Πειραματική και υπολογιστική μελέτη ροής σε εναλλάκτες
Creators: name: Μισηρλής, Δημήτριος Κ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2005
Subjects: Εναλλάκτης επανάκτησης θερμότητας
Εφαρμογές αεροπορικής βιομηχανίας
Βελτισοποίηση βαθμού απόδοσης
Εναλλασόμενη διάταξη ελλειπτικών σωληνώσεων
Απώλειες πίεσης
Πορώδες μοντέλο
Heat recuperator
Aerospace applications
Optimization of the efficiency degree
Staggered arrangement of elliptical tubes
Pressure losses
Porous media model

description: Στις μέρες μας το πρόβλημα του φαινομένου του θερμοκηπίου έχει πλέον λάβει παγκόσμιες διαστάσεις εξαιτίας της ολοένα αυξανόμενης συγκέντρωσης ρύπων και κυρίως διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα. Οι ρύποι αυτοί κατά σημαντικό ποσοστό οφείλονται και σε εκπομπές των κινητήρων αεροσκαφών των εμπορικών αεροπορικών μεταφορών. Τα τελευταία χρόνια υπήρξε μεγάλη πρόοδος στην κατασκευή αεροπορικών κινητήρων αυξημένης απόδοσης και μειωμένης κατανάλωσης. Η μειωμένη αυτή κατανάλωση καυσίμου συνεπάγεται και εκπομπή μειωμένης ποσότητας ρύπων για την κάλυψη των ίδιων αναγκών. Παρόλα αυτά, όμως, αυτοί οι βελτιστοποιημένοι ως προς την κατανάλωση κινητήρες λειτουργούν με αυξημένο λόγο πιέσεων ενώ ταυτόχρονα οι θερμοκρασίες εξόδου των καυσαερίων είναι αυξημένες με άμεσο συνεπακόλουθο την μη επιθυμητή αύξηση των εκπομπών σε οξείδια του αζώτου. Κατά συνέπεια, το κέρδος από τη μείωση των ρύπων εξαιτίας της μείωσης της κατανάλωσης καυσίμου λόγω της βελτίωσης των κινητήρων, αντισταθμίζεται από την αύξηση των ρύπων με τη μορφή οξειδίων του αζώτου. Η χρήση εναλλακτών επανάκτησης θερμότητας μπορεί να βελτιώσει την απόδοση των αεροπορικών κινητήρων που λειτουργούν με χαμηλότερους λόγους πιέσεων κρατώντας έτσι τη λειτουργία του κινητήρα σε συνθήκες τέτοιες όπου οι εκπομπές σε οξείδια του αζώτου παραμένουν περιορισμένες. Ταυτόχρονα η βελτίωση της κατανάλωσης για τις ίδιες συνθήκες οδηγεί στη μείωση της ποσότητας των εκπομπόμενων ρύπων ενώ σημαντικό είναι και το οικονομικό όφελος που προκύπτει αν αναλογιστεί κανείς τη μεγάλη ποσότητα καυσίμων που καταναλώνεται από την αεροπορική βιομηχανία και τα οποία μπορούν να εξοικονομηθούν με τη βελτίωση της απόδοσης των αεροπορικών κινητήρων. Ως άμεσο αποτέλεσμα των παραπάνω οικονομικών και περιβαλλοντολογικών λόγων η έρευνα στο σχεδιασμό και τη χρησιμοποίηση εναλλακτών επανάκτησης θερμότητας έχει εντατικοποιηθεί. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής πραγματοποιήθηκε μελέτη και βελτιστοποίηση της λειτουργίας διάταξης εναλλακτών θερμότητας του τύπου compact heat exchanger που χρησιμοποιούνται ως heat recuperators. Οι εναλλάκτες θερμότητας προορίζονται να τοποθετηθούν μετά το στρόβιλο χαμηλής πίεσης στο ακροφύσιο αεροπορικού κινητήρα με στόχο τη συλλογή και επαναχρησιμοποίηση μέρους της θερμικής ενέργειας των καυσαερίων. Αποτελούνται από ελλειπτικές σωληνώσεις σε εναλλασσόμενη διάταξη που περιρρέονται εξωτερικά από τα καυσαέρια του κινητήρα. Η χρήση των εναλλακτών αυτών επικεντρώνεται στην επανάκτηση και αξιοποίηση μέρους της θερμότητας των καυσαερίων του κινητήρα του αεροσκάφους με τελικό στόχο τη βελτιστοποίηση του βαθμού απόδοσης. Για το λόγο αυτό είναι απαραίτητο να γίνει κατανοητός ο τρόπος λειτουργίας της διάταξης, των αυτόνομων μονάδων του εναλλάκτη αλλά και όλων εκείνων των στοιχείων της εγκατάστασης η παρουσία των οποίων είναι σε θέση να επηρρεάσει τη διαμόρφωση του πεδίου ροής και κατά συνέπεια τη λειτουργία των εναλλακτών θερμότητας. Μια τέτοια προσπάθεια πραγματοποιήθηκε στην παρούσα διατριβή όπου μελετήθηκε ο τρόπος αλληλεπίδρασης