Численное исследование теплообмена и аэродинамического сопротивления аппаратов воздушного охлаждения с вытяжной шахтой

Представлены результаты численного исследования теплоаэродинамических характеристик аппаратов воздушного охлаждения с установленной вытяжной шахтой. Исследования проведены для аппаратов воздушного охлаждения с четырехрядными пучками оребренных труб, установленных в шахматном порядке. Численное моделирование осуществлялось с использованием газодинамического решателя Ansys Fluent. Для замыкания уравнений Рейнольдса применялись κ-ω модели переноса сдвиговых напряжений Ментера. Полученные численные результаты позволили визуализировать течение воздуха в пучке и вытяжной шахте, установить неравномерность скоростей и температур. Показано, что распределение температуры в потоке, проходящем через вытяжную шахту, зависит от высоты вытяжной шахты. Установлено, что при малых высотах шахты в следе за пучком из-за колебательного движения следа формируется динамическая и температурная неоднородность, которая приводит к подсосу холодного воздуха через шахту из окружающей среды. При увеличении высоты шахты температурная неоднородность сдвигается вверх по ходу воздуха в шахте, и неустойчивость затухает. Получено, что максимальная теплоотдача при одинаковых гидравлических потерях достигается при установке шахты с высотой H > 1,16 м. Полученные результаты могут быть использованы для модернизации существующих аппаратов воздушного охлаждения, а также при проектировании новых аппаратов с вытяжной шахтой.

1. Основы расчета и проектирования теплообменников воздушного охлаждения: справочник / А.Н. Бессонный [и др.]; под ред. А.Н. Бессонного, В.Б. Кунтыша. – СПб.: Недра, 1996. – 512 с.

2. Королев, И.И. О комбинированных системах охлаждения ТЭЦ / И.И. Королев, Е.В. Генова, С.Е. Бенклян // Теплоэнергетика. – 1996. – №11. – C. 49–55.

3. Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб / Ю.А. Быстров [и др.]. – СПб.: Судостроение, 2005. – 392 с.

4. Combined air-cooled condenser layout with in line configured fiined tube bundles to improve cooling performance / Y.Q. Kong [et al.] // Appl. Therm. Eng. – 2019. – Vol. 154. – P. 505–518. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.03.099

5. Теплоотдача естественной конвекцией одиночного ряда вертикальных оребренных труб калориферов лесосушильных камер / В.Б. Кунтыш [и др.] // Лесн. журн. – 2002. – №2. – С. 116–121.

6. Зорин, В.М. Атомные электростанции: учеб. пособие / В.М. Зорин. – М.: Изд. дом МЭИ, 2012. – 672 с.

7. Инженерный метод теплового расчета аппарата воздушного охлаждения в режиме свободно-конвективного теплообмена / В.Б. Кутыш [и др.] // Хим. и нефтегаз. машиностроение. – 2013. – №12. – С. 3–6.

8. Самородов, А.В. Совершенствование методики теплового расчета и проектирования аппаратов воздушного охлаждения с шахматными оребренными пучками: дис. … канд. техн. наук / А.В. Самородов. – Архангельск, 1999. – 176 л.

9. Cheng, T.S. Characteristics of mixed convection heat transfer in a lid-driven square cavity with various Richardson and Prandtl numbers / T.S. Cheng // Int. J. Therm. Sci. – 2011. – Vol. 50, №2. – P. 197–205. http://dx.doi.org/10.1016/j. ijthermalsci.2010.09.012

10. Мартыненко, О.Г. Теплообмен смешанной конвекцией / О.Г. Мартыненко, Ю.А. Соковишин. – Минск: Наука и техника, 1975. – 256 с.

11. Мильман, О.О. Экспериментальное исследование теплообмена при естественной циркуляции воздуха в модели воздушного конденсатора с вытяжной шахтой / О.О. Мильман // Теплоэнергетика. – 2005. – №5. – С. 16–19.

12. Васильев, Ю.Н. Системы охлаждения компрессорных и нефтеперекачивающих станций / Ю.Н. Васильев, Г.А. Марголин. – М.: Недра, 1977. – 222 с.

13. Габдрахманов, А.А. Повышение эффективности эксплуатации аппаратов воздушного охлаждения на магистральных газопроводах: автореф. дис. … канд. техн. наук / А.А. Габдрахманов; Уфим. гос. нефт. техн. ун-т. – Уфа, 2007. – 24 с.

14. 3D CFD simulations of air cooled condenser-II: Natural draft around a single finned tube kept in a small chimney / A. Kumar [et al.] // Int. J. Heat Mass Transfer. – 2016. – Vol. 92. – P. 507–522. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.07.136

15. Маршалова, Г.С. Тепловой расчет и проектирование аппаратов воздушного охлаждения с вытяжной шахтой: дис. … канд. техн. наук / Г.С. Маршалова. – Минск, 2019. – 153 л.

16. Маршалова, Г.С. Повышение энергосбережения в аппаратах воздушного охлаждения интенсификацией внешнего теплообмена / Г.С. Маршалова, А.Б. Сухоцкий, В.Б. Кунтыш // Хим. и нефтегаз. машиностроение. – 2020. – №2. – С. 3–7.

17. Маршалова, Г.С. Аэродинамическое сопротивление при малых числах Рейнольдса и методика расчета скорости воздуха в одно- и многорядных оребренных пучках с вытяжной шахтой / Г.С. Маршалова, А.Б. Сухоцкий // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. фіз.-мат. навук. – 2021. – Т. 57, №1. – С. 108–118. https://doi.org/10.29235/1561-2430- 2021-57-1-108-118

18. Durbin, P.A. Statistical Theory and Modeling for Turbulent Flows / P.A. Durbin, B.A. Pettersson-Reif. – Willey, 2001. – 367 p.

19. ANSYS Fluent Theory Guide. Release 15.0 [Electronic resource]. – 2013. – Mode of access: http://www.pmt.usp. br/academic/martoran/notasmodelosgrad/ANSYS%20Fluent%20Theory%20Guide%2015.pdf – Date of access: 16.04.2022.

20. Menter, F.R. Ten years of industrial experience with the SST turbulence model / F.R. Menter, M. Kuntz, R. Langtry // Turbulence. Heat and Mass Transfer. – 2003. – Vol. 4. – P. 625–632.

21. Alam, Md. Mahbub. Aerodynamic characteristics of two side-by-side circular cylinders and application of wavelet analysis on the switching phenomenon / Md. Mahbub Alam, M. Moriya, H. Sakamoto // J. Fluids and Structures. – 2003. – Vol. 18, №3–4. – P. 325–346. https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2003.07.005

22. Alam, Md. Mahbub. Flow around two side-by-side closely spaced circular cylinders / Md. Mahbub Alam, Y. Zhou // J. Fluids and Structures. – 2007. – Vol. 23, №5. – P. 799–805. https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2006.12.002

23. Жукова, Ю.В. Конвективный теплообмен и аэродинамическое сопротивление двух расположенных бок о бок труб в узком канале при различных числах Рейнольдса / Ю.В. Жукова, A.М. Терех, A.И. Руденко // Докл. Нац. акад. наук Беларуси. – 2018. – Т. 62, №6. – С. 756–762.