ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2022-2-260-269ipolytech-605Research ArticleЭНЕРГЕТИКАPOWER ENGINEERINGОпределение коэффициентов теплоотдачи в мультивихревом тепломассообменном устройствеDetermination of heat-transfer coefficients in multi-vortex heat-mass-exchange apparatushttps://orcid.org/0000-0001-8979-4457ДмитриевА. В.DmitrievA. V.

Андрей Владимирович Дмитриев, доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой

кафедра теоретических основ теплотехники

420066

ул. Красносельская, 51

Казань

Andrey V. Dmitriev, Dr. Sci. (Eng.), Associate Professor, Head of the Department

Department of Theoretical Foundations of Heat Engineering

420066

51, Krasnoselskaya St.

Kazan

ieremiada@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-9513-894XМадышевИ. Н.MadyshevI. N.

Ильнур Наилович Мадышев, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой

Нижнекамский химико-технологический институт, филиал

кафедра машин и аппаратов химических производств

423570

ул. Строителей, 47

Нижнекамск

Ilnur N. Madyshev, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Head of the Department

Nizhnekamsk Chemical Technology Institute, Branch

Department of Machines and Equipment of Chemical Production

423570

47, Stroiteley St.

Nizhnekamsk

ilnyr_91@mail.ruГалимоваА. Т.GalimovaA. T.

Альбина Талгатовна Галимова, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры

Нижнекамский химико-технологический институт, филиал

кафедра процессов и аппаратов химических технологий

423570

ул. Строителей, 47

Нижнекамск

Albina T. Galimova, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department

Nizhnekamsk Chemical Technology Institute, Branch

Department of Chemical Technology Processes and Equipment

423570

47, Stroiteley St.

Nizhnekamsk

galimovaat@nchti.ruСахибгареевН. Ф.SakhibgareevN. F.

Нурислам Фаритович Сахибгареев, студент

420066

ул. Красносельская, 51

Казань

Nurislam F. Sakhibgareev, Student

420066

51, Krasnoselskaya St.

Kazan

fanat.elvisa@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-5910-5312БадретдиноваГ. Р.BadretdinovaG. R.

Гузель Рамилевна Бадретдинова, аспирант

420066

ул. Красносельская, 51

Казань

Guzel R. Badretdinova, Postgraduate student

420066

51, Krasnoselskaya St.

Kazan

nice.badretdinova@mail.ruКазанский государственный энергетический университетРоссияKazan State Power Engineering UniversityRussian FederationКазанский национальный исследовательский технологический университетРоссияKazan National Research Technological UniversityRussian Federation202205072022262260269Copyright © Дмитриев А.В., Мадышев И.Н., Галимова А.Т., Сахибгареев Н.Ф., Бадретдинова Г.Р., 20222022Дмитриев А.В., Мадышев И.Н., Галимова А.Т., Сахибгареев Н.Ф., Бадретдинова Г.Р.Dmitriev A.V., Madyshev I.N., Galimova A.T., Sakhibgareev N.F., Badretdinova G.R.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/605

   Целями данной работы является определение коэффициентов теплоотдачи от рабочих поверхностей разработанного авторами мультивихревого тепломассообменного устройства, а также получение критериальных зависимостей для расчета коэффициентов теплоотдачи от внутренней стенки корпуса и дна при создании вихрей в предложенном аппарате. Численное моделирование выполнено в программном комплексе ANSYS Fluent. При решении задачи определения профиля скорости текучей среды, для расчета коэффициента теплоотдачи, использовалась модель турбулентности SST k-ω, показывающая удовлетворительную сходимость в пристеночных областях течения жидких и газовых сред при моделировании течений в аналогичных конструкциях, используемых, например, для классификации мелкодисперсного сыпучего материала. Получены безразмерные зависимости, позволяющие связывать число Нуссельта с  числами Рейнольдса и Прандтля. Получены зависимости увеличения интенсивности теплоотдачи от числа Рейнольдса. Установлено, что интенсивность теплоотдачи от внутренней стенки мультивихревого устройства превышает теплоотдачу от дна на 12,7–15,8 % в зависимости от чисел Рейнольдса. Значения коэффициентов теплоотдачи на внутренней стенке предлагаемого устройства могут достигать 14747 Вт/(м2 · К) при средней скорости течения жидкости равной 1 м/с. Предлагаемое мультивихревое тепломассообменное устройство обеспечивает формирование закрученного газового или жидкостного течения в кольцевом зазоре между патрубком и корпусом устройства, что обеспечивает высокие коэффициенты теплоотдачи и, следовательно, высокую интенсивность теплопередачи, особенно через стенку контактной ступени. Проведенные численные исследования показывают возможности достижения высоких значений удельного теплового потока через стенку контактной ступени, что позволяет наиболее эффективно использовать его в процессах, связанных с дополнительным подводом или отводом тепла из контактной ступени через внешнюю поверхность устройства.

