VPLYV MATERIÁLU A GEOMETRIE VÝMENNÍKA NA PRENOS TEPLA INFLUENCE OF MATERIAL AND GEOMETRY OF EXCHANGER ON HEAT TRANSFER

Similar documents
Teplotné polia pri zváraní - vplyv postupu modelovania zvaru a odvodu tepla do okolia

THERMOPHYSICAL PROPERTIES OF BIOLOGICAL MATERIALS IN THE FOOD PROCESSING

Kapitola S5. Skrutkovica na rotačnej ploche

Od zmiešavacieho kalorimetra k ultra citlivej modulovanej kalorimetrii. Jozef Kačmarčík

SLOVAK UNIVERSITY OF TECHNOLOGY IN BRATISLAVA FACULTY OF CIVIL ENGINEERING MODERN STYLE MANSION

Nová metóda merania tepelného toku

COMPARISON OF ANALYTICAL SOLUTIONS WITH NUMERICAL MODELING RESULTS OF CONTACT PROBLEM OF THE SHALLOW FOUNDATIONS INTERACTION WITH SUBSOIL

Ing. Tomasz Kanik. doc. RNDr. Štefan Peško, CSc.

3. Horninové prostredie / Rocks

Solution Methods for Beam and Frames on Elastic Foundation Using the Finite Element Method

FIRE PROTECTION & SAFETY Scientific Journal 12(1): 17 32, 2018 ISSN:

TERMINOLÓGIA A JEDNOTKY OPTICKÉHO ŽIARENIA

The influence of input data design on terrain morphometric parameters quality and accuracy

ENVIRONMENTÁLNE FAKTORY V HODNOTENÍ EFEKTÍVNOSTI V POĽNOHOSPODÁRSTVE ENVIRONMENTAL FACTORS IN EFFICIENCY ASSESMENT IN AGRICULTURE.

KONŠTRUKCIA TERMOELEKTRICKÉHO CHLADIACEHO ZARIADENIA THERMOELECTRIC COOLER CONSTRUCTION

Transactions of the VŠB Technical University of Ostrava, Mechanical Series. article No Roland JANČO *

Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské - Technické univerzity Ostrava číslo 2, rok 2006, ročník LII, řada strojní článek č.

Teória grafov. RNDr. Milan Stacho, PhD.

SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA V NITRE

GENEROVANIE KRIVIEK ÚNAVOVEJ ŽIVOTNOSTI NA ZÁKLADE EXPERIMENTÁLNYCH ÚDAJOV FATIGUE CURVES GENERATION BASED ON EXPREIMENTAL MEASUREMENTS

VIRTUAL CONTROL SYSTEM OF EXOTHERMIC REACTOR USING THE CONTROLLER KRGN 90 VIRTUÁLNY RIADIACI SYSTÉM EXOTERMICKÉHO REAKTORA NA BÁZE KRGN 90

Jádrové odhady gradientu regresní funkce

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA STROJNÍ

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE. Elektrotechnická fakulta Katedra výkonových elektrotechnických systémov DIPLOMOVÁ PRÁCA

Transactions of the VŠB Technical University of Ostrava, Mechanical Series. article No Doubravka STŘEDOVÁ *, Petr TOMEK **

Light source thermal analysis I Sodium high-pressure discharge Lamp

Jádrové odhady regresní funkce pro korelovaná data

URČENIE MODULU PRUŽNOSTI OSOBNÝCH PLÁŠŤOV PNEUMATÍK

VYHLÁSENIE O PARAMETROCH č. Hilti HDA 0672-CPD-0012

Monitoring obsahu vody v masíve skalných obydlí v Brhlovciach na základe merania termofyzikálnych parametrov

Transactions of the VŠB Technical University of Ostrava, Mechanical Series. article No. 1932

SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE MATERIÁLOVOTECHNOLOGICKÁ FAKULTA PEVNOSTNÁ ANALÝZA VRUBOV POMOCOU MKP

