Research of heat exchange processes in heat exchangers

АННОТАЦИЯ

В данной работе эксперименты по теплопередаче в компактном теплообменнике проводятся при различных условиях теплообмена вода-воздух. Характеристики отвода тепла в компактном полипропиленовом теплообменнике были получены для различных условий испытаний. Обсуждается влияние таких условий на входе, как расход воды и массовый расход воздуха.

ABSTRACT

In this study, heat transfer experiments in a compact heat exchanger are carried out under various conditions of water-air heat exchange. Heat rejection performance in a compact polypropylene heat exchanger was obtained for various test conditions. The influence of inlet conditions such as water flow and mass air flow is discussed.

Ключевые слова: теплообменники, коррозии, загрязнения, визуализация, теплопередачи.

Keywords: heat exchangers, corrosion, pollution, visualization, heat transfer.

Многие доступные используемые теплообменники сделаны из таких металлов, как алюминий и нержавеющая сталь. Хотя металлы являются хорошими проводниками тепла, они также имеют недостатки с точки зрения стоимости, веса, коррозии и загрязнения. Это привело к необходимости разработки альтернативных теплообменников из полимерных материалов. Использование полимерных теплообменников обеспечивает значительную экономию затрат и веса, а полимеры устойчивы к коррозии и загрязнению, что дает им преимущество перед металлическими теплообменниками [1-2].

Распределение потока внутри канала пластинчатого теплообменника показано на рисунках 1 и 2. На обоих этих рисунках распределение потока изображено линиями пути для водяных и воздушных потоков. Число Рейнольдса для водяного потока составляет более 50, а для воздушного потока - более 600. В результате в этом моделировании была использована ламинарная модель.

Рисунок 1. Визуализация потока внутри пластинчатого теплообменника, показывающая снижение температуры в направлении потока

Рисунок 2. Визуализация потока внутри пластинчатого теплообменника для воздушного канала, которая указывает на повышение температуры в направлении потока

Распределение температуры внутри водного канала показано на рисунке 3. Распределение температуры постепенно меняется от верха канала к низу, как ясно показано на рисунке.

Рисунок 3. Распределение температуры внутри водного канала

Изменение температуры на поверхности пластин пластинчатого теплообменника за счет передачи тепла от горячей воды к холодному воздуху показано на рисунке 4. На этом рисунке диапазон теплопередачи определяется по изменению цвета поверхности пластины.

Рисунок 4. Распределение температуры по поверхности пластин пластинчатого теплообменника

На рис. 5 показаны линии тока потока, окрашенные по величине скорости внутри водного канала. Как показано на рисунке, поток воды проходит от входа к внутреннему водяному каналу, прежде чем повернуть вниз, чтобы распределиться внутри канала.

Рисунок 5. Линия скорости потока внутри водного канала. Вода входит в верхний левый угол и выходит в нижнем левом углу

Эксперименты по теплообмену в компактном полипропиленовом теплообменнике проводились при различных условиях теплообмена вода-воздух. Были получены скорости отвода тепла от воды к воздуху в компактном полипропиленовом теплообменнике. Результаты показывают, что степень отвода тепла увеличивается по мере увеличения массового расхода воды и воздуха. На основании всех проведенных испытаний был сделан вывод, что компактный теплообменник работает хорошо и может эффективно снижать температуру воды. Для исследования потока жидкости и теплообмена в компактном теплообменнике была разработана трехмерная вычислительная модель.

Получены результаты моделирования скоростей отвода тепла и проведено сравнение с экспериментальными результатами. Было обнаружено, что они хорошо согласуются. Кроме того, с использованием программного обеспечения FLUENT® было проведено сравнение тепла, отводимого полипропиленом и компактным теплообменником из алюминиевого сплава, и было обнаружено, что в компактном теплообменнике из полипропилена достигается 98% скорости передачи тепла, достигаемой теплообменником из алюминиевого сплава. Анализ характеристик модели компактного теплообменника из полипропилена, разработанный в этом исследовании, показывает, что эта модель является эффективным инструментом и может быть использована в будущих приложениях.

Список литературы:

1. Jeonggyun Ham, Jinhyun Kim, Honghyun Cho. Theoretical analysis of thermal performance in a plate type liquid heat exchanger using various nanofluids based on LiBr solution. // Applied Thermal Engineering. 2016. Vol. 108. p. 1020-1032.
2. Suxin Qian, Jianlin Yu, Gang Yan. A review of regenerative heat exchange methods for various cooling technologies. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017. Vol. 69. p. 535-550.