   In this work, heat transfer coefficients from the working surfaces of a multi-vortex heat-and-mass exchange apparatus developed by the authors are determined along with dimensionless equations for calculating the heat transfer coefficients from the inner wall of a housing and bottom when generating. Numerical modelling is carried out using the ANSYS Fluent software package. When determining the velocity profile of a fluid in order to calculate the coefficient of heat transfer, the SST k-ω turbulence model is used. This allows for an adequate convergence in near-wall fluid and gas flow areas when simulating flows in similar constructions used, for example, to classify finely dispersed bulk solids. Dimensionless equations are obtained that relate the Nusselt number to the Reynolds and Prandtl numbers. Relationships are obtained for the increase in the heat transfer intensity as a function of the Reynolds number. It is established that the intensity of heat transfer from the inner wall in the multi-vortex apparatus exceeds the heat transfer from the bottom by 12.7–15.8 % depending on the Reynolds number. The values of heat transfer coefficients at the inner wall of the proposed apparatus can reach 14747 W/(m2 ∙ K) at an average fluid flow rate of 1 m/s. The proposed multi-vortex heat-exchange apparatus ensures swirling gas or fluid flow in the annular gap between the branch pipe and unit housing to provide high heat transfer coefficients and, hence, high intensity of heat transfer, especially through the wall of the contact stage. The numerical studies demonstrate the possibility of achieving high values of specific heat flux through the wall of the contact stage, which enables the most efficient use of the apparatus in the processes associated with the additional heat supply or removal from the contact stage through its external.

