Jednym z najważniejszych wyzwań projektantów obecnych czasów jest dążenie do zmniejszenia gabarytów urządzeń, a przy tym zachowanie ich wysokich sprawności. W tym celu niezbędne jest zachowanie prawidłowej wymiany ciepła, zintensyfikowanie procesów transportu masy, energii i pędu. Wyjątku nie stanowią tutaj wymienniki ciepła o przepływie krzyżowo-prądowym z rurami eliptycznymi, w których uzyskanie prawidłowego rozpływu czynnika roboczego w przestrzeni rurowej, przy stosowanych obecnie rozwiązaniach komór: wlotowych i wylotowych (w niektórych konstrukcjach również nawrotnych), jest praktycznie niemożliwe do osiągnięcia. Brak równomiernego napływu cieczy do poszczególnych rurek wymiennika ciepła jest przyczyną niewłaściwej wymiany ciepła w niektórych z nich. Dotyczy to szczególnie rurek o przekroju eliptycznym, często stosowanych z uwagi na ich pozytywne cechy w porównaniu z rurami okrągłymi, m.in. bardziej aerodynamiczny kształt co sprawia, że przepływ czynnika roboczego przez przestrzeń między rurkami jest korzystniejszy. Działają korzystniej nie tylko przy mniejszym spadku ciśnienia, ale także korzystniejsze są rozkłady prędkości, ponieważ strefy przepływu ulegają zmniejszeniu. W efekcie, którym jest wyższy współczynnik wymiany ciepła od gazu do ścianki takiej rury, ze względu na intensywniejszy proces wymiany ciepła. Pozwala to w konsekwencji na zmniejszenie gabarytów urządzenia w stosunku do tego, w którym stosuje się rurki okrągłe.
Wadą tego typu wymienników ciepła jest nierównomierne rozprowadzanie cieczy do poszczególnych jego rur. Przyczyną tego zjawiska jest najprawdopodobniej obecny kształt oraz stosunkowo małe wymiary komór wlotowych i wylotowych. Powyższy fakt powoduje, że prędkości przepływu płynu w rurach takiego wymiennika ciepła mogą się znacznie różnić od siebie, ale w niektórych przypadkach mogą być nawet przeciwne do pożądanych. Skutkuje to niekorzystnymi warunkami eksploatacji, w tym zazwyczaj wysokimi termicznymi naprężeniami ściskającymi, spowodowanymi przegrzewaniem ścian rur.
Analizy warunków pracy omawianych wymienników ciepła wskazują, że w ich eliptycznych rurach przepływy cieczy może występować we wszystkich reżimach, tj. laminarnym, przejściowym i turbulentnym. Świadczą o tym lokalizacje uszkodzeń w tych urządzeniach oraz wyniki symulacji numerycznych warunków cieplno-przepływowych. Szczególnie przepływ przejściowy jest zjawiskiem bardzo złożonym i trudnym do modelowania matematycznego. Jest to stosunkowo słabo poznane, a możliwych korelacji pozwalających na wyznaczenie współczynnika wnikania ciepła od cieczy przepływającej w przestrzeni rurowej do ścianki rury wymiennika jest kilka. Nie zawsze konkretny model turbulencji: k-ε, k-ω, SST lub SST-TR, pozwala na określenie prawidłowych wartości współczynnika przenikania ciepła zwłaszcza dla rury w układzie poziomym. Ich wykorzystanie w obliczeniach numerycznych podczas różnych analiz wymaga oceny i potwierdzenia przydatności (w przypadku omawianych urządzeń np. do wyznaczania parametrów cieczy takich jak prędkość przepływu czy rozkłady temperatury). Opracowane modele matematyczne wymagają, zatem weryfikacji eksperymentalnej, zwłaszcza dla przepływu przejściowego.
W rozprawie doktorskiej przedstawiono dwa zbudowane stanowiska badawcze w Katedrze Energetyki Politechniki Krakowskiej, a dane pomiarowe wykorzystano do oceny wyników uzyskanych z obliczeń numerycznych, zwłaszcza w zakresie przepływu przejściowego.
