Меню
Публикации
2024
2023
2022
2021
2020
2019
2018
2017
2016
2015
2014
2013
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
Главный редактор
НИКИФОРОВ
Владимир Олегович
д.т.н., профессор
Партнеры
doi: 10.17586/2226-1494-2023-23-4-820-827
УДК 536.24
Математическое моделирование теплообменного аппарата с учетом сильной зависимости вязкости нефти от температуры
Читать статью полностью
Язык статьи - русский
Ссылка для цитирования:
Аннотация
Ссылка для цитирования:
Курманова Д.Е., Джайчибеков Н.Ж. Математическое моделирование теплообменного аппарата с учетом сильной зависимости вязкости нефти от температуры // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2023. Т. 23, № 4. С. 820–827. doi: 10.17586/2226-1494-2023-23-4-820-827
Аннотация
Введение. Подогрев нефти и нефтепродуктов широко применяется для уменьшения энергопотерь при транспортировке. Течение в межтрубном пространстве теплообменника имеет сложный характер и зависит от многих факторов. Использование тонких трубок в теплообменных аппаратах геликоидного типа приводит к необходимости учета перехода режима течения от ламинарного к турбулентному. Традиционно используемые в численных расчетах полуэмпирические модели турбулентности не учитывают ламинарно-турбулентный переход. Разработан подход к определению эффективной длины теплообменного аппарата и температуры холодного теплоносителя на его выходе в случае сильной зависимости вязкости нефти от температуры с учетом возможности ламинарно-турбулентного перехода. В качестве нагреваемого теплоносителя рассмотрена нефть, а нагревающего компонента — вода. Метод. Новизна разработанного подхода заключается в применении модели турбулентности, учитывающей ламинарно-турбулентный переход, к расчету теплообменных аппаратов геликоидного типа. Для численного моделирования применены осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье–Стокса, замкнутые при помощи модели турбулентности γ–Reθt, учитывающей ламинарно-турбулентный переход. Основные результаты. Выполнено сравнение результатов численных расчетов с данными, полученными на основе метода среднелогарифмической разницы температур при постоянной и переменной вязкостях. В случае переменной вязкости нефти обнаружен переход ламинарного режима течения в турбулентный, который оказывает существенное влияние на эффективную длину теплообменного аппарата. Обсуждение. Результаты численных расчетов могут быть полезны при проектировании теплообменных аппаратов геликоидного типа.
Ключевые слова: энергетика, теплообмен, вязкость, гидродинамика, нефтепродукты, численное моделирование, ламинарно-турбулентный переход
Список литературы
Список литературы
- Nakaso K., Mitani H., Fukai J. Convection heat transfer in a shell-and-tube heat exchanger using sheet fins for effective utilization of energy // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2015. V. 82. P. 581–587. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.11.033
- Wang Y., Gu X., Jin Z., Wang K. Characteristics of heat transfer for tube banks in crossflow and its relation with that in shell-and-tube heat exchangers // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2016. V. 93. P. 584–594. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.10.018
- Araavind S., Athreya A.S. CFD analysis of shell and tube heat exchanger for pre-heating of biodiesel // International Journal of Advance Research in Science and Engineering. 2017. V. 6. N 7. P. 687–693.
- Abda A.A., Kareema M.Q., Najib S.Z. Performance analysis of shell and tube heat exchanger: parametric study // Case Studies in Thermal Engineering. 2018. V. 12. P. 563–568. https://doi.org/10.1016/j.csite.2018.07.009
- Лычаков В.Д., Егоров М.Ю., Щеглов А.А., Сивоволов А.С., Матяш А.С., Балунов Б.Ф. Анализ теплоотдачи сборок оребренных теплообменных элементов // Теплоэнергетика. 2022. № 3. С. 63–71.
- Darbandi M., Abdollahpour M.-S., Hasanpour-Matkolaei M. A new developed semi-full-scale approach to facilitate the CFD simulation of shell and tube heat exchangers // Chemical Engineering Science. 2021. V. 245. P. 116836. https://doi.org/10.1016/j.ces.2021.116836
- Bizhan K.G., Mohammad R.D., Hossein P. Prediction of kinematic viscosity of petroleum fractions using artificial neural networks // Iranian Journal of Oil and Gas Science and Technology. 2014. V. 3. N 2. P. 51–65.
- Boda M.A., Bhasagi P.N., Sawade A.S., Andodgi R.A. Analysis of kinematic viscosity for liquids by varying temperature // International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology. 2015. V. 4. N 4. P. 1951–1954. https://doi.org/10.15680/IJIRSET.2015.0404020
- Lee B.I., Kesler M.G. A generalized thermodynamic correlation based on three-parameter corresponding states // AIChE Journal. 1975. V. 21. N 3. P. 510–527. https://doi.org/10.1002/aic.690210313
- Аралов О.В., Буянов И.В., Саванин А.С., Иорданский Е.И. Исследование методов расчета кинематической вязкости нефти в магистральном нефтепроводе // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2017. Т. 7. № 5. С. 97–105.
