Математическое моделирование теплообменного аппарата с учетом сильной зависимости вязкости нефти от температуры

Введение. Подогрев нефти и нефтепродуктов широко применяется для уменьшения энергопотерь при транспортировке. Течение в межтрубном пространстве теплообменника имеет сложный характер и зависит от многих факторов. Использование тонких трубок в теплообменных аппаратах геликоидного типа приводит к необходимости учета перехода режима течения от ламинарного к турбулентному. Традиционно используемые в численных расчетах полуэмпирические модели турбулентности не учитывают ламинарно-турбулентный переход. Разработан подход к определению эффективной длины теплообменного аппарата и температуры холодного теплоносителя на его выходе в случае сильной зависимости вязкости нефти от температуры с учетом возможности ламинарно-турбулентного перехода. В качестве нагреваемого теплоносителя рассмотрена нефть, а нагревающего компонента — вода. Метод. Новизна разработанного подхода заключается в применении модели турбулентности, учитывающей ламинарно-турбулентный переход, к расчету теплообменных аппаратов геликоидного типа. Для численного моделирования применены осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье– Стокса, замкнутые при помощи модели турбулентности γ–Re_θt , учитывающей ламинарно-турбулентный переход. Основные результаты. Выполнено сравнение результатов численных расчетов с данными, полученными на основе метода среднелогарифмической разницы температур при постоянной и переменной вязкостях. В случае переменной вязкости нефти обнаружен переход ламинарного режима течения в турбулентный, который оказывает существенное влияние на эффективную длину теплообменного аппарата. Обсуждение. Результаты численных расчетов могут быть полезны при проектировании теплообменных аппаратов геликоидного типа.

1. Nakaso K., Mitani H., Fukai J. Convection heat transfer in a shelland-tube heat exchanger using sheet fns for effective utilization of energy // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2015. V. 82. P. 581–587. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.11.033

2. Wang Y., Gu X., Jin Z., Wang K. Characteristics of heat transfer for tube banks in crossfow and its relation with that in shell-and-tube heat exchangers // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2 0 1 6 . V. 93. P. 584–594. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.10.018

3. Araavind S., Athreya A.S. CFD analysis of shell and tube heat exchanger for pre-heating of biodiesel // International Journal of Advance Research in Science and Engineering. 2017. V. 6. N 7. P. 687–693.

4. Abda A.A., Kareema M.Q., Najib S.Z. Performance analysis of shell and tube heat exchanger: parametric study // Case Studies in Thermal Engineering. 2018. V. 12. P. 563–568. https://doi.org/10.1016/j.csite.2018.07.009

5. Лычаков В.Д., Егоров М.Ю., Щеглов А.А., Сивоволов А.С., Матяш А.С., Балунов Б.Ф. Анализ теплоотдачи сборок оребренных теплообменных элементов // Теплоэнергетика. 2022. № 3. С. 63–71.

6. Darbandi M., Abdollahpour M.-S., Hasanpour-Matkolaei M. A new developed semi-full-scale approach to facilitate the CFD simulation of shell and tube heat exchangers // Chemical Engineering Science. 2021. V. 245. P. 116836. https://doi.org/10.1016/j.ces.2021.116836

7. Bizhan K.G., Mohammad R.D., Hossein P. Prediction of kinematic viscosity of petroleum fractions using artifcial neural networks // Iranian Journal of Oil and Gas Science and Technology. 2014. V. 3. N 2. P. 51–65.

8. Boda M.A., Bhasagi P.N., Sawade A.S., Andodgi R.A. Analysis of kinematic viscosity for liquids by varying temperature // International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology. 2015. V. 4. N 4. P. 1951–1954. https://doi.org/10.15680/IJIRSET.2015.0404020

9. Lee B.I., Kesler M.G. A generalized thermodynamic correlation based on three-parameter corresponding states // AIChE Journal. 1975. V. 21. N 3. P. 510–527. https://doi.org/10.1002/aic.690210313

10. Аралов О.В., Буянов И.В., Саванин А.С., Иорданский Е.И. Исследование методов расчета кинематической вязкости нефти в магистральном нефтепроводе // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2017. Т. 7. № 5. С. 97–105.

