Влияние эксцентриситета на теплопередачу в скважинном противоточном теплообменном аппарате типа "труба в трубе"
Теплообменные аппараты типа "труба в трубе" широко используются в вертикальных скважинных теплообменниках и другом техническом оборудовании. На практике из-за конструктивных особенностей каналов либо неточности сборки появляется эксцентриситет. При этом в поперечном сечении интегральная ве...
Saved in:
| Published in: | Проблемы машиностроения |
|---|---|
| Date: | 2016 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
2016
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99255 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Влияние эксцентриситета на теплопередачу в скважинном противоточном теплообменном аппарате типа "труба в трубе" / А.В. Бучко, А.О. Костиков // Проблемы машиностроения. — 2016. — Т. 19, № 1. — С. 9-12. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860046284536152064 |
|---|---|
| author | Бучко, А.В. Костиков, А.О. |
| author_facet | Бучко, А.В. Костиков, А.О. |
| citation_txt | Влияние эксцентриситета на теплопередачу в скважинном противоточном теплообменном аппарате типа "труба в трубе" / А.В. Бучко, А.О. Костиков // Проблемы машиностроения. — 2016. — Т. 19, № 1. — С. 9-12. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы машиностроения |
| description | Теплообменные аппараты типа "труба в трубе" широко используются в вертикальных скважинных теплообменниках и другом техническом оборудовании. На практике из-за конструктивных особенностей каналов либо неточности сборки появляется эксцентриситет. При этом в поперечном сечении интегральная величина теплового потока через внутреннюю трубу становится отличной от аналогичной величины в случае соосных труб. В данной работе исследуется влияние эксцентриситета на величину теплового потока через внутреннюю трубу противоточного теплообменного аппарата типа «труба в трубе». Данная задача рассмотрена на примере вертикального скважинного теплообменного аппарата. Математическая модель теплофизических процессов, построена на базе системы уравнений, которая включает в себя уравнения: теплопроводности, неразрывности, энергии, движения вязкой жидкости Навье–Стокса, осредненное по Рейнольдсу. Для замыкания системы уравнений использовалась стандартная k–ε-модель турбулентности. Расчеты были проведены для различных вариантов смещения внутренней трубы и расхода теплоносителя. В результате серий вычислительных экспериментов получена функциональная зависимость теплового потока от величины смещения. В случае игнорирования эксцентриситета при проведении теплового расчета погрешность может составить до 12%. Полученные результаты могут быть использованы для проведения тепловых расчетов в кольцевых каналах с эксцентриситетом скважинных теплообменников и в других технических устройствах.
Подано результати досліджень впливу ексцентриситету на тепловий потік через внутрішню трубу теплообмінного апарата типу «труба в трубі», який використовується в вертикальних свердловинних теплообмінниках. Наведено функціональну залежність теплового потоку від коефіцієнта зміщення. Показано, що збільшення ексцентриситету приводить до зниження теплопередачі через стінку протиструминного теплообмінника.
