуссельта) для каждого случая.

Выводы. Сделан вывод о малом влиянии оребрения труб при ламинарном режиме протекания нагреваемой жидкости через пучок труб-теплоносителей. Наибольшее значение теплового потока наблюдалось для труб прямоугольного сечения, расположенных длинной стороной поперек потока, причем различие с данными, полученными для стандартных круглых труб, составило более 15%.

1. Золотоносов Я.Д., Багоутдинова А.Г., Золотоносов А.Я. Трубчатые теплообменники. Моделирование, расчет. М.: Лань; 2021. 272 с. URL: https://lanbook.com/catalog/energetika/trubchatye-teploobmenniki-modelirovanie-raschet/

2. Головин В.А., Тюрина С.А., Щелков В.А. Современные подходы к снижению накипеобразования в теплообменном оборудовании. Russian Technological Journal. 2022;10(3):93–102. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2022-10-3-93-102

3. Cui P., Yang W., Zhang W., Zhu K., Spitler J.D., Yu M. Advances in ground heat exchangers for space heating and cooling: Review and perspectives. Energy and Built Environment. 2024;5(2):255–269. https://doi.org/10.1016/j.enbenv.2022.10.002

4. Luo J., Lu P., Chen K., Luo X., Chen J., Liang Y., Yang Z., Chen Y. Experimental and simulation investigation on the heat exchangers in an ORC under various heat source/sink conditions. Energy. 2023;264:126189. https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.126189

5. Сафронова Е.В., Спиридонов А.В., Молоток Е.В., Трус В.А. Компьютерное моделирование и оптимизация процессов теплообмена в программе ANSYS на примере теплообменного аппарата установки «НАФТАН». Вестник Полоцкого государственного университета. Серия B. Промышленность. Прикладные науки. 2024;49(1):95–100. https://doi.org/10.52928/2070-1616-2024-49-1-95-100

6. Артемьев Д.В., Зайцев А.В., Санавбаров Р.И. Моделирование процесса теплопередачи в кожухотрубном теплообменном аппарате. Вестник Международной Академии Холода. 2021;3:5–14. https://doi.org/10.17586/1606-4313-2021-20-3-5-14

7. Романова Е.В., Колиух А.Н., Лебедев Е.А. Применение пакета ANSYS при исследовании гидравлического сопротивления оребреного рекуператора. Вестник ТГТУ. 2017;23(3):420–427. https://doi.org/10.17277/vestnik.2017.03.pp.420-427

8. Кустов Б.О., Бальчугов А.В., Бадеников А.В., Герасимчук М.В., Захаров К.Д. Экспериментальные исследования перспективных способов интенсификации теплопередачи в трубчатом теплообменнике. Известия ТПУ. Инжиниринг георесурсов. 2020;331(3):174–183. https://doi.org/10.18799/24131830/2020/3/2560

9. Rana S., Zunaid M., Kumar R. CFD analysis for heat transfer comparison in circular, rectangular and elliptical tube heat exchangers filled with PCM. Mater. Today Proc. 2022;56(2):637–644. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.12.412

10. Khuda M.A., Sarunac N. A comparative study of latent heat thermal energy storage (LTES) system using cylindrical and elliptical tubes in a staggered tube arrangement. J. Energy Storage. 2024;87:111333. https://doi.org/10.1016/j.est.2024.111333

11. Monaghan J.J. Smoothed Particle Hydrodynamics. Reports on Progress in Physics. 2005;68(8):1703. https://doi.org/10.1088/0034-4885/68/8/R01

12. Lucy L.B. A numerical approach to the testing of the fission hypothesis. Astron. J. 1977;82:1013–1024. https://doi.org/10.1086/112164

13. Morris J.P., Fox P.J., Zhu Y. Modeling Low Reynolds Number Incompressible Flows Using SPH. J. Comput. Phys. 1997;136(1):214–226. https://doi.org/10.1006/jcph.1997.5776

14. Hosain M.L., Dominguez J.M., Bel Fdhila R., Kyprianidis K. Smoothed particle hydrodynamics modeling of industrial processes involving heat transfer. Appl. Energy. 2019;252:113441. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.113441

15. Jonsson P., Andreasson P., Hellström J.G.I., Jonsén P., Lundström T.S. Smoothed Particle Hydrodynamic simulation of hydraulic jump using periodic open boundaries. Appl. Math. Model. 2016;40(19–20):8391–8405. https://doi.org/10.1016/j.apm.2016.04.028

16. Афанасьев В.Н., Кон Дехай, Егоров К.С. Верификация моделей для турбулентных тепловых потоков при обтекании прямоугольного выступа на пластине. Известия вузов. Машиностроение. 2019;1(706):58–71. http://doi.org/10.18698/0536-1044-2019-1-58-71