Модель идеального вытеснения с поперечной теплопроводностью потоков теплоносителей в прямоточных пластинчатых теплообменниках

Аннотация

Решена задача Гретца для гидродинамического режима идеального вытеснения с учетом поперечной теплопроводности теплоносителей при постоянных теплофизических параметрах в теплоизолированной секции прямоточного пластинчатого 2D теплообменника, теплопередача в котором осуществляется через термически тонкую поверхность. Предположено, что числа Рейнольдса потоков обеспечивают их ламинарное течение, причем длина теплового начального участка намного больше длины гидродинамического начального участка. Локальные коэффициенты теплоотдачи идентифицированы на основании закона Ньютона --- Рихмана с последующим осреднением по длине секции пластинчатого теплообменника. Сравнение результатов расчетов интегрального числа Нуссельта и по формуле Михеева для ламинарного режима течения показало несколько заниженные значения числа Нуссельта, вычисленные по формуле Михеева, которая не учитывает сопряженный характер теплообмена в пластинчатом теплообменнике. Полученное решение задачи Гретца позволило оценить корректность модели идеального вытеснения без учета поперечной теплопроводности потоков теплоносителей в прямоточном пластинчатом теплообменнике по аксиальным профилям температур в потоках горячего и холодного теплоносителей. Установлено, что их отличие наблюдается во входной области вследствие наличия нормального градиента температур к разделительной границе между теплоносителями. Показано, что с удовлетворительной точностью можно описать температурные профили потоков теплоносителей в прямоточном пластинчатом теплообменнике моделью идеального вытеснения без учета их поперечной теплопроводности

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Ряжских А.В., Краснов А.А., Ряжских В.И. Модель идеального вытеснения с поперечной теплопроводностью потоков теплоносителей в прямоточных пластинчатых теплообменниках. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2024, № 4 (151), c. 160--174. EDN: ZTHRUH

Литература

[1] Abu-Khadar M.M. Plate heat exchangers: recent advances. Renew. Sust. Energ. Rev., 2012, vol. 16, no. 4, pp. 1883--1891. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.01.009

[2] Shah R.K., London A.L. Laminar flow forced convection in ducts. New York, Academic Press, 1978.

[3] Papoutsakis E., Ramkrishna D. Conjugated Graetz problems. II. Fluid-fluid problems. Chem. Eng. Sc., 1981, vol. 36, no. 8, pp. 1393--1399. DOI: https://doi.org/10.1016/0009-2509(81)80173-X

[4] Dezfoli A.R.A., Mehrabian M.A., Saffaripour M.H. Two dimensional temperature distributions in plate heat exchangers: an analytical approach. Mathematics, 2015, vol. 3, no. 4, pp. 1255--1273. DOI: https://doi.org/10.3390/math3041255

[5] Sunden B. Computational fluid dynamics in research and design of heat exchangers. Heat Transf. Eng., 2007, vol. 28, no. 11, pp. 898--910. DOI: https://doi.org/10.1080/01457630701421679

[6] Wang Y.N., Lee J.P., Park M.H., et al. A study on 3D numerical model for plate heat exchanger. Procedia Eng., 2017, vol. 174, pp. 188--194. DOI: https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.01.203

[7] Joybari M.M., Selvnes H., Sevault A., et al. Potentials and challenges for pillow-plate heat exchangers: state-of-the-art review. Appl. Therm. Eng., 2022, vol. 214, no. 9, art. 118739. DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.118739

[8] Schmid P.J., Henningson D.S. Linear inviscid analysis. In: Stability and transition in shear flows. Cham, Springer Nature, 2001, pp. 15--53. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4613-0185-1

[9] Nunge R., Porta E.W., Gill W.N. Axial conduction in the fluid streams of multistream heat exchangers. Chem. Eng. Progr. Symp. Series, 1966, vol. 63, no. 77, pp. 80--91.

[10] Vera M., Linan A. Laminar counterflow parallel-plate heat exchangers: exact and approximate solutions. Int. J. Heat Mass Transf., 2010, vol. 53, no. 21-22, pp. 4885--4898. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2010.06.004

[11] Yang X.S. Engineering mathematics with example and applications. London, Elsevier, 2016.

[12] Zhang L.Z. Conjugate heat and mass transfer in heat mass exchanger ducts. London, Elsevier, 2014.

[13] Исаченко В.П., Осипов В.А., Сукомея А.С. Теплопередача. М., Энергоиздат, 1981.

[14] Bandara T., Nguyen N.-T., Rosengaten G. Slug flow heat transfer without phase change in microchannels: a review. Chem. Eng. Sci., 2015, vol. 156, pp. 283--295. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ces.2014.12.007

[15] Бондарь А.Г. Математическое моделирование в химической технологии. Киев, Вища школа, 1973.

[16] Пикина Г.А., Жук Т.И. Аналитические модели конвективного теплообменника с однофазными теплоносителями. Теплоэнергетика, 2003, № 10, c. 21--26. EDN: PGAJQX

[17] Pandya N.S., Shahb H., Molana M., et al. Heat transfer enhancement with nanofluids in plate heat exchangers: a comprehensive review. Eur. J. Mech. B Fluids, 2020, vol. 81, pp. 173--190. DOI: https://doi.org/10.1016/j.euromechflu.2020.02.004

[18] Amani M., Amani P., Bahiraei M., et al. Latest developments in nanofluid flow and heat transfer between parallel surfaces: a critical review. Adv. Colloid Interface Sci., 2021, vol. 294, art. 102450. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cis.2021.102450

[19] Salman B.H., Mohammed H.A., Munisumy K.M., et al. Characteristics of heat transfer and fluid flow in microtube and microchannel using conventional fluids and nanofluids: a review. Renew. Sust. Energ. Rev., 2013, vol. 28, pp. 248--880. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.08.012

[20] Mohammed H.A., Bhaskaran G., Shuaib N.H., et al. Heat transfer and fluid flow characteristics in microchannels heat exchanger using nanofluids: a review. Renew. Sust. Energ. Rev., 2011, vol. 15, no. 3, pp. 1502--1512.