CC BY
130
УДК662.99
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ПРОГРАММНОЙ СРЕДЕ SOLIDWORKS/FLOWSIMULATION
С.К.Лунева1
Санкт-Петербургский государственный экономический университет (СПбГЭУ)
191023, Санкт-Петербург, ул. Садовая, 21
Исследованы различные конструктивные схемы теплообменных аппаратов, для целей применения в конструкциях систем нагрева и охлаждения. На базе применения пакета SolidWorks/FlowSimulation рассмотрены возможности современных CAD/CAE- систем для исследования интенсивности конвективного теплообмена.
Ключевые слова: теплопередача, конвективный теплообмен, пограничный слой, модель турбулентности, CAD/CAE - технологии.
MODELING OF HEAT AND MASS TRANSFER PROCESSES IN THE SOFTWARE ENVIRONMENT SOLIDWORKS/FLOWSIMULATION
S. K. Luneva
Saint-Petersburg state economic University (FINEC), 191023, Saint-Petersburg, Sadovaya street, 21
Various constructive schemes of heat exchangers are investigated, for the purposes of application in designs of systems of heating and cooling. On the basis of Solid-Works/FlowSimulation package application the possibilities of modern CAD/CAE systems for the study of convective heat transfer intensity are considered.
Keywords: heat transfer, convective heat transfer, boundary layer, turbulence model, CAD/CAE technologies.
Введение
Нерациональное использование природных ресурсов приводит к их истощению, что является общемировой проблемой, но особенно актуальны эти проблемы для стран с выраженной сырьевой ориентацией экономики, к которым относится в том числе РФ. По данным Минприроды РФ в настоящее время практически исчерпаны рентабельно эксплуатируемые месторождения основных природных ресурсов. В ближайшее время добыча природных ресурсов будет производиться из трудно эксплуатируемых месторождений, себестоимость добычи топлива, в которых увеличится, а рентабельность снизится.
Государственная программа по энергосбережению и повышению эффективности промышленности способствует реализации мероприятий по энергосбережению, что позволит снизить энергоемкость ВВП РФ и повысить эффективность и конкурентоспособность экономики России. Рациональное использование вырабатываемых энергетических потоков и ресурсов дает возможность без дополнительных затрат обеспечить необходимым количеством энергии дополнительных потребителей или более полно удовлетворить технологические
нужды производства. Исследования энергоэффективности технологических процессов, а также теплогенерирующего, теплопередающего и теплопотребляющего оборудования и устройств свидетельствует о недостаточной их эффективности.
В данной статье представлены исследования повышения эффективности теплообмен-ных аппаратов различных технологических процессов посредством внесения конструкционных изменений для интенсификации процессов теплоотдачи и теплообмена. Интенсификация процессов теплообмена дает возможность повысить использования тепловой энергии, тем самым уменьшить количество потребляемых ресурсов и способствовать улучшению экологической ситуации. Поэтому активные исследования задач интенсификации процессов теплоотдачи являются актуальными и обусловлены значительным достигаемым экономическим и экологическим эффектом. Определение оценки эффекта является затруднительным, что обусловлено сложностью процессов теплообмена, зависящих от большого количества различных факторов, влияющих на процесс передачи тепловой энергии.
1Лунева Светлана Курусовна - доцент кафедры Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения, СПбГЭУ, тел.:+7 911 915 1610,e-mail: [email protected]
В основе процессов передачи тепловой энергии в теплообменных аппаратах лежат сложные процессы, в основном обусловленные действием двух механизмов переноса тепловой энергии - теплопроводности и конвективного переноса, в которых большая часть энергии передается посредством последнего механизма. Определение коэффициента теплоотдачи проводилось моделированием данных процессов с соблюдением условий подобия как геометрического, так и гидродинамического. Изучение процессов теплообмена моделированием процессов теплообмена вследствие этого является процессом трудоемким и затруднительным.
Современные пакеты вычислительных программ, такие как Comsol, MSC/Nastran, CFX, Fluent, Star-CD, LS-Dyna, Ansys, Abaqus, Flow Vision, MSC/Marc, Magmasoft, SolidWorks/FlowSimulation и др. дают возможность решения задач конвективного теплообмена, задач в области гидро-газодинамики и тепломассобменных процессов. В этих программах используются как метод сеток, так и метод конечных элементов [3], которые позволяют производить дискретизацию расчетных областей и отслеживать движение частиц среды с любой, наперед заданной, точностью. Эффективность этих методов подтверждается многими исследованиями [6-8].
