Αριθμητική και πειραματική μελέτη φαινομένων ροής ρευστών, θερμότητας και σωματιδίων σε πρότυπους εναλλάκτες θερμότητας

Abstract

This dissertation considers the technological problem of gas side particulate fouling that seriously affects the operation of heat exchanger tube bundles in cross-flow. Aiming to optimize the heat exchanger process, including fouling rate reduction with potential heat transfer enhancement and low pressure drop, a passive technique for flow control during the design of the heat exchanger is developed. In particular, although the vast majority of reported studies to date involve cylinders of an identical diameter, here, the implementation of a tube bundle consisting of alternately placed cylinders of different diameter is suggested. Based on observations from an extensive literature survey, initial numerical and experimental studies involve the primal geometry of two unequal sized cylinders in cross-flow, with a diameter ratio of d/D=0.5 placed in tandem and at different longitudinal pitches, SL/D=1.5, 2.0 and 2.5, at the subcritical Reynolds number of ReD=3900. For the numerical study of the flow, temperature and particle field around the cylinder pairs Large Eddy Simulation (LES) was used. The experimental approach included the construction of the cylinder arrangement, where hot wire measurements of the horizontal velocity distribution in the wake were conducted, and flow visualization around them was performed. The preferred primal unequal sized cylinder arrangement was then extended to form a heat exchanger tube bundle, where the effect of the transverse distance between the tubes (ST/D) was also studied, numerically and experimentally. Three tube bundle configurations were designed: the Arrangement AA with d/D=0.5, SL/D=1.5 and SΤ/D=3.6, the Arrangement AB with d/D=0.5, SL/D=1.5 and SΤ/D=2.5, and the Arrangement AG with d/D=1.0, SL/D=2.5 and SΤ/D=3.6. In the numerical study the three arrangements were compared in terms of heat transfer, pressure drop and gas-side fouling rates. Experimentally, the arrangements were constructed and connected to a water circuit/wind tunnel rig where the heat transfer on the external surface of the cylinders and the pressure drop across each configuration were measured. As far as the cylinder pairs are concerned, the study confirmed the initial assumption that velocity fluctuations in the wake of a cylinder are reduced with the upstream installation of another one, half the diameter. Moreover, the two-cylinder configuration with d/D=0.5 and SL/D=1.5 reduced the deposit formation on the second cylinder by 80%, as compared to a pair of equal sized cylinders. With regard to the heat exchanger configuration, when compared to the conventional tube bundle arrangement, the arrangement with d/D=0.5, SL/D=1.5 and SΤ/D=3.6 led to specific (per unit volume) heat transfer enhancement by 30-40% and reduced the particle deposition rates by 30% with indications of a negligible penalty in pressure drop.

Το τεχνολογικό πρόβλημα που αντιμετωπίζεται στη διατριβή αυτή είναι ο σχηματισμός επικαθίσεων ιπτάμενων σωματιδίων από την πλευρά της αέριας φάσης ο οποίος επιβαρύνει σημαντικά τη λειτουργία των εναλλακτών θερμότητας τύπου αυλών σε εγκάρσια ροή. Στοχεύοντας στη βελτιστοποίηση της διεργασίας των εναλλακτών η οποία αποτελεί συνδυασμό μείωσης των επικαθίσεων, πιθανής αύξησης της μεταφερόμενης θερμότητας και διατήρησης της πτώσης πίεσης σε χαμηλά επίπεδα, η διατριβή εστιάζει στην ανάπτυξη μιας παθητικής τεχνικής για τον έλεγχο της ροής κατά το στάδιο σχεδιασμού των εναλλακτών. Συγκεκριμένα, προτείνεται η χρήση εναλλάκτη θερμότητας αποτελούμενου από εναλλάξ τοποθετημένους ανισομεγέθεις κυλίνδρους, ενώ μέχρι σήμερα η συντριπτική πλειοψηφία των μελετών περιορίζεται στη μελέτη κυλίνδρων της ίδιας διαμέτρου. Με βάση ευρήματα από τη βιβλιογραφία, αρχικά μελετήθηκε, αριθμητικά και πειραματικά, η συμπεριφορά ζεύγους ανισομεγεθών κυλίνδρων με λόγο διαμέτρων d/D=0.5, τοποθετημένων σε οριζόντια σειρά, που υπόκεινται σε εγκάρσια ροή, σε τρεις διαφορετικές αποστάσεις: SL/D=1.5, 2.0 και 2.5, σε υποκρίσιμο αριθμό ReD=3900. Η αριθμητική μελέτη εστιάζει στην προσομοίωση του πεδίου ροής, θερμοκρασίας και σωματιδίων γύρω από τα ζεύγη των κυλίνδρων με τη μέθοδο της Προσομοίωσης Μεγάλων Δινών (LES). Η πειραματική προσέγγιση περιλαμβάνει αφενός την κατασκευή της διάταξης των κυλίνδρων και τη μέτρηση της κατανομής των οριζόντιων ταχυτήτων στον ομόρου, αφετέρου την οπτικοποίηση της ροής γύρω από αυτούς. Στη συνέχεια, η προκρινόμενη βασική διάταξη με τους ανισομεγέθεις κυλίνδρους επεκτάθηκε σε διάταξη εναλλάκτη θερμότητας όπου εξετάζεται, αριθμητικά και πειραματικά, η επίδραση και της εγκάρσιας απόστασης μεταξύ των κυλίνδρων (ST/D). Τρεις εναλλάκτες σχεδιάστηκαν: η Διάταξη ΑΑ με d/D=0.5, SL/D=1.5 και SΤ/D=3.6, η Διάταξη ΑΒ με d/D=0.5, SL/D=1.5 και SΤ/D=2.5, και η Διάταξη ΑΓ με d/D=1.0, SL/D=2.5 και SΤ/D=3.6. Η αριθμητική μελέτη τους αφορά στον προσδιορισμό της συμπεριφοράς τους ως προς το σχηματισμό επικαθίσεων, τη μετάδοση θερμότητας και την πτώση πίεσης που εισάγει η καθεμιά. Κατά την πειραματική προσέγγιση, οι τρεις διατάξεις αφού κατασκευάστηκαν και συνδέθηκαν σε κύκλωμα νερού, προσδιορίστηκε η μετάδοση θερμότητας στην εξωτερική επιφάνεια των σωλήνων βάσει συγκεκριμένης μεθοδολογίας υπολογισμού, καθώς και η πτώση πίεσης κατά μήκος της καθεμιάς. Σχετικά με το ζεύγος κυλίνδρων, η μελέτη επιβεβαίωσε την αρχική υπόθεση για μείωση των διαταραχών της ταχύτητας στον ομόρου ενός κυλίνδρου με την ανάντη τοποθέτηση ενός άλλου, της μισής διαμέτρου. Επιπλέον, το ζεύγος των ανισομεγεθών κυλίνδρων με d/D=0.5 και SL/D=1.5 μείωσε κατά 80% το σχηματισμό επικαθίσεων στην επιφάνεια του κατάντη κυλίνδρου, σε σχέση με το ζεύγος ισομεγεθών κυλίνδρων. Όσο αφορά στη διάταξη εναλλάκτη, η διάταξη με d/D=0.5, SL/D=1.5 και SΤ/D=3.6, συγκρινόμενη με τη συμβατική διάταξη εναλλάκτη, φάνηκε να μειώνει το ποσοστό επικαθήμενων σωματιδίων κατά 30%, να αυξάνει τη μετάδοση θερμότητας ανά μονάδα όγκου κατά 30-40% και ταυτόχρονα να διατηρεί την πτώση πίεσης στα ίδια επίπεδα με πριν.