Analysis of operating conditions for high performance heat exchanger with the finned elliptical tube

The analysis of the hydraulic and thermal performance of the high performance heat exchanger, with the finned elliptical tubes is presented in this paper. The thermal and hydraulic performance of this type of heat exchangers strongly depends on the flow distribution inside the tubes of heat exchanger. However, due to the compact size of these types of heat exchangers, it is difficult to ensure the uniform flow velocities inside all the tubes. The value of flow velocity influences the heat transfer conditions inside the device. The actual value of the mass flow rate for an individual tube may differ significantly from its designed value. If the differences in the flow velocities inside the tubes are large, then the tubes of heat exchanger are exposed to the significant thermal loads. This can cause the large effort of the tube material and may lead to the fracture of tube due to exceeding the allowable stress limits. In this work, the coupled flow, thermal and structural analyses of the heat exchanger are conducted. The zones and the location of the improper flow conditions are indicated. The structural analysis of the high performance heat exchanger is carried out in order to point out the tubes, where the allowable stresses are exceeded.

---

W pracy została przedstawiona metodyka obliczeń przepływowo-cieplnych i wytrzymałościowych wysokosprawnego wymiennika ciepła z rurami eliptycznymi ożebrowanymi, o przepływie krzyżowo-prądowym. Wymienniki tego typu stosowane są w instalacjach energetycznych, ciepłowniczych oraz w instalacjach przemysłu ciężkiego. Ulegają one dość często awariom z uwagi na niekorzystne warunki rozpływu czynników roboczych. Jest to uwarunkowane głównie rozwiązaniami konstrukcyjnymi tych wymienników. W pracy pokazano mapy niekorzystnych rozpływów cieczy w wymienniku, otrzymane przy użyciu kodów CFD. Ponadto zamieszczono analizy termiczne i wytrzymałościowe warunków pracy urządzenia, przy użyciu Metody Elementów Skończonych (MES). Przy wysokiej temperaturze czynnika płynącego prostopadle do powierzchni ożebrowanej, może to skutkować nieprawidłowym odbiorem ciepła przez czynnik roboczy płynący wewnątrz rurek wymiennika. Skutkuje to znacznym wzrostem naprężeń ściskających w rurach wymiennika, a w konsekwencji ich uszkodzeniem i awarią urządzenia. Generuje to znaczne koszty, związane z przerwami w pracy instalacji, kosztami naprawy, a nawet konieczności wymiany urządzenia.