TRIBOLOGICKÁ ANALÝZA ŽIAROVO POZINKOVANÝCH POVLAKOV PIN - ON DISC TESTOM

Transactions of the VŠB Technical University of Ostrava, Mechanical Series. article No Adam BUREČEK *, Lumír HRUŽÍK **

MODELOVANIE LOKÁLNEHO PRESTUPU TEPLA A VODNEJ PARY V BUDOVE

Light source thermal analysis II Incandescent Lamp

Transactions of the VŠB Technical University of Ostrava, Mechanical Series. article No. 1931

BIOKLIMATICKÉ ASPEKTY PRENOSOVÝCH JAVOV V SYSTÉME SMREKOVÝ PORAST ATMOSFÉRA

ANALYSIS OF EXTREME HYDROLOGICAL EVENTS ON THE DANUBE USING THE PEAK OVER THRESHOLD METHOD

Transactions of the VŠB Technical University of Ostrava, Mechanical Series No. 2, 2010, vol. LVI article No. 1777

/v ŠKODA AUTO a.s., Mladá Boleslav , Tel.: ,

Kľúčové slová: SAR, šum spekl noise, evolučná PDR, lineárna difúzia, Perona-Malikova rovnica, štatistickéfiltre, Leeho filter

MATHEMATICAL MODELING OF A COMBINED HOT-WATER HEATING SYSTEM BY MEANS OF THE FINITE ELEMENT METHOD

MEASUREMENT OF TEMPERATURE

Vplyv fyzikálnych vlastností na rýchlosť prechodu seizmických vĺn horninami

MEASUREMENT OF SPECIFIC HEATS OF FOODS STUFFS WITH THE AID OF CHEAP DIGITALIZED CALORIMETER MĚŘENÍ MĚRNÝCH TEPEL POTRAVIN POMOCÍ LEVNÉHO

THE PRELIMINARY CHARACTERIZATION OF SERPENTINITE FROM LJESKOVAC LOCALITY IN CROATIA

Metódy vol nej optimalizácie

Transactions of the VŠB Technical University of Ostrava, Mechanical Series No. 2, 2010, vol. LVI article No. 1776

Striedavé straty v pokrytých vodičoch

Mikrokontaktová spektroskopia silne korelovaných elektrónových systémov

The Golden Ratio and Signal Quantization

Transactions of the VŠB Technical University of Ostrava, Mechanical Series No. 1, 2014, vol. LX article No. 1979

VYHLÁSENIE O PARAMETROCH. č SK

Computation of Information Value for Credit Scoring Models

VYHLÁSENIE O PARAMETROCH. č SK. Predpokladané použitie. stave ý h častí ako o kladov a stropov, pozri prílohu, najmä prílohy B 1 - B 4

KATALÓG tenzometrických snímačov Sensocar + - aktuálna cena na požiadanie

Transactions of the VŠB Technical University of Ostrava No. 2, 2012, Vol. XII, Civil Engineering Series paper #26

Matematický aparát modelu HGN na meranie výkonnosti nefinančného ziskového podniku

MODELOVÁNÍ PROSTŘEDÍ V KABINĚ OSOBNÍHO AUTOMOBILU

VYHLÁSENIE O PARAMETROCH. č SK. Predpoklada é použitie. stave ý h častí ako o kladov a stropov, pozri prílohu, najmä prílohy B 1 - B 8

MODELOVANIE KONTAKTU PILOTA ZEMNÝ MASÍV. PREKOP ĽUBOMÍR. Stavebná fakulta STU, Katedra stavebnej mechaniky

EKONOMIKA DOMÁCÍHO VENKOVNÍHO BAZÉNU

Objavovanie znalostí v databázach. Ján Paralič

Uplatnění simulačních metod pro optimalizaci návrhu vytápění budov s různou tepelnou akumulací. Bc. Ján Chodúr

