Топлотне перформансе и пад притиска код цевног размењивача топлоте са завојним ребрима и троугластим распоредом цеви

Abstract

Цевни размењивачи топлоте са завојним оребрењем имају широку примену у термотехници, процесној индустрији и термоенергетици као хладњаци, грејачи, испаривачи и кондензатори. Често се у индустријској примени користе као хладњаци, при чему се као расхладни флуид користи ваздух при попречном струјању преко снопа цеви. Због сложене струјне слике која се формира том приликом немогуће је предвидети вредности пада притиска и размењене топлоте на основу искључиво теоријских разматрања, па се највећи део објављених истраживања ослања на експериментални рад. У циљу утврђивања поуздане прорачунске процедуре за одређивање коефицијента прелаза топлоте и коефицијента трења при струјању гасовитог флуида преко завојно оребреног цевног снопа, спроведена су експериментална мерења на три различите конфигурације размењивача топлоте. Користећи сопствене као и експерименталне податке из отворене литературе, формирана је база са великим бројем различитих радних режима са широким опсегом геометријских величина као што су пречник цеви, број редова цеви, корак цеви, корак ребра, висина ребра и сл. и за различите температуре и протоке радних флуида. У отвореној литератури постоји одређени број једначина на основу којих се могу одредити коефицијент прелаза топлоте и коефицијент трења, а које се најчешће користе у индустријској пракси. Применом ових једначина на формирану базу података, уочена је њихова непоузданост, односно да се измерене вредности значајно разликују од вредности добијених употребом доступних једначина. Осим тога, уочено је и да се вредности коефицијената прелаза топлоте и коефицијената трења израчунатих према различитим једначинама значајно разликују. Један од главних разлога ове појаве је чињеница да нико од аутора постојећих корелација није поредио своје податке са подацима других аутора, па су објављене корелације ограничене на сопствена експериментална истраживања. Оригинални допринос дисертације се састоји у коришћењу карактеристичне брзине струјања и карактеристичне геометријске величине у Рејнолдсовом и Нуселтовом броју сведених на новоуведене параметре. Применом савремених нумеричких израчунавања, добијене су оригиналне једначине за одређивање отпора струјању и коефицијента прелаза топлоте при попречном струјању ваздуха и других гасова преко снопа оребрених цеви, које се могу са сигурношћу користити у инжењерској пракси. Ова дисертација представља наставак истраживања проблема везаних за размењиваче топлоте у различитим индустријским гранама која се спроводе преко 40 година на Машинским факултету Универзитета у Београду.

Helically-finned tube heat exchangers are widely used in HVAC, process and power industry as coolers, heaters, evaporators and condensers. Very often, these heat exchangers are used for cooling, using air as a cooling agent in a cross-flow over a tube bank. The complex flow pattern across the fin and tube surface made the theoretical prediction of pressure drop and heat exchanged very difficult and therefore most of the published investigations were related to the experimental work. In order to establish a reliable procedure for the determination of a heat transfer and a pressure drop coefficient with gaseous fluids flow across helically-finned tube bundles, experimental measurements on three different heat exchanger configurations are conducted. Using own as well as experimental data from the open literature, a database with a large number of different working regimes was formed, with a wide range of geometric variables such as tube diameter, number of tube rows, tube pitch, fin pitch, fin height, etc. and for different temperatures and flows of working fluids. In the open literature there is a certain number of correlations for determination of heat transfer and friction factor coefficients, which are most commonly used in the industrial practice. By applying these equations to the formed database, unreliability of equations was found, that is, the measured values differ significantly from the values obtained using the available equations. Furthermore, it was observed that the values of the heat transfer and the friction factor coefficients calculated according to different available equations differ significantly. One of the main reasons for this is the fact that none of the authors did not compare their data with the data of other authors, so the published correlations are therefore limited to experimental data of individual case studies. The original contribution of the dissertation consists of the use of a characteristic flow velocity and a characteristic dimesion in Reynolds and Nusselt numbers reduced to the newly introduced parameters. Using modern numerical calculations, original equations were obtained for determining the flow resistance and the heat transfer coefficient, in the cross-flow of air and other gases over a tube bank, which can be safely used in engineering practice. This dissertation is a continuation of research into problems related to heat exchangers in various industries that have been implemented for over 40 years at the Faculty of Mechanical Engineering, University of Belgrade.