Моделирование методом VOF пленочной конденсации фреонов внутри горизонтальных и наклонных трубах (2024 год)

В ходе выполнения гранта РНФ №     22-19-00495 «Исследование методов интенсификации теплообмена при конденсации перспективных рабочих тел для органического цикла Ренкина в наклонных и горизонтальных трубах» были верифицированы модели для расчета источников энергии при фазовом переходе, модели турбулентности, реализованные в методе VOF, и систематически изучена конденсация насыщенных паров фреонов (R-113, R-142b, R-245fa) при их движении в горизонтальных, вертикальных и наклонных трубах различного диаметра. Рассмотрены режимы конденсации для массовых скоростей до 294 кг/м2с при плотностях теплового потока до 70-80 кВт/м2. Основные результаты были представлены в публикациях и отчетах по проекту (https://www.rscf.ru/project/22-19-00495/), и на ведущих конференциях.

Для использования наработок проекта специалистами по тепло- и массообмену в дистрибутив кода ANES добавлен пример для расчета конденсации насыщенного или перегретого пара в наклонном канале произвольной ориентации с использованием трехмерной постановки.

Наиболее интересные результаты, полученные в ходе выполнения проекта, представлены далее

Выполнено моделирование конденсации пара при опускном течении R-113 с массовыми скоростями до 294 кг/м2с и плотностью теплового потока до 70-80 кВт/м2 в том числе с использованием трехмерной постановки (рис. 1-3).

 

Рисунок 1 – Мгновенное поле скорости в момент времени 5 с при конденсации R-113 в трубе диаметром 14 мм,  (соотношение масштабов по оси r и z искажено)

1 – 2D постановка, 2 – 3D постановка

Рисунок 2 – Зависимость  от числа Рейнольдса жидкой пленки  при конденсации R-113 в 9 мм трубе. Экспериментальные данные [1]

Рисунок 3 – Распределение мгновенных коэффициентов теплоотдачи на поверхности стенки при массовой скорости 88 кг/м2с (анимация)

Выполнена кросc-верифицация кодов (ANES и ANSYS) на задаче о конденсации R-142b в горизонтальной трубе. Получены данные о распределении локальных характеристик по поверхности трубки при массовой скорости равной 47 кг/м2с (рис. 4-6).
 

Рисунок 4 – Используемая сетка

Рисунок 4 – Распределение осредненного по периметру трубы коэффициента теплоотдачи по длине канала. 1 – методика из [2] (ширина закрашенной области соответствует диапазону 17% отклонения от расчетных значений), 2 – ANES (детальная сетка), 3 – ANES (грубая сетка), 4 – ANSYS

Рисунок 6 – Распределения перепада температур (а) и относительной плотности теплового потока (б) на внутренней поверхности

Рисунок 6 – Зависимость коэффициента теплоотдачи для труб 1-17 (номер линии на рисунке соответствует номеру трубы). Конденсация R-21 при 21 при 333.15 К, температура стенки303.15 К, скорость 0.3 м/с. Иллюстрация взята из рукописи статьи, представленной в журнал Теплоэнергетика

Более детально итоговые результаты по выполненному проекту были представлены в докладах на V Международной конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики», Национальный исследовательский университет «МЭИ» Россия, Москва, 21 – 25 октября 2024 года. Материал презентаций можно скачать по ссылкам: Вертикальная труба, Горизонтальная труба.

Список используемых источников

1. Local condensation heat transfer in vertical tubes / A.S. Komendantov, Yu.B. Smirnov, S.G. Avdeyev, N.B. Smirnova // Heat Transfer Res. 1992. V. 24. P. 857–865.
2. Shah M.M. Improved general correlation for condensation in channels // Inventions. 2022. V. 7. Is. 4. P. 114. https://doi.org/10.3390/inventions7040114