Παραμετρική μελέτη για τον προσδιορισμό βέλτιστης γεωμετρίας διάταξης στροβιλιστών σε ευθύγραμμους αγωγούς

• Κύριος συγγραφέας: Κατεμής, Ιωάννης
• Άλλοι συγγραφείς: Katemis, Ioannis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2020
• Θέματα: Υπολογιστική ρευστομηχανική; Μεταφορά θερμότητας

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο την επιλογή ενός τύπου εναλλάκτη θερμότητας για τους σκοπούς της θέρμανσης φυσικού αερίου και στην συνέχεια την παραμετρική μελέτη δευτερευόντων γεωμετριών που προστίθενται στην επιλεχθείσα διάταξη για την βελτίωση της μεταφοράς θερμότητας. Αρχικά μελετήθηκε η βιβλιογραφία όσον αφορά τους τύπους εναλλακτών θερμότητας και τις εφαρμογές που χρησιμοποιείται καθένας από αυτούς στην βιομηχανία σήμερα, ώστε να διακριθεί εκείνος που είναι ο καταλληλότερος για τον σκοπό της εργασίας. Στην συνέχεια ακολούθησε μελέτη της σχετικής βιβλιογραφίας ώστε να προσδιοριστεί η επιρροή του λόγου των πλευρών καθώς και του σχήματος των αγωγών του εναλλάκτη και να επιλεγούν εκείνα ώστε να επιτευχθεί η καλύτερη μεταφορά θερμότητας και συνθήκες ροής. Έπειτα ακολούθησε η παρουσίαση των συνηθέστερων τύπων πτερυγίων για τις διατάξεις αυτές και η παρουσίαση των χαρακτηριστικών τους. Από τα παραπάνω βρέθηκε εκείνο (WavyFin) που θα προστεθεί στην δεδομένη διάταξη για την ενίσχυση της μεταφοράς θερμότητας. Τέλος έγινε βιβλιογραφική ανασκόπηση για τις παραλλαγές που έχουν μελετηθεί από την κλασική γεωμετρία/διάταξη των πτερυγίων. Ύστερα ακολουθεί η επίδειξη της διαδικασίας που ακολουθήθηκε για την υπολογιστική προσομοίωση του προβλήματος. Συγκεκριμένα πρώτα δείχνονται οιγεωμετρίες του αγωγού και των πτερυγίων που κατασκευάστηκαν στο υπολογιστικό περιβάλλον του ANSYSκαι του CATIA αντίστοιχα. Ακολούθως υπολογίζεται το ύψος του πρώτου υπολογιστικού κελιού, λαμβάνοντας υπόψη τις απαραίτητες συνθήκες, και γίνεται η κατασκευή του υπολογιστικού πλέγματος. Τέλος εφαρμόζονται το μοντέλο τύρβης της προσομοίωσης (k-ε turbulencemodel) και όλες οι συνοριακές συνθήκες του προβλήματος. Η υπολογιστική προσομοίωση περιλαμβάνει συνολικά 7διαφορετικές διατάξεις (DiscontinuousWavyFin, StaggeredWavyFin, WavyFin 180o, TrapWavyFin, TriangularWavyFin, WavyFinEl, WavyFin 3C) που μελετήθηκαν για ένα εύρος τιμών αριθμού Reynoldsαπό 10.000 έως 20.000. Αναφέρεται ακόμα ότι ως ρευστό μέσο χρησιμοποιείται αέρας, λόγω του ότι οι ιδιότητες του φυσικού αερίου εξαρτώνται από την σύστασή του και διαφέρουν ανάλογα την περιεκτικότητα του σε χημικά στοιχεία. Για κάθε μοντέλο και για τους αντίστοιχους αριθμούς Reynolds δείχνονται κατανομές της ταχύτητας της ροής, της θερμοκρασίας και του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας, ενώ ακόμα παρουσιάζεται η πτώση πίεσης για κάθε μοντέλο. Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα από τις παραπάνω προσομοιώσεις προκύπτει ότι η διάταξη τύπου Staggeredαποδίδει τον μεγαλύτερο συντελεστή μεταφοράς θερμότητας σε σύγκριση με εκείνες των Discontinuous (8,86% έως 30,63%)και διαφορά φάσης 180o (5,45% έως 18,12%). Για την σύγκριση των διατάξεων ως προς την πτώση πίεσης ισχύει ότιη Staggered διάταξη εμφανίζει από 1,1%-6,01% μικρότερη πτώση πίεσης σε σύγκριση με την Discontinuous διάταξη, ενώ στην σύγκριση Staggered-180⁰ η πρώτη εμφανίζει από 18,1%-25,73% μικρότερη πτώση πίεσης. Από την πλευρά των γεωμετριών των πτερυγίων ισχύει ότιη γεωμετρία του κλασικού Wavy Fin είναι πολύ κοντά με εκείνη του τριγωνικού Fin. Στην σύγκριση της γεωμετρίας του κλασικού WavyFin με εκείνη του τραπέζιου WavyFin προκύπτει ότι οι τιμές του συντελεστή μεταφοράς είναι πολύ υψηλότερες για το κλασικό WavyFin (29%-42,63%), ενώ η πτώση πίεσης είναι επίσης υψηλότερη για το κλασικό WavyFin (29,45%-32,07%).Τέλος τα μοντέλα με προσθήκη προεξοχών εμφανίζουν υψηλότερο HTC (3,85%-15,55% για την προσθήκη έλλειψης και 6,1%-16,7% για την προσθήκη κύκλων) ενώ η πτώση πίεσης είναι πολύ κοντά για την σύγκριση κλασικού WavyFin με εκείνου της προσθήκης έλλειψης με διαφορές μικρότερες από 1% και για την σύγκριση του κλασικού WavyFin με εκείνου με την προσθήκη οι τιμές μειώνονται με την προσθήκη κύκλων κατά 2,24%-4,01% .