Одним из наиболее эффективно используемых пакетов является программный пакет SolidWorks и в частности его модуль для моделирования течения жидкостей и газов - Flow Simulation, которое дает возможность рассчитать движение потоков различных теплоносителей (газов, жидкостей) в каналах различной конфигурации внутренних, а также при обтекании твердотельных моделей, построенных в CAD-среде SolidWorks. Реализованы расчеты теплопередачи путем конвекции (естественной и вынужденой), излучением и теплопроводностью с помощью технологий вычислительной гидрогазодинамики ((Computational Fluid Dynamics (CFD).
Программный пакет Flow Simulation моделирует движение потока, на основе решения уравнения Навье-Стокса [4 - 5], которое является интерпретацией законов сохранения массы, импульса и энергии для потока жидкости (газа). Уравнения дополнены выражениями состояния жидкости, которые определяют природу жидкости или газа и эмпирическими зависимостями их плотности, вязкости и теплопроводности от температуры. Несжимаемые неньютоновские жидкости рассматриваются по зависимости их динамической вязкости от скорости деформации сдвига и температуры, а сжи-
маемые жидкости рассматриваются по зависимости их плотности от давления. Также часть уравнений отвечает за геометрию потока, граничные и начальные условия.
Примеры моделирования и расчетов
теплообменных аппаратов
Для исследования эффективности теплообмена и создания эффективных теплооб-менных аппаратов исследованы различные методы интенсификации процессов теплообмена. Для увеличения эффективности теплообмена в теплообменных аппаратах, с теплоносителями, характеризующимися разными теплофизиче-скими свойствами используется оребрение со стороны теплоносителя, обладающим более низким коэффициентом теплоотдачи. Программный пакет Flow Simulation дает возможность смоделировать процессы теплообмена при использовании данных конструкций. Результаты расчетов интерпретированы картинами постпроцессора SolidWorks/Flow Simulation (рис.1).
Рисунок 1 - Картины распределения температурного поля по поверхности и в профиле теплооб-менного аппарата с оребрением, скорости и давления теплоносителя
Представлено, что установка ребер в виде пластин уменьшает скорость потока, поэтому при использовании оребрения необходи-
28
СПбГЭУ
мо учитывать данные рекомендации при моделировании процессов теплообмена.
Одним из эффективных методов интенсификации является использование в теплооб-менных аппаратах элементов закрутки потока. Благодаря завихрителям теплоноситель циркулирует с большей интенсивностью и обтекает поверхности теплообмена, что способствует более полному теплообмену жидкости с пристенной областью. Для повышения эффективности теплообмена предложена конструкция теплообменного аппарата, которая представляет собой: внутренний и внешний теплообмен-ный аппараты (конденсатор и испаритель). Испаритель, который является внешним теплооб-менным аппаратом конструктивно выполнен в виде концентрично расположенных секций, имеющими пластинчатые завихрители, внутри которых имеются каналы, предназначенные для хладагента. Угол закрутки завихрителей в рядом расположенных секциях является противоположным, что способствует изменению траектории потока воздушных масс. Данная модель дает возможность увеличить коэффициент теплоотдачи и увеличить количество теплоты переданной от воздуха поверхности теплообмена.
Принцип действия данного устройства основан на установленной авторами взаимосвязи. Чем дольше контакт проходящего воздуха с пластинчатыми завихрителями, тем больше тепла заберет хладагент для передачи его в помещение.
завихрители, которые направлены в противоположные стороны.
В качестве граничных условий задан входящий ламинарный поток воздуха с температурой 20°С и выходом в невозмущенную атмосферу с той же заданной температурой и атмосферным давлением. Для анализа выходного потока и соблюдения граничных условий расчетная область расширена специальной цилиндрической насадкой, на поверхности которой и заданы граничные условия. На рис. 3,4 представлены результаты расчетов, интерпретированные картинами постпроцессора SolidWorks/Flow Simulation.
Рисунок 2 - Общий вид теплообменного аппарата с завихрителями
Данная конструктивная модель может быть использована при небольшом градиенте температур с целью максимального использования теплоты, например, наружного воздуха для работы в тепловых насосах или при использовании теплоты вентиляционного воздуха.
Для исследования процессов теплообмена построена модель диаметра 295 мм, выполненная из меди. Для изучения влияния завихрения на процесс теплообмена предложены
Рисунок 3 - Картины распределения температуры на выходе из трубы, давления на стенках модели
Моделирование процессов теплообмена посредством SolidWorks/Flow Simulation дает возможность проанализировать параметры формируемых потоков в внутренней части теп-лообменного аппарата, таких как температура, скорость, а также на поверхности теплообмена в граничной зоне. Анализ картин представил, что в результате вынужденного протекания воздуха через теплообменный аппарат происходит формирование потока, температура которого ниже температуры окружающего воздуха. При этом распределение температуры потока является неравномерным, так что в центральной части потока температура на несколько градусов ниже температуры окружающей среды. При удалении от центра к периферии потока температура приближается к температуре окружающей среды. При этом формируется
четкая граница потока, имеющая значительный градиент температуры.
