Detailed design of shell-and-tube heat exchangers using CFD
Hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile gövde-boru tipi ısı değiştiricilerinin ayrıntılı tasarımı
- Tez No: 201853
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. İLKER TARI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD), gövde-boru tipi ısı değiştiriciler, Computational Fluid Dynamics (CFD), shell-and-tube heat exchanger
- Yıl: 2007
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Gövde-boru tipi ısı değiştirici tasarımı geleneksel olarak Kern yöntemi ve Bell- Delaware yöntemi gibi bağıntı temelli yaklaşımlar ile gerçekleştirilmektedir. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yazılımlarında gerçekleşen gelişmelerle birlikte, küçük ısı değiştiriciler HAD kullanılarak tasarlanabilmektedir. Bu tezde, sonlu hacim tekniği kullanan, ticari bir HAD yazılımı kullanarak gövde-boru tipi ısı değiştirici modellenmiş ve sayısal analizi yapılmıştır. Modellenen ısı değiştiriciler göreceli olarak küçüktür ve tek gövde ve boru geçişi vardır. Tasarım sırasında sızıntı etkileri göz önünde bulundurulmamıştır. Plaka deliklerinde ve plaka-gövde arasında gerçekleşen sızıntı ihmal edilmiştir. Bu çalışma gövde tarafı akış olgusu üzerine yoğunlaşmıştır. Öncelikle, sadece gövde tarafı modellenmiş ve gövde tarafı ısı taşınım katsayısı ve akış özellikleri sistemli HAD analizleri ile incelenmiştir. Çeşitli türbülans modelleri, iki farklı eleman yoğunluğu kullanılarak birinci ve ikinci dereceden çözüm için denenmiştir. Gövde kısmı basınç düşümü ve ısı taşınım katsayısı için HAD sonuçları bağıntı temelli yöntem sonuçları ile karşılaştırılmıştır. En uygun modelleme kriterleri seçildikten sonra, akış debisi, plaka aralığı ve plaka yüksekliğinin sonuçlar üzerindeki etkisi incelenmiştir. Daha sonra plakasız, çift borulu, basit bir ısı değiştirici modellenmiştir. Çift borulu ısı değiştirici için hem gövde hem de boru kısmı modellenmiştir. Son olarak, komple bir gövde-boru tipi ısı değiştirici için analiz yapılmıştır. Küçük, laminer, eğitim amaçlı düzenek model olarak kullanılmıştır. Sonuç olarak, HAD analizlerinden elde edilen akış ve sıcaklık bilgileri ısı değiştirici tasarımında geliştirme isteyen noktaların belirlenmesi doğrultusunda değerli bilgiler verebilmektedir. Bağıntı temelli yaklaşımlar tasarımda var olan zayıf noktaları belirtmekte, fakat HAD simülasyonları tasarımda var olan zayıf noktaların yerlerini de belirtmektedir.
Özet (Çeviri)
Traditionally Shell-and-tube heat exchangers are designed using correlation based approaches like Kern method and Bell-Delaware method. With the advances in Computational Fluid Dynamics (CFD) software, it is now possible to design small heat exchangers using CFD. In this thesis, shell-and-tube heat exchangers are modeled and numerically analyzed using a commercial finite volume package. The modeled heat exchangers are relatively small, have single shell and tube passes. The leakage effects are not taken into account in the design process. Therefore, there is no leakage from baffle orifices and no gap between baffles and the shell. This study is focused on shell side flow phenomena. First, only shell side is modeled and shell side heat transfer and flow characteristics are analyzed with a series of CFD simulations. Various turbulence models are tried for the first and second order discretization schemes using different mesh densities. CFD predictions of the shell side pressure drop and the heat transfer coefficient are obtained and compared with correlation based method results. After selecting the best modeling approach, the sensitivity of the results to the flow rate, the baffle spacing and baffle cut height are investigated. Then, a simple double pipe heat exchanger is modeled. For the double pipe heat exchanger, both the shell (annulus) side and the tube side are modeled. Last, analyses are performed for a full shell-and-tube heat exchanger model. For that last model, a small laminar educational heat exchanger setup is used. The results are compared with the available experimental results obtained from the setup. Overall, it is observed that the flow and temperature fields obtained from CFD simulations can provide valuable information about the parts of the heat exchanger design that need improvement. The correlation based approaches may indicate the existence of a weakness in design, but CFD simulations can also pin point the source and the location of the weakness.
Benzer Tezler
- Günümüzde ısı değiştirici imalatında kullanılan yöntemler
The Methods that is used at fabrication of the heat exchangers
HÜSEYİN ÇEBİ
- Basınçlı su reaktörleri U borulu buhar üreteçlerinin termo-hidrolik modellenmesi
Thermal-hydraulic analysis of U-tube steam generators for gressurized water reactors
SÜLEYMAN ÖZKAYNAK
- Comparative study of shell-and-tube heat exchangers versus gasketed-plate heat exchangers
Gövde-boru tipi ısı değiştirgeçleri ile levha tipi ısı değiştirgeçlerinin karşılaştırmalı incelenmesi
DİLEK BİNİCİOĞULLARI
Yüksek Lisans
İngilizce
2001
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EDİZ PAYKOÇ
PROF. DR. SADIK KAKAÇ
