Υπολογιστική και πειραματική μελέτη για βέλτιστο σχεδιασμό εναλλακτών θερμότητας τύπου πλακών

Abstract

The scope of this dissertation is to suggest a general method for the optimal design of a plate heat exchanger (PHE) that complies with the principles of sustainability. A CFD code is employed to construct virtual PHE channels and to simulate the heat transfer rate and pressure drop in this type of equipment. As the validity of the CFD code must be checked, two model plate heat exchangers have been constructed and used as experimental set-ups. The first experimental set-up comprises an orthogonal channel bearing corrugations on one side only, while the second comprises two complete fluid paths of a typical PHE, one for the hot and one for the cold fluid flow. A two-equation turbulence model, namely the SST (Shear Stress Transport) is used for the simulation. The Nusselt number values, Nu, that have been calculated using the CFD simulation results are found to be in very good agreement with the experimental data and with limited data in the literature. Small deviations in the calculation of friction factor values, f, can be attributed to the small differences in the shape of corrugations. The comparison of experimental data from the CFD simulations led to the safe conclusion that the CFD code can be used as a valid and reliable tool for predicting the thermo-hydraulic characteristics of the flow inside the narrow channels of a PHE. The next step of this thesis was the quest for the values of the PHE design parameters that optimize the performance of this type of equipment. Four of the design parameters refer to the geometrical characteristics of the corrugation herringbone pattern, while the Reynolds number, Re, is chosen as the fifth design parameter. The Box-Behnken technique is employed as a Design of Experiments (DOE) method to limit the number of simulations needed. Results from the simulations were used thereafter to express correlations for the Nu and f using Response Surface Methodology (RSM). The proposed correlations are then used for estimating the geometrical design parameter values that optimize an objective function. This objective function linearly combines heat transfer augmentation with friction losses, using a weighting factor that accounts for the relative cost of energy. It is shown that the optimal performance of a PHE is achieved when secondary flow due to the corrugations is dominant. As the weighting factor increases meaning that the friction losses play a very important role, the optimal PHE should cause small pressure drop. Finally, using the new generalized correlations for Nu and f, a design algorithm is proposed for the calculation of the optimal corrugation geometry or the selection of an appropriate pre-fabricated PHE plate, complying with the principles of ecological and economic sustainability.

Ο σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι ο βέλτιστος σχεδιασμός ενός εναλλάκτη πλακών, με απώτερο στόχο την καλύτερη αξιοποίηση της ενέργειας. Η διατριβή αξιοποιεί ένα εμπορικό κώδικα Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής (CFD) για την κατασκευή ιδεατών καναλιών ενός εναλλάκτη πλακών και την προσομοίωση της ροής μέσα σε αυτά. Καθώς η αξιοπιστία του κώδικα CFD πρέπει να ελεγχθεί, κατασκευάσθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν ως πειραματικές διατάξεις δύο πρότυποι εναλλάκτες πλακών. Η πρώτη πειραματική διάταξη αποτελείται από ένα ορθογωνικό κανάλι το οποίο φέρει πτυχώσεις μόνο από τη μία πλευρά, ενώ η δεύτερη αποτελείται από δύο πλήρη κανάλια ροής, ένα για το θερμό και ένα για το ψυχρό ρεύμα. Για την προσομοίωση της ροής χρησιμοποιήθηκε ένα μοντέλο τύρβης δύο εξισώσεων (SST). Οι τιμές του αριθμού Nusselt, Nu, που υπολογίσθηκαν από τα αποτελέσματα της προσομοίωσης βρίσκονται σε πολύ καλή συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα αλλά και με τα ελάχιστα διαθέσιμα δεδομένα της βιβλιογραφίας. Οι διαφορές που εντοπίζονται στον υπολογισμό του συντελεστή τριβής f, μπορούν να αποδοθούν στις μικρές διαφοροποιήσεις του σχήματος των πτυχώσεων. Η σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων με εκείνα των προσομοιώσεων οδήγησαν στο ασφαλές συμπέρασμα ότι ο κώδικας CFD μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένα αξιόπιστο εργαλείο υπολογισμού των θερμο-υδραυλικών χαρακτηριστικών της ροής στα στενά κανάλια του εναλλάκτη. Στη συνέχεια η έρευνα επικεντρώθηκε στην αναζήτηση των τιμών των σχεδιαστικών μεταβλητών του εναλλάκτη που οδηγούν στη βέλτιστη απόδοση της συσκευής. Οι τέσσερις από αυτές προέρχονται από τα βασικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά των πτυχώσεων, ενώ ως πέμπτη σχεδιαστική μεταβλητή επιλέχθηκε ο αριθμός Reynolds. Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο σχεδιασμού πειραμάτων (DOE) των Box-Behnken, βρέθηκε ο στατιστικά απαιτούμενος αριθμός προσομοιώσεων. Τα αποτελέσματα από τις προσομοιώσεις αξιοποιήθηκαν ακολούθως για τη διατύπωση γενικών συσχετισμών υπολογισμού του Nu και του f χρησιμοποιώντας τη μεθοδολογία επιφάνειας απόκρισης (RSM). Οι προτεινόμενες συσχετίσεις χρησιμοποιήθηκαν στην προσπάθεια εντοπισμού των τιμών των γεωμετρικών παραμέτρων που βελτιστοποιούν μια αντικειμενική συνάρτηση στην οποία εκτός των άλλων παραμέτρων υπεισέρχεται ένας συντελεστής βαρύτητας, β, που αναφέρεται στο σχετικό κόστος της άντλησης προς το κόστος της ανακτωμένης θερμικής ενέργειας. Αποδείχθηκε ότι η βέλτιστη απόδοση του εναλλάκτη πλακών επιτυγχάνεται όταν ενισχύεται η δημιουργία δευτερεύουσας ροής στο κανάλι του εναλλάκτη. Όταν η ενέργεια που απαιτείται για την άντληση γίνεται ακριβότερη (δηλαδή, η τιμή του β αυξάνεται) ως βέλτιστη λύση προτείνεται ο σχεδιασμός/κατασκευή διατάξεων με μειωμένη πτώση πίεσης. Τελικά, χρησιμοποιώντας τις νέες συσχετίσεις για τον Nu και το f, προτείνεται αλγόριθμος για τον υπολογισμό της βέλτιστης γεωμετρίας πτυχώσεων ή την επιλογή κατάλληλης προκατασκευασμένης πλάκας εναλλάκτη, ώστε να επιτυγχάνεται η καλύτερη αξιοποίηση της ενέργειας.