Рисунок 5 - Картина распределение давления в потоке
Для изучения эффективности завихрения на процессы теплообмена, а также изучение конструкции теплообменных аппаратов тепловых насосов предложена конструкция теплообменного аппарата, в котором процессы теплообмена осуществляются в одном аппарате, выполненном конструктивно, как труба в трубе (рис.6).
Для более эффективного теплообмена рекомендуется поток теплоносителей направить противотоком.
1
Рисунок 4 - Картины распределения скорости потока и температуры потока
Оценка количества воздуха, пропускаемого через теплообменный аппарат и соответственно теплоты, отдаваемой воздухом, проводилась решением задачи при помощи SolidWorks/ Flow Simulation с обтеканием рабочей части теплообменного аппарата воздухом с температурой 20 0С при различных скоростях. Результаты показали, что тепловая мощность предложенного теплообменного аппарата увеличивается с ростом скорости подаваемого проточного воздуха до значений 3 - 5 м/с, а затем постепенно снижается по мере увеличения скорости до 10 м/с. При этом темпера тура выходного потока воздуха также увеличивается и при скорости, равной 10 м/c приближается к температуре окружающей среды. На рис.5 представлена картина распределение давления в потоке.
Для данной модели теплообменного аппарата необходимо придерживаться оптимальной скорости подачи воздуха, которой является скорость в пределах 3 - 5 м/с. При других значениях процесс теплообмена не достигнет необходимой эффективности.
Рисунок 6 - Схема рекуперативного теплообмен-ного аппарата «труба в трубе:
1,2 - концентрично расположенные трубки;
3 - спиральные завихрители
На рис.7 представлены результаты расчетов, интерпретированные картинами постпроцессора SolidWorks/Flow Simulation. Результаты расчетов свидетельствуют, что установка пластинчатых винтовых лопастей, закручивающих поток в центральной части теплооб-менного аппарата, дает возможность увеличить теплоотдачу более, чем на 10%.
30
СПбГЭУ
Рисунок 7 - Картины распределения температуры в теплообменном аппарате и по его сечению, траектории потока
Литература
1. Лепеш Г.В. Энергосбережение в системах жизнеобеспечения зданий и сооружений/ Г. В. Лепеш. -СПб.: Изд-во СПбГЭУ, 2014. - 437 с.
2. Лаптев А.Г., Н.А. Николаев Н.А., Башаров М.М. Методы интенсификации и моделирования тепло-массообменных процессов. Учебно-справочное пособие. - М.: «Теплотехник», 2011. - 335 с.
3. Лаптев А.Г., Башаров М.М., Рунов Д.М. Опреде-лени екоэффициентов теплоотдачи в каналах с элементами интенсификации. // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015.- №3
4. Алямовский А.А. Инженерные расчеты в SolidWorksSimulation. - М.: ДМК Пресс, 2010. - 464 с.
5. Лепеш Г.В., Лунева С.К. Совершенствование технологии тепловых насосов. Эффект Ранка-Хильша. // Технико-технологические проблемы сервиса. 2016.-№3(37). С. 39-43.
6. Лепеш Г.В. Применение информационных технологий при подготовке инженерных кадров// Технико-технологические проблемы сервиса. 2016.-№3(37) с.3-6.
7. Лепеш Г.В., Зубов А.А., ЛепешА.Г. К вопросу о моделировании газодинамических процессов в турбокомпрессорах// Технико-технологические проблемы сервиса. 2007.-№1 с.30-35.
8. Лепеш Г.В., Лепеш А.Г., Лунева С.К. Повышение эффективности теплообменных аппаратов путем применения вихревого эффекта// Технико-технологические проблемы сервиса. 2016.-№4(38)
9. Москвичев А. В. Применимость моделей турбулентности, реализованных в Ansys CFX, для исследования газодинамики в щелевом канале ТНА ЖРД // Вестник ВГТУ. 2013. №5-1.
10. Лапин Ю.В. Статистическая теория турбулентности (прошлое и настоящее - краткий очерк идей)// Научно-технические ведомости 2' -2004, -35 с.
11. Лепеш Г.В., Лунева С.К. Повышение эффективности теплообменных аппаратов // Технико-технологические проблемы сервиса. 2017.-№1(39). С. 42-57.