Heat exchangers of tube-in-tube type are widely used in the vertical borehole heat exchangers and other tech-nical equipments. In practice, because of the design features of the channels or assembly inaccuracies appear eccentricity. In the cross-section integral value of the heat flux through the inner tube becomes different from the similar value in the case of concentric tubes. In this paper, investigated the influence of eccentricity on the mag-nitude of the heat flux through the inner tube of counterflow heat exchanger of "tube in tube" type. This problem is considered as an example of vertical borehole heat exchanger. Mathematical model of thermal processes, is based on a system of equations which includes the equations of thermal conduction, the continuity equation, the energy equation, Reynolds-averaged Navier–Stokes equation. The standard k-ε turbulence model was used to close the system of equations. The calculations were performed for different variants of displacement of the inner tube and the coolant rate. As a result, a series of computing experiments obtained functional dependence of the heat flux from the value of displacement. In case of ignoring the eccentricity during the thermal calculation the inaccuracy can be up to 12%. The received results can be used for thermal calculations in annular channels with eccentric of borehole heat exchangers and other technical devices.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:58:24Z |
| format | Article |
| fulltext |
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2016, Т. 19, № 1 9
1
А. В. Бучко
1,2
А. О. Костиков, д-р техн. наук
1
Институт проблем машиностро-
ения им. А. Н. Подгорного НАН
Украины, г. Харьков, e-mail: kos-
tikov@ipmach.kharkov.ua
2
Харьковский национальный
университет имени В. Н. Каразина
УДК 536.24
ВЛИЯНИЕ ЭКСЦЕНТРИСИТЕТА НА
ТЕПЛОПЕРЕДАЧУ В СКВАЖИННОМ
ПРОТИВОТОЧНОМ ТЕПЛООБМЕННОМ
АППАРАТЕ ТИПА «ТРУБА В ТРУБЕ»
Подано результати досліджень впливу ексцентриситету на теп-
ловий потік через внутрішню трубу теплообмінного апарата типу
«труба в трубі», який використовується в вертикальних свердло-
винних теплообмінниках. Наведено функціональну залежність те-
плового потоку від коефіцієнта зміщення. Показано, що збільшення
ексцентриситету приводить до зниження теплопередачі через
стінку протиструминного теплообмінника.
Ключові слова: свердловинний теплоо-
бмінник, протиструминний теплообмін-
ник, ексцентриситет, геотермальна
енергетика.
Введение
В настоящее время широко используются теплообменные аппараты типа «труба в трубе».
Существует много справочной литераторы и научных статей, посвященных вопросам теплопередачи
в них, например [1, 2], но лишь при условии соосности труб. На практике из-за конструктивных осо-
бенностей каналов, неточности сборки либо объективных причин (например, в вертикальных грунто-
вых теплообменниках [3–5], где внутренняя труба просто опускается во внешнюю без центрирующих
распорок) появляется эксцентриситет. В результате возникает неравномерность в тепловом потоке по
сечению. При этом в поперечном сечении интегральная величина теплового потока через внутрен-
нюю трубу становится отличной от аналогичной величины в случае соосных труб.
Целью настоящей статьи является определение влияния эксцентриситета на величину тепло-
вого потока через внутреннюю трубу противоточного теплообменного аппарата типа «труба в трубе».
Рассмотрим данную задачу на примере вертикального скважинного теплообменного аппара-
та. На сегодняшний день такие теплообменники обустраиваются в скважинах неглубокого залегания.
Перспективным является применение скважинного теплообменного аппарата на основе отработан-
ных нефтяных и газовых скважин для отбора тепла от глубин-
ных горных пород.
Постановка задачи
Математическая модель теплофизических процессов,
которые протекают в скважинном теплообменном аппарате,
построена на базе системы уравнений, описывающих задачу
сопряженного теплообмена, и включает в себя уравнения:
неразрывности;
движения вязкой жидкости Навье–Стокса, осредненное по
Рейнольдсу;
энергии;
k–ε-модели турбулентности;
теплопроводности в твердом теле – стенке трубы.
Для проведения настоящего исследования были выбра-
ны следующие граничные условия (рис. 1): на поверхности Г1
осуществляется подвод тепла к внешней трубе теплообменного
аппарата, на Г2 и Г4 задаётся давление на выходе, на Г3 и Г5 –
массовый расход теплоносителя и его температура.
Результаты вычислительного эксперимента
Расчеты проведены для скважинного теплообменного
аппарата, установленного в типовой газовой скважине. Внеш-
А. В. Бучко, А. О. Костиков, 2016
Рис. 1. Схема противоточного
теплообменного аппарата:
стрелками показано
направление течения теплоносителя
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2016, Т. 19, № 1 10
няя труба теплообменника (эксплуатационная колонна) имеет размеры 90×5 мм, а внутренняя
50×4 мм. Расчеты были проведены для участка длиной 100 м. В качестве теплоносителя рассматри-
валась техническая вода. Исходя из результатов предыдущих исследований [6] были выбраны следу-
ющие граничные данные. В кольцевой канал теплоноситель поступает с температурой 5 С, во внут-
реннюю трубу – 95 С противотоком вверх. Подвод тепла к внешней трубе теплообменника на рас-
сматриваемом участке составляет 4,5 кВт.