11. Yogesh S.S., Selvaraj A.S., Ravi D.K., Rajagopal T.K.R. Heat transfer and pressure drop characteristics of inclined elliptical fn tube heat exchanger of varying ellipticity ratio using CFD code // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018. V. 119. P. 26–39. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.11.094

12. Chen K., Mohammed H.I., Mahdi J.M., Rahbari A., Cairns A., Talebizadehsardari P. Effects of non-uniform fn arrangement and size on the thermal response of a vertical latent heat triple-tube heat exchanger // Journal of Energy Storage. 2022. V. 45. P. 103723. https://doi.org/10.1016/j.est.2021.103723

13. Osley W.G., Droegemueller P., Ellerby P. CFD investigation of heat transfer and fow patterns in tube side laminar fow and the potential for enhancement // Chemical Engineering Transactions. 2013. V. 35. P. 997–1002. https://doi.org/10.3303/CET1335166

14. Karar O., Emani S., Gounder S.M., Myo Thant M.M., Mukhtar H., Sharifpur M., Sadeghzadeh M. Experimental and numerical investigation on convective heat transfer in actively heated bundlepipe // Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. 2021. V. 15. N 1. P. 848–864. https://doi.org/10.1080/19942060.2021.1920466

15. Rana S., Zunaid M., Kumar R. CFD approach for the enhancement of thermal energy storage in phase change material charged heat exchanger // Case Studies in Thermal Engineering. 2022. V. 33. P. 101921. https://doi.org/10.1016/j.csite.2022.101921

16. Allouche Y., Varga S., Bouden C., Oliveira A.C. Validation of a CFD model for the simulation of heat transfer in a tubes-in-tank PCM storage unit // Renewable Energy. 2016. V. 89. P. 371–379. https://doi.org/10.1016/j.renene.2015.12.038

17. Balaji D., Prakash L.S.S. CFD analysis of a pressure drop in a staggered tube bundle for a turbulent cross fow // International Advanced Research Journal in Science, Engineering and Technology. 2016. V. 3. N 2. P. 35–40. https://doi.org/10.17148/IARJSET.2016.3209

18. Czarnota T., Wagner C. Turbulent convection and thermal radiation in a cuboidal Rayleigh–Bénard cell with conductive plates // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2016. V. 57. P. 150–172. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfuidfow.2015.10.006

19. Mohanan A.K., Prasad B.V., Vengadesan S. Flow and heat transfer characteristics of a cross-fow heat exchanger with elliptical tubes // Heat Transfer Engineering. 2021. V. 42. N 21. P. 1846–1860. https://doi.org/10.1080/01457632.2020.1826742

20. Тугунов П.И., Новоселов В.Ф., Коршак А.А., Шаммазов А.М. Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации нефтебаз и нефтепроводов. М.: Дизайн Полиграф Сервис, 2002. 234 с.

21. Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). М.: Энергоатомиздат, 1990. 360 с.

22. Петухов Б.С., Генин Л.Г., Ковалев С.А. Теплообмен в ядерных энергетических установках. М.: Атомиздат, 1974. 408 с.

23. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. М.: Энергоатомиздат, 1990. 367 с.

24. Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA Journal. 1994. V. 32. N 8. P. 1598– 1605. https://doi.org/10.2514/3.12149

25. Menter F., Esch T., Kubacki S. Transition modelling based on local variables // Engineering Turbulence Modelling and Experiments. Elsevier, 2002. P. 555–564. https://doi.org/10.1016/b978-008044114-6/50053-3

26. Langtry R.B., Menter F.R. Correlation-based transition modeling for unstructured parallelized computational fuid dynamics codes // AIAA Journal. 2009. V. 47. N 12. P. 2894–2906. https://doi.org/10.2514/1.42362

27. Coder J.G., Maughmer M.D. Computational fuid dynamics compatible transition modeling using an amplifcation factor transport equation // AIAA Journal. 2014. V. 52. N 11. P. 2506–2512. https://doi.org/10.2514/1.j052905

28. Menter F.R., Smirnov P.E., Liu T., Avancha R. A one-equation local correlation-based transition model // Flow, Turbulence and Combustion. 2015. V. 95. N 4. P. 583–619. https://doi.org/10.1007/s10494-015-9622-4

29. Gorji S., Seddighi M., Ariyaratne C., Vardy A.E., O’Donoghue T., Pokrajac D., He S. A comparative study of turbulence models in a transient channel fow // Computers and Fluids. 2014. V. 83. P. 111–123. https://doi.org/10.1016/j.compfuid.2013.10.037

30. Volkov K. Numerical analysis of Navier–Stokes equations on unstructured meshes // Handbook on Navier–Stokes Equations: Theory and Analysis. Nova Science, 2016. P. 365–442.

31. Volkov K. Multigrid and preconditioning techniques in CFD applications // CFD Techniques and Thermo-Mechanics Applications. Springer, 2018. P. 83–149. https://doi.org/10.1007/978-3-319-70945-1_6