Pierwsze ze stanowisk służy do wyznaczania współczynnika wnikania ciepła od ścianki do czynnika przepływającego (wody) wewnątrz rury eliptycznej. Jego podstawę stanowi rura eliptyczna, a pozostałe elementy stanowią: zbiorniki wody, pompa zasilająca, chłodnica, kształtki i armatura łączeniowa, układ zasilania i regulacji systemu grzewczego oraz aparatura kontrolno-pomiarowa.
Dane pomiarowe uzyskane na stanowisku do wyznaczania współczynnika wnikania ciepła porównano z symulacjami CFD, przy zastosowaniu modelu SST-TR wskazując, że błąd względny średniej temperatury wody na wylocie z odcinka ogrzewanego nie przekracza 4,4%. W przypadku średniej temperatury ścianki rury eliptycznej w pobliżu jej wewnętrznej powierzchni (strefy wylotowej) błąd jest mniejszy i wynosi około 1%. Jednak błąd względny wyznaczonej numerycznie średniej wartości współczynnika wnikania ciepła jest wyższy i sięga około 11%.
Wyniki pomiarów eksperymentalnych są zgodne z symulacjami CFD, można zatem stwierdzić, że zaproponowania metodyka wyznaczania współczynnika jest prawidłowa w pełnym zakresie przepływów: laminarnym, przejściowym czy turbulentnym. Natomiast dobrze znane w literaturze korelacje współczynnika wnikania ciepła wyznaczone przez Gnielińskiego czy Dittus-Boelter prawidłowo przewidują przepływy w zakresie laminarnym. W przypadku przepływu przejściowego i turbulentnego różnicę, są wysokie i nie zaleca się stosowania tych korelacji podczas modelowania wymienionych przepływów.
Drugie ze stanowisk badawczych, którego głównym elementem jest wymiennik ciepła, usytuowany jest pionowo i złożony jest z 20 eliptycznych rurek, zabudowanych naprzemiennie w dwa rzędy.
Uzyskane wyniki pomiarów potwierdzają fakt, że rozpływ czynnika roboczego do przestrzeni rurowej krzyżowo-prądowego wymiennika ciepła, charakteryzuje nierównomierność. Przedstawione w pracy wyniki pomiarów wskazują, że największe różnice przepływu dotyczą rurek usytuowanych pod króćcem wlotowym.
Wyniki symulacji CFD potwierdzają zgodność z uzyskanymi wynikami pomiarów eksperymentalnych. Niewielkie rozbieżności obserwowane są w rejonie za króćcem wlotowym, gdzie symulacja CFD przewiduje nieco wyższą wartość natężenia przepływu, podczas gdy niższe natężenia przepływu są obliczane w rurkach sąsiednich. Dlatego dla rury eliptycznej przy przepływie wewnętrznym o liczbie Re od 1800-3100, model turbulencji SSG Reynolds Stress Transport zapewnia zadowalającą zgodność z danymi pomiarowymi.
Zaprojektowane konstrukcje kolektorów wymiennika ciepła pozwoliły na zmniejszenie nierównomierności przepływu w przestrzeni rurowej wymiennika ciepła z rurami eliptycznymi do poziomu: 56% - przepływ laminarny, 8% - przepływ przejściowy, 14% - przepływ turbulentny.
One of the most important challenges of designers today is the desire to reduce the dimensions of the devices, and at the same time maintain their high efficiency. For this purpose, maintaining proper heat transfer as well as intensification of mass, energy and momentum transportation is a necessity. Cross-flow heat exchangers are no exceptions and are impossible to achieve obtaining correct working fluids flow inside the tubular space with using today’s technology solutions of inlet and outlet manifolds (in some cases also reversing manifolds). Lack of an even liquid flow in each individual heat exchanger tubes are cause of improper heat transfer in some of them. This is particularly valid for elliptical tubes - often used because of their advantages compared to round tubes, including lower pressure drop and more favorable heat transfer conditions. In comparison with round tubes, the elliptical tubes have a better aero-dynamic shape, which results in a lower pressure drop of working fluid flowing through the inter-tubular space of heat exchanger. They not only perform better in fewer pressure loss but also distribution of velocity is more favorable in flow zones which are reduced. Effectively we observe significantly higher heat transfer coefficient from gas to inside the tube walls due to intensive heat exchange process. In consequence the overall dimensions of the device are reduced in relation to that in which round tubes are used.
