Определение коэффициентов теплоотдачи в мультивихревом тепломассообменном устройстве

   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.

1. Войнов 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.