Stanovení rychlostního pole v experimentálním výměníku tepla

Abstract

Zanášení výměníků tepla představuje významnou průmyslovou výzvu, neboť negativně ovlivňuje jejich účinnost, zvyšuje náklady na údržbu a může vést k nežádoucím dopadům na životní prostředí. Z tohoto důvodu je v provozech se zvýšeným rizikem zanášení nezbytné navrhnout vhodné typy výměníků tepla. Tato bakalářská práce se proto zabývá numerickou analýzou proudění v testovacím zařízení, které slouží k popisu podmínek reálného provozu pro následnou aplikaci při návrhu výměníku tepla pro daný provoz. Prostřednictvím CFD metod byly provedeny analýzy rychlostního pole v zařízení při dvou různých provozních podmínkách a jejich výsledky byly porovnány s daty z laboratorního a provozního měření. CFD analýzy v ANSYS Fluent byly vytvořeny jako dvourozměrné ustálené simulace pro podmínky obou testů a jako tranzientní pro laboratorní test. Analýza výsledků simulací umožnila porovnání s výsledky měření, zejména se zaměřením na tvorbu nánosů v závislosti na charakteru rychlostního pole, které jejich vznik výrazně ovlivňuje. Výsledky potvrdily, že oblasti s nízkou rychlostí proudění v simulacích odpovídají místům s pozorovaným vyšším výskytem nánosů. Zároveň byla potvrzena vhodnost použití 2D CFD modelu pro predikci proudění a zanášení v řešeném výměníku.

Fouling of heat exchangers represents a significant industrial challenge, as it negatively affects their efficiency, increases maintenance costs, and can lead to undesirable environmental impacts. For this reason, it is essential to design suitable types of heat exchangers for operations with an increased risk of fouling. This bachelor’s thesis focuses on the numerical analysis of flow in test equipment that is utilized to describe the real operational conditions for subsequent integration into the design of a heat exchanger for a specific industrial application. Using CFD methods, analyses of the velocity field were carried out under two different operating conditions, and the results were compared with data from laboratory and operational measurements. The CFD analyses in ANSYS Fluent were performed as two-dimensional steady-state simulations for both tested conditions and as a transient simulation for the conditions of the laboratory test. The analysis of the simulation results enabled a comparison with experimental data, with particular emphasis on the formation of deposits depending on the characteristics of the velocity field, which significantly influences their development. The results confirmed that low velocity regions in the simulations correspond to areas with observed higher deposit accumulation. Additionally, the suitability of employing a 2D CFD model to predict flow behavior and fouling-prone zones in the heat exchanger under consideration was confirmed.