Сравнение теплообменников со статической и динамической стенкой в процессе моделирования

Bridget Paulus 27/02/2018
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on LinkedIn

Благодаря небольшому размеру и эффективности компактные теплообменники используются во многих отраслях, включая отопление, вентиляцию и кондиционирование воздуха (ОВКВ), ядерную энергетику и электронику. Чтобы повысить интенсивность теплопередачи и уменьшить перепад давления в этих устройствах, было проведено большое количество исследований, в которых изучались различные проблемы, в том числе возможность включения в конструкцию деформируемой стенки. Используя программное обеспечение COMSOL Multiphysics®, можно исследовать конструкцию теплообменника с динамической стенкой.

Улучшение компактных теплообменников с использованием динамических стенок

По сравнению с другими типами компактные теплообменники имеют гораздо большую площадь теплопередачи на единицу объема, обычно за счет плотных массивов пластин или труб. Благодаря этому свойству такие теплообменники являются более легкими и компактными, чем классические. Одним из недостатков теплообменников малого размера являются более высокие перепады давления, что ограничивает расход и, следовательно, количество тепла, которое они могут передавать.

plate and frame heat exchanger Сравнение теплообменников со статической и динамической стенкой в процессе моделирования
Изображение пластинчатого теплообменника — распространенного типа компактных теплообменников.

В [1] исследовалась возможность улучшения характеристик компактных теплообменников за счет добавления динамической стенки. Когда стенка деформируется, в ней создаются колебания, которые помогают перемешивать жидкость и уменьшают пограничные тепловые слои. В результате теплообменник способен передавать больше тепла. Кроме того, колебания создают эффект накачки, аналогичный перистальтическому насосу. Это компенсирует потери давления, повышая эффективность теплообменника.

Колебания могли бы помочь улучшить характеристики компактных теплообменников. Используя программный пакет COMSOL Multiphysics, можно легко проверить эту идею путем создания модели теплообменника с динамической стенкой…

Моделирование теплообменника с учетом взаимодействия жидкости и конструкции в COMSOL Multiphysics®

Начнем с моделирования статического теплообменника без динамической стенки. Таким образом можно сравнить результаты для двух разных конструкций теплообменников.

Геометрическая модель статического теплообменника состоит из верхней стенки, нижней стенки и канала. Жидкость (в данном случае вода) движется в канале, и ее температура постепенно повышается за счет теплоты, подводимой через нижнюю стенку. На этой стенке мощность подвода тепла составляет 125 Вт. На выходе с помощью датчиков определяется температура и массовый расход воды в теплообменнике.

static heat exchanger geometry Сравнение теплообменников со статической и динамической стенкой в процессе моделирования
Геометрия статического теплообменника.

Теперь зададим деформацию на верхней стенке с помощью следующих параметров:

  • Время
  • Высота канала
  • Длина канала
  • Частота колебаний
  • Амплитуда колебаний
  • Количество волн в направлении длины канала

 

Анимация, показывающая деформацию динамической стенки.

Подробную информацию о том, как моделировать теплообменник с динамической стенкой, можно найти в Галерее приложений, где можно загрузить документацию по модели и файл MPH.

Чтобы смоделировать теплопередачу и колебания, мы используем два интерфейса. Первый — это мультифизическая связь Сопряженная теплопередача, которая позволяет учитывать передачу тепла между теплообменником и водой. Мы объединим этот интерфейс с функцией Moving Mesh (Подвижная сетка), которая позволяет моделировать деформацию стенки и канала.

Статические и осциллирующие теплообменники

Посмотрим на результаты для статического анализа теплообменника. Когда верхняя стенка остается плоской, массовый расход равен 5,5 г/с, а коэффициент теплопередачи составляет 2900 Вт/м2.

temperature profile static heat exchanger simulation plot Сравнение теплообменников со статической и динамической стенкой в процессе моделирования
Профиль температуры в канале для статического теплообменника.

Теперь рассмотрим поведение теплообменника с динамической стенкой во времени. Колебания достигают псевдопериодического состояния примерно через 0,6 секунды. После того, как теплообменник входит в этот режим, средний массовый расход составляет 10,5 г/с, что почти в два раза превышает расход в статических условиях. Как и ожидалось, коэффициент теплопередачи также выше — примерно 19000 Вт/м2 для амплитуды колебаний 90%.

Temperature flow rate dynamic wall heat exchanger Сравнение теплообменников со статической и динамической стенкой в процессе моделирования
temperature profile heat exchanger plot Сравнение теплообменников со статической и динамической стенкой в процессе моделирования

Слева: Изменения температуры и расхода. Справа: Профиль температуры в канале теплообменника с динамической стенкой.

С помощью моделирования можно анализировать и оптимизировать конструкции теплообменников с целью достижения максимальной производительности и эффективности.

Дальнейшие шаги

Узнайте больше о моделировании теплопередачи

Библиография

  1. P. Kumar, K. Schmidmayer, F. Topin, and M. Miscevic, “Heat transfer enhancement by dynamic corrugated heat exchanger wall: Numerical study,” Journal of Physics: Conference Series, vol. 745, 2016.

Загрузка комментариев...

Темы публикаций


Теги

3D печать Cерия "Гибридное моделирование" Введение в среду разработки приложений Видео Волновые электромагнитные процессы Глазами пользователя Графен Интернет вещей Кластеры Моделирование высокочастотных электромагнитных явлений на различных пространственных масштабах Модуль AC/DC Модуль CFD Модуль MEMS Модуль Акустика Модуль Геометрическая оптика Модуль Механика конструкций Модуль Нелинейные конструкционные материалы Модуль Оптимизация Модуль Плазма Модуль Радиочастоты Модуль Роторная динамика Модуль Химические реакции Охлаждение испарением Пищевые технологии Рубрика Решатели Серия "Геотермальная энергия" Серия "Конструкционные материалы" Серия "Электрические машины" Серия “Моделирование зубчатых передач” Сертифицированные консультанты Термовязкостная акустика Технический контент Указания по применению модуле Теплопередача модуль Вычислительная гидродинамика физика спорта