Abstrakt

Eine Studie zur Leistungsanalyse und Designoptimierung von Rohrbündelwärmetauschern

Praveen Math*, Kumaraswamy KL

Rohrbündelwärmetauscher haben eine besondere Bedeutung in Kesseln, Ölkühlern, Kondensatoren und Vorwärmern. Sie werden auch häufig in Prozessanwendungen sowie in der Kälte- und Klimaanlagenindustrie eingesetzt. Aufgrund ihrer Robustheit und ihrer mittelschweren Form eignen sich Rohrbündelwärmetauscher gut für Hochdruckvorgänge. Ziel dieser Studie ist es, Rohrbündelwärmetauscher (STHE) zu testen, zu validieren und Designvorschläge zur Optimierung zu unterbreiten. Der Wärmetauscher besteht aus Acrylmaterial mit 2 Leitblechen und 7 Rohren aus rostfreiem Stahl. Heiße Flüssigkeit fließt im Rohr und kalte Flüssigkeit fließt über das Rohr im Rohr. 4 Thermoelemente vom Typ K wurden verwendet, um die Ein- und Austrittstemperaturen heißer und kalter Flüssigkeiten zu messen. Es wurden Experimente für verschiedene Kombinationen von Heiß- und Kaltwasserdurchflussraten mit unterschiedlichen Heißwassereinlasstemperaturen durchgeführt. Die Strömungsbedingungen sind auf das Labormodell des Versuchsaufbaus beschränkt. Ein kommerzieller CFD-Code wurde verwendet, um das thermische und hydraulische Strömungsfeld im Rohrbündel zu untersuchen. Die CFD-Methodik wurde entwickelt, um die Strömungsphysik angemessen darzustellen, und das Verfahren wurde mit den experimentellen Ergebnissen validiert. Auf der Rohrseite wird unter allen Strömungsbedingungen eine turbulente Strömung beobachtet, während auf der Mantelseite außer bei extrem hohen Wassertemperaturen eine laminare Strömung vorliegt. Daher wurde das Übergangsmodell k-kl-omega verwendet, um die Strömung in Übergangsfällen besser vorherzusagen. Für turbulente Fälle wurde ein realisierbares k-epsilon-Modell mit nichtgleichgewichtiger Wandfunktion verwendet. Temperatur- und Geschwindigkeitsprofile wurden im Detail untersucht und es wurde beobachtet, dass die Strömung zu den Rohren nahezu gleichmäßig bleibt, wodurch die Wärmeübertragung begrenzt wird. Ungefähr zwei Drittel ^der Mantelseitenströmung umgeben die Rohre nicht aufgrund einer einseitigen Strömung, was zu einer verringerten Gesamtwärmeübertragung und einem erhöhten Druckverlust beiträgt. Auf der Basis dieser Erkenntnisse wurde ein Versuch unternommen, die Wärmeübertragung durch Herbeiführen von Turbulenzen in der Mantelseitenströmung zu verbessern. Die beiden Leitbleche wurden in entgegengesetzte Richtung zueinander gedreht, um eine stärkere Zirkulation in der Mantelseitenströmung zu erreichen und mehr Kontakt mit der Rohroberfläche bereitzustellen. Verschiedene Positionen der Leitbleche wurden simuliert und mithilfe einer CFD-Analyse untersucht und die Ergebnisse hinsichtlich Wärmeübertragung und Druckverlust zusammengefasst.