- Yogesh S.S., Selvaraj A.S., Ravi D.K., Rajagopal T.K.R. Heat transfer and pressure drop characteristics of inclined elliptical fin tube heat exchanger of varying ellipticity ratio using CFD code // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018. V. 119. P. 26–39. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.11.094
- Chen K., Mohammed H.I., Mahdi J.M., Rahbari A., Cairns A., Talebizadehsardari P. Effects of non-uniform fin arrangement and size on the thermal response of a vertical latent heat triple-tube heat exchanger // Journal of Energy Storage. 2022. V. 45. P. 103723. https://doi.org/10.1016/j.est.2021.103723
- Osley W.G., Droegemueller P., Ellerby P. CFD investigation of heat transfer and flow patterns in tube side laminar flow and the potential for enhancement // Chemical Engineering Transactions. 2013. V. 35. P. 997–1002. https://doi.org/10.3303/CET1335166
- Karar O., Emani S., Gounder S.M., Myo Thant M.M., Mukhtar H., Sharifpur M., Sadeghzadeh M. Experimental and numerical investigation on convective heat transfer in actively heated bundle-pipe // Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. 2021. V. 15. N 1. P. 848–864. https://doi.org/10.1080/19942060.2021.1920466
- Rana S., Zunaid M., Kumar R. CFD approach for the enhancement of thermal energy storage in phase change material charged heat exchanger // Case Studies in Thermal Engineering. 2022. V. 33. P. 101921. https://doi.org/10.1016/j.csite.2022.101921
- Allouche Y., Varga S., Bouden C., Oliveira A.C. Validation of a CFD model for the simulation of heat transfer in a tubes-in-tank PCM storage unit // Renewable Energy. 2016. V. 89. P. 371–379. https://doi.org/10.1016/j.renene.2015.12.038
- Balaji D., Prakash L.S.S. CFD analysis of a pressure drop in a staggered tube bundle for a turbulent cross flow // International Advanced Research Journal in Science, Engineering and Technology. 2016. V. 3. N 2. P. 35–40. https://doi.org/10.17148/IARJSET.2016.3209
- Czarnota T., Wagner C. Turbulent convection and thermal radiation in a cuboidal Rayleigh–Bénard cell with conductive plates // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2016. V. 57. P. 150–172. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2015.10.006
- Mohanan A.K., Prasad B.V., Vengadesan S. Flow and heat transfer characteristics of a cross-flow heat exchanger with elliptical tubes // Heat Transfer Engineering. 2021. V. 42. N 21. P. 1846–1860. https://doi.org/10.1080/01457632.2020.1826742
- Тугунов П.И., Новоселов В.Ф., Коршак А.А., Шаммазов А.М. Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации нефтебаз и нефтепроводов. М.: Дизайн Полиграф Сервис, 2002. 234 с.
- Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). М.: Энергоатомиздат, 1990. 360 с.
- Петухов Б.С., Генин Л.Г., Ковалев С.А. Теплообмен в ядерных энергетических установках. М.: Атомиздат, 1974. 408 с.
- Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. М.: Энергоатомиздат, 1990. 367 с.
- Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA Journal. 1994. V. 32. N 8. P. 1598–1605. https://doi.org/10.2514/3.12149
- Menter F., Esch T., Kubacki S. Transition modelling based on local variables // Engineering Turbulence Modelling and Experiments. Elsevier, 2002. P. 555–564. https://doi.org/10.1016/b978-008044114-6/50053-3
- Langtry R.B., Menter F.R. Correlation-based transition modeling for unstructured parallelized computational fluid dynamics codes // AIAA Journal. 2009. V. 47. N 12. P. 2894–2906. https://doi.org/10.2514/1.42362
- Coder J.G., Maughmer M.D. Computational fluid dynamics compatible transition modeling using an amplification factor transport equation // AIAA Journal. 2014. V. 52. N 11. P. 2506–2512. https://doi.org/10.2514/1.j052905
- Menter F.R., Smirnov P.E., Liu T., Avancha R. A one-equation local correlation-based transition model // Flow, Turbulence and Combustion. 2015. V. 95. N 4. P. 583–619. https://doi.org/10.1007/s10494-015-9622-4
- Gorji S., Seddighi M., Ariyaratne C., Vardy A.E., O’Donoghue T., Pokrajac D., He S. A comparative study of turbulence models in a transient channel flow // Computers and Fluids. 2014. V. 83. P. 111–123. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2013.10.037
- Volkov K. Numerical analysis of Navier–Stokes equations on unstructured meshes // Handbook on Navier–Stokes Equations: Theory and Analysis. Nova Science, 2016. P. 365–442.
- Volkov K. Multigrid and preconditioning techniques in CFD applications // CFD Techniques and Thermo-Mechanics Applications. Springer, 2018. P. 83–149. https://doi.org/10.1007/978-3-319-70945-1_6