των επιμέρους στοιχείων της διάταξης με χρήση τόσο πειραματικών όσο και υπολογιστικών μεθόδων ώστε να σχηματιστεί μια εκτεταμένη βάση δεδομένων οι πληροφορίες της οποίας συνεισέφεραν στον εντοπισμό προβλημάτων κατά τη λειτουργία των μονάδων του εναλλάκτη θερμότητας και αποτέλεσαν το αρχικό σημείο αναφοράς στην προσπάθεια βελτιστοποίησης που πραγματοποιήθηκε στη συνέχεια. Τα δεδομένα αυτά αξιοποιήθηκαν με την εφαρμογή τους σε υπολογιστικές μοντελοποιήσεις έτσι ώστε δημιουργήθηκε ένα ισχυρό και αξιόπιστο εργαλείο στην προσπάθεια περαιτέρω βελτιστοποίησης της λειτουργίας της διάταξης του εναλλάκτη θερμότητας
description: Nowadays, the global warming problem has become a critical issue due to the continuous increase of pollutant emissions and carbon dioxide in the atmosphere. These pollutant emissions can be attributed to a significant degree to the emissions of the aero engines of commercial aircrafts. The last years, there has been noticeable progress in the production of aero engines of increased efficiency and reduced fuel consumption. The reduction of the fuel consumption can lead to reduction of the pollutants emissions. However, the optimized, in relation to the fuel consumption, aero engines operate with increased pressure ratios while at the same time, the exhaust gas outlet temperatures are increased, something leading to the undesirable increase of NOx emissions. Hence, the benefit from the reduction of pollutant emissions due to the reduction of the fuel consumption due to the improvement of the aero engines, is significantly reduced from the increase of the NOx emissions. The use of heat exchangers can improve the efficiency of aero engines operating with lower pressure ratios keeping the aero engine operation at conditions where the NOx emissions remain limited. At the same time, the reduction of the fuel consumption for the same conditions leads to the reduction of the pollutants emissions and to a significant financial benefit if one takes into account the large amount of fuels that are consumed by the aircraft industry. As a result of the above mentioned economic and environmental reasons the research in the design and use of heat exchangers has been intensified. In the present Ph.D. thesis the operation of a system of heat exchangers of the compact heat exchanger type (operating as heat recuperators) has been studied and optimized. The heat exchangers are designed to be placed after the low pressure turbine at the exhaust nozzle of the aero engine aiming at the collection and use of part of the thermal energy of the exhaust gas. The heat exchangers consist of elliptic tubes in a staggered arrangement and at their outer part are flown by the exhaust gas of the aero engine. The use of the heat exchanger is focused in the exploitation of part of the thermal energy of the exhaust gas of the aero engine in order to improve its efficiency. For this reason, it was necessary to investigate in detail the operation of the system of the heat exchangers inside the installation. Such an effort was performed in the present Ph.D. thesis where the operation of the heat exchangers was investigated in detail with the combined use of experimental and computational methods in order to derive useful conclusions and acquire important data. Based on these data, problems in the operation of the heat exchangers were detected and then, modifications were suggested and incorporated in the initial design of the system of heat exchangers in order to significantly optimize their performance.