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

Wymienniki ciepła, w zależności od przeznaczenia, różnią się między sobą konstrukcją i zasadą działania. Niezależnie od mediów wymieniających ciepło, prowadzone są prace na poprawą efektywności wymienników i zmniejszenia strat ciśnienia.

Wymienniki ciepła mają szerokie zastosowanie w przemyśle, wykorzystywane są m.in. do realizacji procesów chłodzenia, ogrzewania, skraplania lub odparowania.

Mimo wielu prowadzonych doświadczeń, wykonanych analiz i dostępnych konstrukcji, cały czas trwają prace nad ich udoskonalaniem. Dostępne korelacje empiryczne nadają się do analizy konstrukcji typowych.
W celu weryfikacji nowych rozwiązań można posłużyć się metodami doświadczalnymi, jest to jednak zwykle proces kosztowny i czasochłonny, w szczególności w zakresie wykonania prototypowego wymiennika.

Atrakcyjnym narzędziem analitycznym są symulacje numeryczne, dzięki którym możliwe jest stworzenie modelu wymiennika i przeprowadzenie symulacji jego pracy w środowisku obliczeniowym. W tym celu wykorzystywane są przepływowe analizy numeryczne CFD (Computational Fluid Dynamics).

Metoda CFD polega na rozwiązywaniu układów nieliniowych równań różniczkowych cząstkowych, opisujących przepływ masy, pędu i energii w badanym układzie.
Rozwiązania równań, przy określonych w symulacji warunkach brzegowych stanowią wartości ciśnienia, temperatury, prędkości przepływu, współczynników wnikania/przenikania ciepła itd., określające parametry pracy analizowanego elementu. W przypadku wymienników ciepła szczególnie ważnym parametrem jest współczynnik przenikania ciepła. Jest to współczynnik proporcjonalności opisujący ilość ciepła przenikającego przez przegrodę, która z obu stron otoczona jest płynami o określonych właściwościach cieplnych. Jego wartość jest funkcją wielu zmiennych, przez co jest trudny do precyzyjnego wyznaczenia bez pomocy metod numerycznych.

Wymienniki ciepła można klasyfikować na podstawie ich cech konstrukcyjnych. Główne z nich, to: konfiguracja przepływu, metoda budowy oraz mechanizm wymiany ciepła.
Ze względu na konfigurację przepływu, wymienniki dzielimy na: współprądowe, przeciwprądowe, o przepływie krzyżowym i hybrydowym.
Najczęściej stosowanym i zarazem najbardziej wydajnym układem jest układ o przepływie przeciwprądowym. Jest to spowodowane największą średnią różnicą temperatury pomiędzy płynami, która jest siłą napędową procesu wymiany ciepła.

W przypadku mechanizmów wymiany ciepła rozróżniamy mechanizmy jednofazowe i dwufazowe. W wymiennikach jednofazowych podczas wymiany ciepła nie występuje przemiana fazowa (zmiana stanu skupienia płynu), natomiast w wymiennikach dwufazowych ta przemiana występuje.
Przykładami wymienników dwufazowych są: parowniki, skraplacze, kotły.

Ze względu na metody budowy wyróżniamy wymienniki: rekuperacyjne, statyczne, dynamiczne, pośrednie, bezpośrednie.
Najczęściej stosowanymi w przemyśle typami pośrednich wymienników ciepła są: wymienniki z ożebrowanymi rurami (lamelowe) oraz płaszczowo-rurowe.

Lamelowe wymienniki ciepła są to urządzenia zbudowane z kilku lub kilkunastu rzędów rurek połączonych ze sobą kolektorami oraz lamel.
Lamele zwiększają powierzchnię wymiany ciepła oraz utrzymują równomierne spadki ciśnienia w wymienniku.

Pełna treść artykułu

mgr inż. Szymon Janusz, dr inż. Maciej Szudarek, dr Leszek Rudniak, dr inż. Marcin Borcuch

Źródło: Instal Nr 6/2022