Решение сопряженной задачи теплообмена для конических теплообменных аппаратов

АКТУАЛЬНОСТЬ Статья посвящена вопросам разработки новых конструкций теплообменных аппаратов и оценки эффективности их работы. По мнению авторов, в настоящее время особый интерес представляют трубчатые теплообменные аппараты, поэтому объектом исследования в данной работе является змеевиковый теплообменный аппарат в форме усечённого конуса на базе пружинно-витого канала. Применение в производственной сфере предлагаемых теплообменных элементов и аппаратов требует проведения дополнительных исследований. ЦЕЛЬ исследования заключается в разработке методики постановки и решения сопряженной задачи теплообмена для конических змеевиковых теплообменны аппаратов с теплообменным элементом в форме пружинно-витого канала, анализ полученных результатов и оценка эффективности по сравнению с коническим и цилиндрическим теплообменными аппаратами на базе гладкостенных теплообменных элементов. МЕТОДЫ. Для численного решения сопряженной задачи теплообмена применялся МКЭ, реализованный в программе Ansys Fluent. РЕЗУЛЬТАТЫ. Основные результаты настоящего исследования представляют собой математическую модель геометрии поверхности исследуемого теплообменного аппарата и алгоритм расчёта конических змеевиковых трубчатых теплообменников, реализованные в программе Ansys Fluent. В ходе работы были определены теплогидродинамические показатели змеевиковых аппаратов. Также было проведено сравнение змеевиковых теплообменных аппаратов: конического на базе пружинно-витого канала с коническим и цилиндрическим с гладкостенным теплообменным элементом. Результаты расчетов показали, что замена гладкостенной трубы на пружинно-витой канал значительно повышает эффективность теплообменного оборудования. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Важность полученных результатов заключается в том, что они могут быть использованы для разработки более компактного и эффективного теплообменного оборудования, которое необходимо в современных производственных процессах. По результатам расчетов конический теплообменник показал более высокие результаты по сравнению с цилиндрическим с теплообменным элементом в виде гладкой трубы, так как для достижения одинаковой температуры на выходе нагреваемого теплоносителя потребовалась меньшая площадь теплообменной поверхности.

1. Производство промышленного оборудования от Торговая марка ТРАКОН [Электронный ресурс] // Теплообменное оборудование: URL: https://www.tracon.ru/katalog-oborudovaniya/teploobmennoe-oborudovanie (датаобращения 13.11.2024).

2. Крутова И. А., Золотоносов Я. Д. Компьютерное моделирование гидродинамики и теплообмена в конических змеевиковых теплообменниках типа «труба в трубе» // Известия КГАСУ. 2020. № 3 (53). С. 65–73.

3. Справочник по теплообменникам: В 2-х т. T. 2 / C 74 Пер. с англ. под ред. О. Г. Мартыненко и др.— М.: Энергоатомиздат, 1987.— 352 с.: ил.

4. Попов, И. А. Физические основы и промышленное применение интенсификации теплообмена: [монография] / И. А. Попов, Х. М. Махянов, В. М. Гуреев; М-во образования и науки Российской Федерации, Казанский гос. технический ун-т им. А. Н. Туполева, ООО "Упр. компания "КЭР-Холдинг»; под общ. ред. Ю. Ф. Гортышова. — Казань: Центр инновационных технологий, 2009. — 559 с. : ил., табл., цв. ил. : 21 см — (Интенсификация теплообмена).; ISBN 978-5-93962-383-4.

5. Гильфанов К.Х., Шакиров Р.А. Гайнуллин Р.Н., Коннов Ф.В. Способ интенсификации теплообмена на основе интеллектуального управления режимными характеристиками теплообменного оборудования // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. №4 (56). С. 91-102.

6. Муравьев А.В., Кожухов Н.Н., Прутских Д.А., Ильин В.К. Исследование теплогидравлических характеристик криволинейного канала с кольцевыми турбулизаторами // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2024. Т. 16. № 1 (61). С. 102- 116.

7. Патент № 62694 на пол. мод. РФ. Теплообменный элемент / Золотоносов А.Я., № 2006143517/22, 2006.12.07; опубл. 07.12.2006, Бюл. № 5.

8. Золотоносов, Я. Д. Трубчатые теплообменники. Моделирование, расчет: монография / Я. Д. Золотоносов, А. Г. Багоутдинова, А. Я. Золотоносов. — Санкт-Петербург: Лань, 2022. — 272 с. — ISBN 978-5-8114-3411-4.

9. M. A. Radwan, M. R. Salem, H. A. Refaey and M. A. Moawed.: Experimental study on convective heat transfer and pressure drop of water flow inside conically coiled tube-in-tube heat exchanger. Engineering Research Journal (ERJ). 2019, vol. 1, №39, pp. 86-93.

10. Sheeba, A., Akhil, R., Prakash, J.: Heat Transfer and Flow Characteristics of a Conical Coil Heat Exchanger. International Journal of Refrigeration, 110, 268-276 (2020).

11. Khurana, Hitesh & Majumdar, Rudrodip & Saha, Sandip. (2021). Numerical investigation on the performance of the helical and conical coil heat exchanger configurations in the dynamic mode of heat extraction. 10.1063/5.0134122.

12. Багоутдинова А. Г., Вачагина Е. К., Золотоносов Я. Д. Математическое моделирование поверхностей теплообмена пружинно-витых каналов // Известия КазГАСУ. 2017. №3 (41).].

13. Iraida Krutova and Yakov Zolotonosov Geometric modeling of coil heat exchanger based on spring-twisted channel, издательство: Springer Science and Business Media Deutschland Gm, Берн, За рубежом, номер: 169, 2021, 194-202 с.

14. Вачагина Е.К. Сопряженная задача теплообмена при течении жидкостей в змеевиках с изменяющимся радиусом изгиба винтовой спирали / Вачагина Е.К., Багоутдинова А.Г., Золотоносов Я.Д., Князева И.А. // Вестник Казанского технологического университета. –2015. – № 16. –С. 234- 238.

15. A Correction Factor-Based General Thermal Resistance Formula for Heat Exchanger Design and Performance Analysis / Ju. Hao, Q. Chen, X. Li, T. Zhao // Journal of Thermal Science. – 2021. – Vol. 30, No. 3. – P. 892-901. – DOI 10.1007/s11630-021-1369-8. – EDN NRFZNO.