мультивихревое устройствотепломассообменкоэффициент теплоотдачичисленное моделированиекритериальные уравненияmulti vortex deviceheat and mass transferheat transfer coefficientnumerical modelingdimensionless equationsРабота выполнена при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда № 21- 79-00001, https://rscf.ru/project/21-79-00001/The work was performed with the support of the Russian Science Foundation grant No. 21-79- 00001, https://rscf.ru/project/21-79-00001/.ReferencesВойнов Н. А. Массоотдача в газожидкостном слое на вихревых ступенях / Н. А. Войнов [и др.] // Теоретические основы химической технологии. – 2013. – Т. 47. – № 1. – С. 62–67. http://doi.org/10.7868/S004035711301017X.Voinov N. A., Zhukova O. P., Lednik S. A., Nikolaev N. A. Mass transfer in gas-liquid layer on vortex contact stages. Teoreticheskie osnovy himicheskoj tehnologii. 2013; 47 (1): 62-67. http://doi.org/10.7868/S004035711301017X. (In Russ.).Khafizov F. S., Afanasenko V. G., Khafizov I. F., Khaibrakhmanov A. S., Boev E. V. Use of vortex apparatuses in gas cleaning process // Chemical and Petroleum Engineering. 2008. Vol. 44. No. 7. P. 425–428. https://doi.org/10.1007/s10556-008-9081-z.Khafizov F. S., Afanasenko V. G., Khafizov I. F., Khaibrakhmanov A. S., Boev E. V. Use of vortex apparatuses in gas cleaning process. Chemical and Petroleum Engineering. 2008; 44 (7): 425-428. https://doi.org/10.1007/s10556-008-9081-z.Николаев А. Н. Высокоэффективные вихревые аппараты для комплексной очистки больших объемов промышленных газовых выбросов / А. Н. Николаев, А. А. Овчинников, Н. А. Николаев // Химическая промышленность. – 1992. – № 9. – С. 36–38.Nikolaev A. N., Ovchinnikov A. A., Nikolaev H. A. Highly efficient vortex apparatuses for complex treatment of large volumes of industrial gas emissions. Himicheskaya promyshlennost'. 1992; 9: 36–38. (In Russ.).Dadvand A., Hosseini S., Aghebatandish S., Khoo Boo Cheong. Enhancement of heat and mass transfer in a microchannel via passive oscillation of a flexible vortex generator // Chemical Engineering Science. 2019. Vol. 207. P. 556–580. https://doi.org/10.1016/j.ces.2019.06.045.Dadvand A., Hosseini S., Aghebatandish S., Khoo Boo Cheong. Enhancement of heat and mass transfer in a microchannel via passive oscillation of a flexible vortex generator. Chemical Engineering Science. 2019; 207: 556-580. https://doi.org/10.1016/j.ces.2019.06.045.Gorbunova A., Klimov A., Molevich N., Moralev I., Porfiriev D., Sugak S., Zavershinskii I. Precessing vortex core in a swirling wake with heat release // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2016. Vol. 59. P. 100–108. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2016.03.002.Gorbunova A., Klimov A., Molevich N., Moralev I., Porfiriev D., Sugak S., Zavershinskii I. Precessing vortex core in a swirling wake with heat release. International Journal of Heat and Fluid Flow. 2016; 59: 100-108. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2016.03.002.Henze M., Von Wolfersdorf J., Weigand B., Dietz C. F., Neumann S. O. Flow and heat transfer characteristics behind vortex generators – a benchmark dataset // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2011. Vol. 32. No. 1. P. 318–328. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2010.07.005.Henze M., Von Wolfersdorf J., Weigand B., Dietz C. F., Neumann S. O. Flow and heat transfer characteristics behind vortex generators – a benchmark dataset. International Journal of Heat and Fluid Flow. 2011; 32 (1): 318-328. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2010.07.005.Ляндзберг А. Р. Вихревые теплообменники и конденсация в закрученном потоке: монография / А. Р. Ляндзберг, А. С. Латкин. – Петропавловск-Камчатский: Изд-во КамчатГТУ, 2004. – 149 с.Lyandzberg A. R., Latkin A. S. Vortex heat exchangers and condensation in a swirling flow. Petropavlovsk-Kamchatskiy: Kamchatka State Technical University; 2004, 149 р. (In Russ.).Deev V. I., Kharitonov V. S., Churkin A. N. Analysis and generalization of experimental data on heat transfer to supercritical pressure water flow in annular channels and rod bundles // Thermal Engineering. 2017. Vol. 64. No. 2. P. 142–150. https://doi.org/10.1134/S0040601516110021.Deev V. I., Kharitonov V. S., Churkin A. N. Analysis and generalization of experimental data on heat transfer to supercritical pressure water flow in annular channels and rod bundles. Thermal Engineering. 