Natural convection heat transfer around a horizontal circular cylinder near an isothermal vertical wall

FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING. Department of Production Machines and Equipment. Master thesis

BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Transactions of the VŠB Technical University of Ostrava, Mechanical Series No. 1, 2010, vol. LVI article No. 1772

Skúsenosti so schladzovaním a zalievaním veľkých supravodivých magnetov

POSÚDENIE POŽIARNEHO NEBEZPEČENSTVA USADENÉHO A ROZVÍRENÉHO PRACHU IVANA TUREKOVÁ ANALYSIS OF FIRE HAZARD OF DUST LAYER AND DUST CLOUD

Short time oscillations of exchange rates

SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE STROJNÍCKA FAKULTA

QUESTION ANSWER. . e. Fourier number:

VYHLÁSENIE O PARAMETROCH. č SK. Predpokladané použitie. stave ý h častí ako o kladov a stropov, pozri prílohu, najmä prílohy B 1 - B 3

SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE STAVEBNÁ FAKULTA VYUŽITIE GRAFICKÉHO POUŽÍVATEĽSKÉHO ROZHRANIA PRI SIMULÁCII POŽIARU V STAVEBNOM PRIESTORE

THE INFLUENCE OF MN STEELS AGEING ON HEAT TRANSFER PHENOMENA. Eva Mazancová, Pavel Koštial, Ivan Ružiak, Milada Gajtanská, Ľuboš Krišťák *

Odvodenie niektorých geometrických veličín z GPS meraní

VPLYV EXPERIMENTÁLNYCH PODMIENOK NA SPOĽAHLIVOSŤ VÝSLEDKOV PRI ŠTÚDIU KINETIKY LÚHOVANIA

ANALÝZA VEDOMOSTNEJ ÚROVNE ŠTUDENTOV ZO STREDOŠKOLSKEJ FYZIKY SO ZRETEĽOM NA POŽIADAVKY MtF STU

VŠB - Technical University of Ostrava, 17. listopadu 15, Ostrava, tel. (+420)

Determination of current load of ACSR conductor based on average climatic conditions

ŠTEFAN GUBO. Riešenie úloh nelineárnej regresie pomocou tabuľkového kalkulátora. Solution of nonlinear regression tasks using spredsheet application

RESEARCH PAPERS FACULTY OF MATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY IN TRNAVA SLOVAK UNIVERSITY OF TECHNOLOGY IN BRATISLAVA

SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Univerzita Pavla Jozefa Šafárika v košiciach. Prírodovedecká fakulta. Ján KAŇUK

Errors-in-variables models

VYBRANÉ TERMOCHEMICKÉ VÝPOČTY CHEMICKEJ REAKCIE FORMOU WEBOVEJ SLUŽBY

HEC-RAS. River Analysis System systém pre analýzu prúdenia vody v riekach

Properties of Thin Metallic Films for Microwave Susceptors

Computer Applications in Hydraulic Engineering

aerodynamická odporová sila, vztlaková sila, aerodynamika, dojazdová skúška, Matlab

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

METÓDY PREDIKCIE HLUKU V PRIEMYSELNÝCH PREVÁDZKACH. Zdenka BECK - Petra LAZAROVÁ - Alexandra GOGA BODNÁROVÁ

Segmentace textury. Jan Kybic

Perforované plastové rozvádzačové lišty

LABORATÓRNE CVIČENIA Z FYZIKÁLNEJ CHÉMIE

Lucia Fuchsová Charakteristiky pravděpodobnostních

Ševčík Sebastián, doc., RNDr., CSc. Fakulta matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave

Transcription:

VPLYV MATERIÁLU A GEOMETRIE VÝMENNÍKA NA PRENOS TEPLA INFLUENCE OF MATERIAL AND GEOMETRY OF EXCHANGER ON HEAT TRANSFER Eva LABAŠOVÁ 1, Jaroslava TRUBENOVÁ 2 Autori: Ing. Eva Labašová, PhD., 1 RNDr. Jaroslava Trubenová, PhD. 2 Pracovisko: 1 Ústav výrobných systémov a aplikovanej mechaniky, Materiálovotechnologická fakulta STU 2 Katedra aplikovanej matematiky, Fakulta prírodných vied UCM Adresa: 1 Paulínska 16, 917 24 Trnava 2 Námestie Jozefa Herdu 2, 917 01 Trnava Telefón: 1 +421/918646022 E-mail: eva.labasova@stuba.sk, jaroslava.trubenova@ucm.sk Abstract Príspevok sa zaoberá analýzou vplyvu materiálu a geometrie teplovýmenného elementu na prenos tepla. Výsledky numerických výpočtov založených na metóde konečných prvkov ukázali závislosť množstva odvedeného tepla od hustoty rebrovania elementu. Na množstvo odvedeného tepla má vplyv nielen koeficient tepelnej vodivosti materiálu ale aj ďalšie termofyzikálne vlastnosti, napr. emisivita. The contribution deals with an analysis of heatexchangeable element material and geometry influence on heat transfer. Results of numerical calculations based on Finite Elements Method (FEM) have shown transfered heat dependence on interspace between individual ribs density. Transfered heat is determined not only by thermal conductivity coefficient, but also by others thermophysical properties, for example emissivity. Key words prenos tepla, metóda konečných prvkov, výmenník tepla heat transfer, Finite Elements Method, exchanger Úvod Rozvoj priemyslu prináša stále zložitejšie výrobné postupy, ktoré obsahujú rad procesov. Tieto procesy podľa svojej povahy možno deliť na mechanické, hydromechanické, difúzne, tepelné a pod. Na prenos energie vo forme tepla medzi dvomi prípadne aj viacerými pracovnými látkami slúžia zariadenia, ktoré sa nazývajú výmenníky. Ich úlohou je zabezpečiť realizáciu technologických procesov, ktoré vyžadujú ohrev alebo chladenie tekutín. 1

Prenos tepla vo výmenníkoch je kombinovaný proces, na ktorom sa podieľajú všetky druhy mechanizmu prenosu tepla, t.j. prirodzená a nútená konvekcia, tepelné žiarenie a vedenie tepla. Vzhľadom na rôznu intenzitu prestupu tepla medzi látkami sa často zvyšuje tepelný tok zväčšením povrchu výmenníka. Zväčšenie povrchu môže mať rôznu podobu, najčastejšie vo forme pozdĺžnych aj priečnych rebier, rôzneho prierezu aj veľkosti. Aktívna teplovýmenná plocha výmenníkov sa skladá obvykle z veľkého počtu teplovýmenných elementov za účelom zlepšenia odvodu tepla. Príspevok sa zaoberá analýzou vplyvu materiálových a geometrických faktorov na prenos tepla teplovýmenným elementom. Fyzikálne východiská a popis modelu Pomerne veľkú skupinu výmenníkov tvoria rekuperatívne (povrchové) výmenníky. Tie sa vyznačujú tým, že pracovné látky, medzi ktorými sa teplo odovzdáva, oddeľuje pevná stena elementov tvoriacich teplovýmenný povrch. Teplo sa odvádza pomocou chladiaceho média (spravidla kvapaliny) cez stenu (najčastejšie kovovú) do okolia (obvykle vzduchu). Plocha na strane vzduchu býva väčšia ako plocha na strane kvapaliny. Rozhodujúci tepelný odpor vzniká na strane vzduchu. Z toho vyplýva, že zníženie tepelného odporu možno dosiahnuť nielen zväčšovaním hodnôt koeficientov prestupu tepla, ale aj zväčšovaním plochy na strane vzduchu. Prakticky sa to realizuje rebrovaním teplovýmennej plochy. Cieľom príspevku je urobiť rozbor z hľadiska materiálových a geometrických parametrov teplovýmenného elementu vybraného tvaru na prenos tepla týmto elementom. Teplotné pole v elemente je opísané diferenciálnou Fourierovou-Kirchovhovou rovnicou vedenia tepla parabolického typu [1]: T T T T ρ. c( x, y, z) = λ( + λ( + λ( + qv ( x, y, z, (1) τ x x y y z z kde ρ,c, λ, a τ sú hustota, hmotnostná tepelná kapacita, koeficient tepelnej vodivosti a čas, q v je teplo vyvinuté v objeme telesa za jednotku času. Plocha teplovýmenného elementu je ochladzovaná tiež žiarením a konvekciou do okolia. Pre riešenie úlohy je možné uplatniť okrajovú podmienku III. druhu: T λ = αk ( Tw Tf ), (2) n 2 2 kde α k = εσ0 ( Tw + Tf )( Tw + Tf ) + αc. (3) Koeficient prestupu tepla α C je určovaný z kriteriálnych rovníc platných pre prirodzenú konvekciu do neobmedzeného priestoru [2]. Pre výpočet α C je potrebné učiť Nusseltovo číslo Nu bm, pre ktoré platí: bm Ry bm n Nu = C ( ), (4) kde Ry bm je Rayleighovo číslo, C, n sú konštanty určené podľa veľkosti Ry čísla odčítaním z tabuľky [3], b je charakteristický rozmer, m je charakteristická teplota. Nusseltovo číslo slúži na výpočet koeficientu prestupu tepla α : C Nu bm λ α c =. (5) b 2