Disadvantage for this type of heat exchangers is an uneven distribution of liquids in each tube. The reason behind this phenomenon is manifolds present shape as well as relatively small dimension of inlet and outlet manifold. Above fact causes variable speed rate of fluids inside the heat exchanger and in some cases, they can be even opposite to desired outcome. In results we are facing unfavorable operating conditions including high thermal compressive stresses due to overheated tube walls.
Analysis of discussed heat exchangers working conditions indicates that flowing liquids in elliptical tubes can occur in all regimes i.e., laminar, transitional and turbulent. Location of damages proves that in these devices as well as numerical simulation of thermal-flow studies. Transient flow is particularly difficult for mathematic modeling for such complex occurrence. This is still not fully studied and understood and there are several possible correlations allowing the determination of heat transfer coefficient from wall to flowing liquid inside the tubular space. Not always a specific model of turbulence: k-ε, k-ω, SST or SST-TR allows to determine the correct values of the heat transfer coefficient, especially for tubes horizontally arranged.
Their use in numerical calculations during various analyzes requires evaluation and confirmation of their suitability (in the case of the discussed devices, i.e., for determining liquid parameters such as flow velocity or temperature distributions). Therefore, developed mathematical models require experimental verification, especially for the transient flow.
This Dissertation presents two research stand outs in the Department of Energy, at Cracow’s University of Technology and the measurement data were used to evaluate the results obtained from numerical calculations, especially in the transitional flow regime.
The first stand determines the heat transfer coefficient from the wall to the flowing medium (water) inside the elliptical tube. The base is an elliptical tube and the remaining elements are; water tanks, feed pump, cooler, fittings and connection fittings, heating system supply, regulation system, control and measurement equipment. To obtain a constant density of the heat flux weighting out the elliptical tube, a resistance wire was used, alternately winded up with an insulating cord on the outer surface of its measuring section.
The analysis of measurements data was obtained on the stand to determine the heat transfer coefficient and compared with CFD simulations, using the SST-TR model, indicating relative error of the average water temperature at the outlet from the measuring section which does not exceed 4.4%. The average temperature of the elliptical tube wall near its inner surface (in the exit zone) is very close, and the relative error is about 1%. However, the relative error of the numerically determined value of the heat transfer coefficient is higher and reaches about 11%.
The results of experimental measurements confirm the compatibility with CFD simulations; therefore, it can be concluded that the proposed methodology for determining the heat transfer coefficients is correct in the full range of flows: laminar, transient or turbulent. On the other hand, the well-known correlations of the heat transfer coefficient determined by Gnieliński or Dittus-Boelter correctly predict flows in the laminar regime. In the case of transient and turbulent flows, the difference between the experimental results and CFD simulations is very high and it is not recommended to use these correlations when modeling these flows.
The second measurement stand of which is a heat exchanger, is situated vertically and consists of 20 elliptical tubes arranged staggered in two rows. The stand consists of the following elements: feed water tank, circulation pump, steel and flexible tubes, total flow meter, inlet and outlet manifolds, ultrasonic flow meters on each of the tubes.
The obtained measurement results confirming fact that the flow of the working medium inside tubular space of cross-flow heat exchanger is characterized by non-uniformity. Results of measurements presented in the dissertation shows that, greatest differences in flow relate to the tube located under inlet nozzle.
The CFD simulation results confirm compliance with obtained results of experimental measurements. Slight discrepancies are observed in downstream of the inlet nozzle, where the CFD simulation predicts a slightly higher flow rate, while lower flow rates are calculated near the inlet nozzle. Therefore, for an elliptical tube with internal flow Re from 1800-3100, the SSG Reynolds Stress Transport turbulence model provides a satisfactory compliance with the measurement data.
The designed structures of the heat exchanger manifold allow to reduce uneven flow in the tubular space heat exchanger with elliptical tubes to the level of: 56% - laminar flow, 8% - transitional flow, 14% - turbulent flow.