Расчеты проводились для четырех вариантов расхода: 0,5, 1, 3, 5 кг/с.
В результате вычислительного эксперимента получена зависимость теплового потока Q через
внутреннюю трубу вертикального скважинного теплообменника от коэффициента смещения , кото-
рый равен отношению /1, где 1 и – наименьшее расстояние между наружной стенкой внутрен-
ней трубы и внутренней стенкой наружной, для варианта соосных труб и труб с эксцентриситетом
соответственно. Результаты представлены на рис. 2.
Также была проведена серия расчетов без подвода тепла к внешней трубе теплообменного
аппарата, чтобы определить, влияет ли он на общую картину протекания процесса. Результаты пред-
ставлены на рис. 3.
Каждое значение теплового потока Q было отнесено к тепловому потоку для соосных труб
Q1. Результаты приведены в таблице, из которой видно, что значения отнесенного теплового потока
практически не отличаются для вариантов с подводом тепла к внешней трубе и без него. При расхо-
дах 0,5 и 1 кг/с и небольших коэффициентах смещения (0,9 и 0,95) наблюдается незначительное уве-
личение теплового потока.
В связи с тем что при небольших расходах и коэффициентах смещения наблюдается рост теп-
лового потока, проведена дополнительная серия расчетов, результаты которых представлены на
рис. 4.
Из полученных результатов видно, что величина безразмерного теплового потока для одного
варианта смещения практически не зависит от расхода. Поэтому была проведена единая аппроксима-
а) б)
| в) г)
Рис. 2. Графики зависимости теплового потока от коэффициента
смещения с подводом тепла к внешней трубе теплообменника:
а) – 0,5 кг/с; б) – 1 кг/с; в) – 3 кг/с; г) – 5 кг/с
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2016, Т. 19, № 1 11
ция всех расчетных данных и получена функциональная зависимость безразмерного теплового пото-
ка Q/Q1 от величины смещения
Q/Q1 = 0,84883 + 0,19966 + 0,09794
2
– 0,14566
3
.
На рис. 5 приведены результаты вычислительного эксперимента (жирные точки) и аппрокси-
мирующая кривая. Максимальная погрешность аппроксимации при этом составляет 1,5% при коэф-
фициенте смещения ε = 0,2.
Безразмерный тепловой поток
Q/Q1
G = 0,5 кг/с G = 1 кг/с G = 3 кг/с G = 5 кг/с
без под-
вода
тепла
с подво-
дом
тепла
без под-
вода
тепла
с подво-
дом
тепла
без под-
вода
тепла
с подво-
дом
тепла
без под-
вода
тепла
с подво-
дом
тепла
0,2 0,906 0,904 0,896 0,895 0,877 0,877 0,888 0,887
0,4 0,938 0,935 0,932 0,931 0,931 0,931 0,939 0,939
0,6 0,976 0,976 0,977 0,977 0,969 0,969 0,975 0,975
0,7 0,993 0,986 0,989 0,985 0,981 0,980 0,986 0,985
0,8 1,003 1,000 0,999 0,997 0,993 0,993 0,995 0,995
0,9 1,004 1,003 1,004 1,004 0,999 0,997 0,999 0,999
0,95 1,005 1,005 1,005 1,005 – – – –
1 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000
Выводы
Проведенные исследования показали, что увеличение эксцентриситета ведет к уменьшению
теплового потока через внутреннюю трубу скважинного противоточного теплообменного аппарата
типа «труба в трубе» вертикального типа. В случае игнорирования смещения при проведении тепло-
а) б)
в) г)
Рис. 3. Графики зависимости теплового потока от коэффициента смещения без подвода тепла к
внешней трубе теплообменника:
а) – 0,5 кг/с; б) – 1 кг/с; в) – 3 кг/с; г) – 5 кг/с
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2016, Т. 19, № 1 12
вого расчета погрешность может составить до
12%. Полученные результаты могут быть ис-
пользованы для проведения тепловых расчетов
в кольцевых каналах с эксцентриситетом сква-
женных теплообменников и других технических
устройств.