2017; 64 (2): 142-150. https://doi.org/10.1134/S0040601516110021.Tarasevich S. E., Fedyaev V. L., Yakovlev A. B., Morenko I. V. Experimental and numerical investigation of heat transfer in annular channels with flow twisting // Heat Transfer Summer Conference collocated with the ASME 2012 Fluids Engineering Division Summer Meeting and the ASME 2012 10th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels (Rio Grande, 8–12 July 2012). Rio Grande, 2012. Vol. 2. P. 109–114. https://doi.org/10.1115/HT2012-58430.Tarasevich S. E., Fedyaev V. L., Yakovlev A. B., Morenko I. V. Experimental and numerical investigation of heat transfer in annular channels with flow twisting. In: Heat Transfer Summer Conference collocated with the ASME 2012 Fluids Engineering Division Summer Meeting and the ASME 2012 10th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels. 8–12 July 2012, Rio Grande. Rio Grande; 2012, vol. 2, р. 109-114. https://doi.org/10.1115/HT2012-58430.Nasiri M., Etemad S. Gh., Bagheri R. Experimental heat transfer of nanofluid through an annular duct // International Communications in Heat and Mass Transfer. 2011. Vol. 38. No. 7. P. 958–963. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2011.04.011.Nasiri M., Etemad S. Gh., Bagheri R. Experimental heat transfer of nanofluid through an annular duct. International Communications in Heat and Mass Transfer. 2011; 38 (7): 958-963. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2011.04.011.Riyi Lin, Xiaoqian Wang, Weidong Xu, Xinfeng Jia, Zhiying Jia. Experimental and numerical study on forced convection heat transport in eccentric annular channels // International Journal of Thermal Sciences. 2019. Vol. 136. P. 60–69. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2018.10.003.Riyi Lin, Xiaoqian Wang, Weidong Xu, Xinfeng Jia, Zhiying Jia. Experimental and numerical study on forced convection heat transport in eccentric annular channels. International Journal of Thermal Sciences. 2019; 136: 60-69. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2018.10.003.Mauro A. W., Cioncolini A., Thome J. R., Mastrullo R. Asymmetric annular flow in horizontal circular macro-channels: basic modeling of liquid film distribution and heat transfer around the tube perimeter in convective boiling // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2014. Vol. 77. P. 897–905. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.06.021.Mauro A. W., Cioncolini A., Thome J. R., Mastrullo R. Asymmetric annular flow in horizontal circular macro-channels: basic modeling of liquid film distribution and heat transfer around the tube perimeter in convective boiling. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2014; 77: 897-905. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.06.021.Cotton J. S., Robinson A. J., Shoukri M., Chang J. S. AC voltage induced electrohydrodynamic two-phase convective boiling heat transfer in horizontal annular channels // Experimental Thermal and Fluid Science. 2012. Vol. 41. P. 31–42. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2012.03.003.Cotton J. S., Robinson A. J., Shoukri M., Chang J. S. AC voltage induced electrohydrodynamic two-phase convective boiling heat transfer in horizontal annular channels. Experimental Thermal and Fluid Science. 2012; 41: 31-42. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2012.03.003.Wang Han, Bi Qincheng, Yang Zhendong, Gang Wu, Hu Richa. Experimental and numerical study on the enhanced effect of spiral spacer to heat transfer of super-critical pressure water in vertical annular channels // Applied Thermal Engineering. 2012. Vol. 48. P. 436–445. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2012.05.010.Wang Han, Bi Qincheng, Yang Zhendong, Gang Wu, Hu Richa. Experimental and numerical study on the enhanced effect of spiral spacer to heat transfer of super-critical pressure water in vertical annular channels. Applied Thermal Engineering. 2012; 48: 436-445. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2012.05.010.Abou-Ziyan H. Z., Helali A. H. B., Selim M. Y. E. Enhancement of forced convection in wide cylindrical annular channel using rotating inner pipe with interrupted helical fins // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2016. Vol. 95. P. 996–1007. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.12.066.Abou-Ziyan H. Z., Helali A. H. B., Selim M. Y. E. Enhancement of forced convection in wide cylindrical annular channel using rotating inner pipe with interrupted helical fins. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2016; 95: 996-1007. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.12.066.Togun H., Abdulrazzaq T., Kazi S. N., Badarudin A., Kadhum A. A. H., Sadeghinezhad E. A review of studies on forced, natural and mixed heat transfer to fluid and nanofluid flow in an annular passage // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014. Vol. 39. P. 835–856. https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.07.008.Togun H., Abdulrazzaq T., Kazi S. N., Badarudin A., Kadhum A. A. H., Sadeghinezhad E. A review of studies on forced, natural and mixed heat transfer to fluid and nanofluid flow in an annular passage. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014; 39: 835-856. https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.07.008.Lorenzon A., Vaglio E., Casarsa L., Sortino M., Totis G., Saragò G., et al. Heat transfer and pressure loss performances for additively manufactured pin fin arrays in annular channels // Applied Thermal Engineering. 2021. P. 117851. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.117851.Lorenzon A., Vaglio E., Casarsa L., Sortino M., Totis G., Saragò G., et al. Heat transfer and pressure loss performances for additively manufactured pin fin arrays in annular channels. Applied Thermal Engineering. 2021; 117851. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.117851.Butcher H., Quenzel C. J. E., Breziner L., Mettes J., Wilhite B. A., Bossard P. Design of an annular microchannel reactor (AMR) for hydrogen and/or syngas production via methane steam reforming // International Journal of Hydrogen Energy. 2014. Vol. 39. Iss. 31. P. 18046–18057. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.04.109.Butcher H., Quenzel C. J. E., Breziner L., Mettes J., Wilhite B. A., Bossard P. Design of an annular microchannel reactor (AMR) for hydrogen and/or syngas production via methane steam reforming. International Journal of Hydrogen Energy. 2014;39(31):18046-18057. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.04.109.Deev V. I., Kharitonov V. S., Baisov A. M., Churkin A. N. Universal dependencies for the description of heat transfer regimes in turbulent flow of supercritical fluids in channels of various geometries // The Journal of Supercritical Fluids. 2018. Vol. 135. P. 160–167. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2018.01.019.Deev V. I., Kharitonov V. S., Baisov A. M., Churkin A. N. Universal dependencies for the description of heat transfer regimes in turbulent flow of supercritical fluids in channels of various geometries. The Journal of Supercritical Fluids. 2018;135:160-167. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2018.01.019.Liu Huan-ling, Qi Dong-hao, Shao Xiao-dong, Wang Wei-dong. An experimental and numerical investigation of heat transfer enhancement in annular microchannel heat sinks // International Journal of Thermal Sciences. 2019. Vol. 142. P. 106–120. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2019.04.006.Liu Huan-ling, Qi Dong-hao, Shao Xiao-dong, Wang Wei-dong. An experimental and numerical investigation of heat transfer enhancement in annular microchannel heat sinks. International Journal of Thermal Sciences. 2019; 142: 106-120. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2019.04.006.Du D. X., Tian W. X., Su G. H., Qiu S. Z., Huang Y. P., Yan X. Theoretical study on the characteristics of critical heat flux in vertical narrow rectangular channels // Applied Thermal Engineering. 2012. Vol. 36. P. 21–31. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2011.11.039.Du D. X., Tian W. X., Su G. H., Qiu S. Z., Huang Y. P., Yan X. Theoretical study on the characteristics of critical heat flux in vertical narrow rectangular channels. Applied Thermal Engineering. 2012;36:21-31. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2011.11.039.Дектерев А. А. Математическое моделирование закрученных течений в приложении к промышленным задачам / А. А. Дектерев // Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках: матер. VI Всерос. конф. с междунар. участием (г. Новосибирск, 21–23 ноября 2017 г.). – Новосибирск: Изд-во Ин-та теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 2017. – С. 16.Dekterev A. A. Mathematical modeling of swirling flows as applied to industrial problems. In: Teplomassoobmen i gidrodinamika v zakruchennyh potokah: materialy VI Vserossijskoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem = Heat and Mass Transfer and Hydrodynamics in Swirling Flows: Materials of the 6th All-Russian Conference with international participation. 21–23 November 2017, Novosibirsk. Novosibirsk: Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS; 2017, р. 16. (In Russ.).Лаптев А. Г. Эффективность явлений переноса в каналах с хаотичными насадочными слоями: монография / А. Г. Лаптев, Т. М. Фарахов, О. Г. Дударовская. – СПб.: Изд-во «Страта», 2016. – 214 с.Laptev A. G., Farahov T. M., Dudarovskaya O. G. Efficiency of transfer phenomena in the channels with chaotic packed layers. St. Petersburg: Strata; 2016, 214 р. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.