Hodnoty koeficientu prestupu tepla okolia boli vypočítané podľa (3). αk z povrchu dosky (pre všetky skúmané materiály) do Výpočty boli urobené pre nasledovné materiály: korund, železo, zliatina, kremenec, magnezit, betón, plast. Rozhodujúcim kritériom pre výber materiálov bola hodnota koeficientu tepelnej vodivosti daného materiálu λ. Zoznam materiálov, ich označenie a termofyzikálne vlastnosti sú v tabuľke č. 1. Označenie Názov Termofyzikálne charakteristiky Tabuľka 1 λ [W.m -1.K -1 ] ρ [kg.m -3 ] c [J.kg -1.K -1 ] ε P Polypropylén (40% mastenca) 0,51 1210 1340 0,8 B betón prostý 1,1 2250 879 0,9 M magnezit (40% MgO) 2,67 2000 800 0,65 K kremenec 6,05 28000 795 0,93 Z zliatina (30% Bi + 70% Sb) 9,65 7500 200 0,3 A korund (Al 2 O 3 ) 20,93 3750 754 0,85 F oceľ (0,2% C) 45,4 7800 450 0,2 λ - koeficient tepelnej vodivosti materiálu, ρ - hustota, c - hmotnostná tepelná kapacita, ε - emisivita povrchu Na obr. 1 sú znázornené základné rozmerové charakteristiky sledovaného teplovýmenného elementu. h v m z d b Obr. 1. Schématické znázornenie teplovýmenného elementu b hrúbka steny výmenného elementu (b = 0,01 m), v výška rebier (v = 0,05 m), h dĺžka rebier (h = 1 m), z základňa rebra (z = 0,004 m), m šírka modulu rebra (m i = 0,016 m; 0,032 m; 0,048 m; 0,064 m; 0,08 m, kde i = 1, 2, 3, 4, 5), d šírka medzery medzi rebrami (vo výpočtoch sa mení v závislosti od veľkosti modulu. Numerické výpočty boli robené v programe SYSTUS, ktorý využíva metódu konečných prvkov. Pri numerických výpočtoch boli použité okrajové podmienky: teplota základného povrchu T p = 80 C, teplota obklopujúceho prostredia T o = 20 C. Model teplovýmenného elementu bol riešený ako stacionárny a nelineárny problém prestupu tepla. Metódou konečných prvkov boli určené teploty v uzlových bodoch použitej siete. Tieto hodnoty tvorili vstupné dáta pre výpočet charakteristík teplovýmenného elementu. Vplyv rôznych materiálov a rôznej hustoty rebier bol analyzovaný porovnaním odvedeného tepla za jednotku času z plochy 1 m 2. 3