Литература
1. Теплообмен в энергетических установках косми-
ческих аппаратов / Б. М. Галицейский, Ю. И. Да-
нилов, Г. А. Дрейцер, В.Н. Кошкин. – М: Маши-
ностроение, 1975. – 272 с.
2. Старовойтенко, Е. И. Теплообмен и сопротивле-
ние в каналах при ламинарном течении жидкости
/ Е. И. Старовойтенко, Б. П. Минаев // Тепло- и
массоперенос. – 1972. – Т. 1, ч. 1. – С. 245–249.
3. Системы извлечения тепла земной коры и мето-
ды их расчета / А. Н. Щербань, А. С. Цируль-
ников, Э. М. Мерзляков, И. А. Рыженко. – Киев:
Наук. Думка, 1986. – 240 с.
4. A study of geothermal heat pump and standing col-
umn well performance / S. J Rees, J. Spitler, Z. Deng
et al. // ASHRAE Transactions. – 2004. – № 110 (1).
– P. 3 13
5. Kujawa, T. Shallow and Deep Vertical Geothermal
Heat Exchangers as Low Temperature Sources for
Heat Pumps / T. Kujawa, W. Nowak // Proc. World
Geothermal Congress 2000. – Kyushu–Tohoku, Ja-
pan, May 28 – June 10, 2000. – Japan, 2000. –
P. 3477–3479.
6. Ценципер, А. І. Одержання теплової енергії з
ліквідованих нафтогазових свердловин /
А. І. Ценципер, А. О. Костіков, В. М. Голощапов
// Нафт. і газова пром-ть. – 2009. – № 3. – С. 41–43.
Поступила в редакцию 11.12.15
Рис. 4. График зависимости безразмерного
теплового потока от расхода теплоносителя:
–––– = 0,95; ––■–– = 0,9.
Рис. 5. Зависимость безразмерного теплового
потока от коэффициента смещения
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99255 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0131-2928 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:58:24Z |
| publishDate | 2016 |
| publisher | Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Бучко, А.В. Костиков, А.О. 2016-04-25T16:58:23Z 2016-04-25T16:58:23Z 2016 Влияние эксцентриситета на теплопередачу в скважинном противоточном теплообменном аппарате типа "труба в трубе" / А.В. Бучко, А.О. Костиков // Проблемы машиностроения. — 2016. — Т. 19, № 1. — С. 9-12. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99255 536.24 Теплообменные аппараты типа "труба в трубе" широко используются в вертикальных скважинных теплообменниках и другом техническом оборудовании. На практике из-за конструктивных особенностей каналов либо неточности сборки появляется эксцентриситет. При этом в поперечном сечении интегральная величина теплового потока через внутреннюю трубу становится отличной от аналогичной величины в случае соосных труб. В данной работе исследуется влияние эксцентриситета на величину теплового потока через внутреннюю трубу противоточного теплообменного аппарата типа «труба в трубе». Данная задача рассмотрена на примере вертикального скважинного теплообменного аппарата. Математическая модель теплофизических процессов, построена на базе системы уравнений, которая включает в себя уравнения: теплопроводности, неразрывности, энергии, движения вязкой жидкости Навье–Стокса, осредненное по Рейнольдсу. Для замыкания системы уравнений использовалась стандартная k–ε-модель турбулентности. Расчеты были проведены для различных вариантов смещения внутренней трубы и расхода теплоносителя. В результате серий вычислительных экспериментов получена функциональная зависимость теплового потока от величины смещения. В случае игнорирования эксцентриситета при проведении теплового расчета погрешность может составить до 12%. Полученные результаты могут быть использованы для проведения тепловых расчетов в кольцевых каналах с эксцентриситетом скважинных теплообменников и в других технических устройствах. Подано результати досліджень впливу ексцентриситету на тепловий потік через внутрішню трубу теплообмінного апарата типу «труба в трубі», який використовується в вертикальних свердловинних теплообмінниках. Наведено функціональну залежність