Υπολογιστική και πειραματική μελέτη για βέλτιστο σχεδιασμό εναλλακτών θερμότητας τύπου πλακών
Creators: name: Κανάρης, Αθανάσιος Γ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2008
Subjects: Διαμορφωμένη επιφάνεια
Υπολογιστική ρευστοδυναμική
Συστοιχία παράλληλης επεξεργασίας
Βελτιστοποίηση
Αλγόριθμος σχεδιασμού
Modulated surfaces
Computational fluid dynamics
Parallel computing cluster
Optimization
Design algorithm

description: 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 σε αυτά. Για τον έλεγχο της αξιοπιστίας του κώδικα CFD, κατασκευάστηκαν και χρησιμοποιήθηκαν ως πειραματικές διατάξεις δύο πρότυποι εναλλάκτες πλακών. Η πρώτη πειραματική διάταξη αποτελείται από ένα ορθογωνικό κανάλι το οποίο φέρει 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 τηε 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 αυτά των προσομοιώσεων οδήγησαν στο 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 γεωμετρικά χαρακτηριστικά των πτυχώσεων, ενώ ως πέμπτη μεταβλητή επιλέχθηκε ο αριθμός Reynolds. Ο στατιστικά απαιτούμενος αριθμός προσομοιώσεων βρέθηκε με τη μέθοδο σχεδιασμού πειραμάτων (DOE) των Box-Behnken. Τα αποτελέσματα από τις προσομοιώσεις αξιοποιήθηκαν ακολούθως για τη διατύπωση συσχετισμών υπολογισμού του Nu και του f χρησιμοποιώντας τη μεθοδολογία επιφάνειας (RSM). Οι προτεινόμενες συσχετίσεις χρησιμοποιήθηκαν στην προσπάθεια εντοπισμού των τιμών των γεωμετρικών παραμέτρων που βελτιστοποιούν μία αντικειμενική συνάρτηση. Αποδείχθηκε ότι η βέλτιστη απόδοση του εναλλάκτη πλακών επιτυγχάνεται όταν ενισχύεται η δημιουργία δευτερεύουσας ροής στο κανάλι του εναλλάκτη. Χρησιμοποιώντας τις νέες συσχετίσεις για τον Nu και το f, προτείνεται αλγόριθμος για τον υπολογισμό της βέλτιστης γεωμετρίας ή την επιλογή κατάλληλης προκατασκευασμένης πλάκας εναλλάκτη, ώστε να επιτυγχάνεται η καλύτερη αξιοποίηση της ενέργειας
description: 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 costructed and used as experimental set-ups. The first experimental st-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. Results data and with limited data in the literature. Small deviation in the friction factor values, f, can be attributed to the small differences in the corrugation shape. The comparison of experimental data with CFD simulations data led to the conclusion that the CFD code can be used as a valid tool for predicting the thermo-hydraulic characteristis of the f;ow 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 BoxBehnken technique is employed as a Design of Experiments (DOE) method to limit 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 function linearly combines heat transfer augmentation with friction losses, using a weighting factor that accounts for the cost of energy. It is shown that the optimal performance of a PHE is achieved when secondary flow due to the corrugations is dominant. Finally, using the new generalized correlations for Nu and f, a design algorith 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