Влияние эксцентриситета на теплопередачу в скважинном противоточном теплообменном аппарате типа "труба в трубе"

Abstract

Теплообменные аппараты типа "труба в трубе" широко используются в вертикальных скважинных теплообменниках и другом техническом оборудовании. На практике из-за конструктивных особенностей каналов либо неточности сборки появляется эксцентриситет. При этом в поперечном сечении интегральная величина теплового потока через внутреннюю трубу становится отличной от аналогичной величины в случае соосных труб. В данной работе исследуется влияние эксцентриситета на величину теплового потока через внутреннюю трубу противоточного теплообменного аппарата типа «труба в трубе». Данная задача рассмотрена на примере вертикального скважинного теплообменного аппарата. Математическая модель теплофизических процессов, построена на базе системы уравнений, которая включает в себя уравнения: теплопроводности, неразрывности, энергии, движения вязкой жидкости Навье–Стокса, осредненное по Рейнольдсу. Для замыкания системы уравнений использовалась стандартная k–ε-модель турбулентности. Расчеты были проведены для различных вариантов смещения внутренней трубы и расхода теплоносителя. В результате серий вычислительных экспериментов получена функциональная зависимость теплового потока от величины смещения. В случае игнорирования эксцентриситета при проведении теплового расчета погрешность может составить до 12%. Полученные результаты могут быть использованы для проведения тепловых расчетов в кольцевых каналах с эксцентриситетом скважинных теплообменников и в других технических устройствах.

Подано результати досліджень впливу ексцентриситету на тепловий потік через внутрішню трубу теплообмінного апарата типу «труба в трубі», який використовується в вертикальних свердловинних теплообмінниках. Наведено функціональну залежність теплового потоку від коефіцієнта зміщення. Показано, що збільшення ексцентриситету приводить до зниження теплопередачі через стінку протиструминного теплообмінника.

Heat exchangers of tube-in-tube type are widely used in the vertical borehole heat exchangers and other tech-nical equipments. In practice, because of the design features of the channels or assembly inaccuracies appear eccentricity. In the cross-section integral value of the heat flux through the inner tube becomes different from the similar value in the case of concentric tubes. In this paper, investigated the influence of eccentricity on the mag-nitude of the heat flux through the inner tube of counterflow heat exchanger of "tube in tube" type. This problem is considered as an example of vertical borehole heat exchanger. Mathematical model of thermal processes, is based on a system of equations which includes the equations of thermal conduction, the continuity equation, the energy equation, Reynolds-averaged Navier–Stokes equation. The standard k-ε turbulence model was used to close the system of equations. The calculations were performed for different variants of displacement of the inner tube and the coolant rate. As a result, a series of computing experiments obtained functional dependence of the heat flux from the value of displacement. In case of ignoring the eccentricity during the thermal calculation the inaccuracy can be up to 12%. The received results can be used for thermal calculations in annular channels with eccentric of borehole heat exchangers and other technical devices.