теплового потоку від коефіцієнта зміщення. Показано, що збільшення ексцентриситету приводить до зниження теплопередачі через стінку протиструминного теплообмінника. Heat exchangers of tube-in-tube type are widely used in the vertical borehole heat exchangers and other tech-nical equipments. In practice, because of the design features of the channels or assembly inaccuracies appear eccentricity. In the cross-section integral value of the heat flux through the inner tube becomes different from the similar value in the case of concentric tubes. In this paper, investigated the influence of eccentricity on the mag-nitude of the heat flux through the inner tube of counterflow heat exchanger of "tube in tube" type. This problem is considered as an example of vertical borehole heat exchanger. Mathematical model of thermal processes, is based on a system of equations which includes the equations of thermal conduction, the continuity equation, the energy equation, Reynolds-averaged Navier–Stokes equation. The standard k-ε turbulence model was used to close the system of equations. The calculations were performed for different variants of displacement of the inner tube and the coolant rate. As a result, a series of computing experiments obtained functional dependence of the heat flux from the value of displacement. In case of ignoring the eccentricity during the thermal calculation the inaccuracy can be up to 12%. The received results can be used for thermal calculations in annular channels with eccentric of borehole heat exchangers and other technical devices. ru Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України Проблемы машиностроения Теплопередача в машиностроительных конструкциях Влияние эксцентриситета на теплопередачу в скважинном противоточном теплообменном аппарате типа "труба в трубе" Influence of eccentricity on heat transfer in borehole counterflow heat exchanger of tube-in-tube type Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние эксцентриситета на теплопередачу в скважинном противоточном теплообменном аппарате типа "труба в трубе" Бучко, А.В. Костиков, А.О. Теплопередача в машиностроительных конструкциях |
| title | Влияние эксцентриситета на теплопередачу в скважинном противоточном теплообменном аппарате типа "труба в трубе" |
| title_alt | Influence of eccentricity on heat transfer in borehole counterflow heat exchanger of tube-in-tube type |
| title_full | Влияние эксцентриситета на теплопередачу в скважинном противоточном теплообменном аппарате типа "труба в трубе" |
| title_fullStr | Влияние эксцентриситета на теплопередачу в скважинном противоточном теплообменном аппарате типа "труба в трубе" |
| title_full_unstemmed | Влияние эксцентриситета на теплопередачу в скважинном противоточном теплообменном аппарате типа "труба в трубе" |
| title_short | Влияние эксцентриситета на теплопередачу в скважинном противоточном теплообменном аппарате типа "труба в трубе" |
| title_sort | влияние эксцентриситета на теплопередачу в скважинном противоточном теплообменном аппарате типа "труба в трубе" |
| topic | Теплопередача в машиностроительных конструкциях |
| topic_facet | Теплопередача в машиностроительных конструкциях |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99255 |
| work_keys_str_mv | AT bučkoav vliânieékscentrisitetanateploperedačuvskvažinnomprotivotočnomteploobmennomapparatetipatrubavtrube AT kostikovao vliânieékscentrisitetanateploperedačuvskvažinnomprotivotočnomteploobmennomapparatetipatrubavtrube AT bučkoav influenceofeccentricityonheattransferinboreholecounterflowheatexchangeroftubeintubetype AT kostikovao influenceofeccentricityonheattransferinboreholecounterflowheatexchangeroftubeintubetype |