Výsledky Na obr. 2 sú ukázané hodnoty odvedeného tepla z 1m 2 teplovýmenného elementu za jednotku času. Na grafe sú porovnané rôzne materiály a rôzne hustoty rebier elementu. Hustota rebier súvisí so šírkou modulu m i (i = 1...5). Je zrejmé, že najvyhovujúcejší materiál v aplikácii teplovýmenného elementu je ten, ktorému zodpovedá krivka umiestnená na grafe v obr. 2 najvyššie. Naopak najmenej vyhovujúci je materiál, ktorého krivka leží najnižšie. Z modelovaných materiálov sa ako najvhodnejší javí korund a najnevhodnejší je plast. Toto konštatovanie platí pre všetky hustoty rebrovania teplovýmenného elementu. Množstvo odvedeného tepla sa zvyšuje so zvyšujúcou sa hustotou rebrovania. Pri hustejšom rebrovaní má na množstvo odvedeného tepla výrazný vplyv typ použitého materiálu. Pri nižšej hustote nie je výrazný rozdiel v hodnotách odvedeného tepla pre rôzne materiály. Z vypočítaných hodnôt možno usudzovať, že na množstvo odvedeného tepla má vplyv nielen koeficient tepelnej vodivosti materiálu, ale aj ďalšie termofyzikálne vlastnosti (emisivita). Z grafu vidno, že najvyššie hodnoty odvedeného tepla vykazujú elementy z materiálu korund, ktorý má nižšiu hodnotu koeficientu tepelnej vodivosti ako železo, ale má vyššiu hodnotu emisivity ako železo (tab. 1). V praxi to znamená, že by bolo možné nahradiť kovové elementy nekovovými materiálmi s nižšími hodnotami koeficienta tepelnej vodivosti ale s výhodnejšími hodnotami emisivity. V ďalšom by bolo zaujímavé sledovať napríklad prestup tepla cez elementy tvorené dvojicou materiálov a to tak, že takmer celý objem telesa by bol tvorený materiálom s vysokou tepelnou vodivosťou a vonkajší povrch elementu, by tvoril materiál s vyššími hodnotami emisivity. odvedené teplo 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 1 2 3 4 5 modul Obr. 2 A B F K M P Z Záver Navrhovanie teplovýmenných elementov je často len na základe intuície, skúseností bez dôkladnej analýzy geometrických a materiálových faktorov, ktoré by mohli výrazne ovplyvniť prechod tepla týmito elementami a zvýšiť tak účinnosť a efektívnosť navrhovaného elementu. Riešenie daného problému ukázalo, že fyzikálny model umožňuje analýzu vplyvu materiálu a geometrie elementu na prestup tepla. Výsledky ukázali závislosť tepelnej charakteristiky elementu od materiálového a geometrického faktora a je ich možno využiť pri spresňovaní a skvalitňovaní návrhov teplovýmenných elementov. 4

Zoznam bibliografických odkazov: [1] KUBIČÁR, Ľ. Rýchla metóda merania základných termofyzikálnych parametrov. Bratislava: Vydavateľstvo VEDA, Bratislava, 1988 [2] TARABA, B., BEHÚLOVÁ, M., KRAVÁRIKOVÁ, H. Mechanika tekutín, Termomechanika. Bratislava: Vydavateľstvo STU Bratislava, 2004, 241 s. ISBN: 80-223-2004 [3] WITLINGER, V. Minilexikón tepla. Bratislava, Vydavateľstvo ALFA, 1992. 5