Спиральный теплообменник

[Degen1103 25]

Всем новогодний привет!

 

Не так давно начал осваивать нестационарный теплообмен в SWFS, до того ограничивался простыми стационарными гидравлическими задачами. Не ожидал, что солид на такое способен - вполне правдоподобные результаты выходят на мелких сетках. Но вопросов к знатокам много накопилось.

 

И самый животрепещущий - спиральный теплообменник в стратифицированном баке с водой:

 

.

 

Задано распределение температуры в баке - снизу, допустим, градусов 30, сверху - пусть 60. И расход задаём через трубку - ннну, скажем, порядка 1 г/с. На входе, скажем, градусов 15. Надо посмотреть, как будет меняться т-ра на выходе из теплообменника при свободной конвекции стратифицированной жидкости снаружи трубки. При этом ещё м.б. задан поток теплоты через лицевую поверхность бака, которая не показана на рисунке (этот поток вызывает глобальную циркуляцию). Остальные стенки - адиабатические. Теплосъём приводит к охлаждению жидкости в баке, к появлению течений, картина которых сильно зависит от угла наклона бака к горизонту. А течения эти влияют на альфу (которую не знаем и поэтому прибегаем к прямому моделированию)...

 

Главный вопрос: можно ли исхитриться и посчитать плоскую задачу, пусть приблизительно???? Это самое главное, 3D комп не потянет. 

 

Далее: как сгустить сетку внутри и снаружи трубки, вблизи её криволинейной поверхности? (пока только у плоскостей, параллельных главной СК, сгущать получается).

 

Наконец: настоящая труба - гофрированная. Думаю для начала заменить её в расчёте обычной немножко большего диаметра, чтоб площади сходились. Пусть альфа поменьше будет, но гофротрубу оставим на эксперимент. Так можно, как думаете?

 

Надеюсь на помощь знатоков, заранее спасибо! 

Изменено 4 января 2015 пользователем Degen1103

[Degen1103 25]

Нннну вроде процесс пошёл, только медленно очень, хоть и сетка недопустимо крупная. Однако циферки правдоподобные, равно как картина течения. За пару минут физвремени всё перемешалось к чертям - прощай, стратификация 

 

 

Однако остался нерешённый вопрос: средняя температура по баку задана как глобальная цель, а задать вычисление средней т-ры конкретно внутри змеевика что-то никак не получается. А для альфы неплохо бы знать. Я пока беру распределение Т вдоль образующей спирали и осредняю, но это не совсем правильно, а главное - обидно: ведь должна же быть там Тср! Но объёмная цель почему-то не задаётся. Подскажите, пжл, как правильно задавать целевые параметры в разных жидких полостях.

[Degen1103 25]

Кхм, ещё раз попытаюсь спросить совета знатоков.

Сильно беспокоит вопрос точности вычислений. Для примера приложил файл с описанием методики выбора сетки, которую обкатал на предыдущем этапе (без теплообменника). Вроде бы выглядит логично, но буду признателен за замечания.

 

Вопрос же не по поводу сетки, а про задание досточной точности расчёта и шага итераций. Пока эти величины не трогал, стоят по умолчанию. Плоские задачи - ещё туда-сюда, но 3D со спиралью все нервы вымотала, хоть сетку пришлось взять гораздо грубей, чем была найдена ранее. Скажите, пожалуйста, а нельзя ли загрубить точность или увеличить шаг, чтоб пошустрей шуршало? Зачем мне, допустим, тысячные градуса, если округляю до десятых долей или до целых? Есть ли какие-то осмысленные рекомендации на этот счёт? 

Методика.pdf

Изменено 10 января 2015 пользователем Degen1103

[kristeen 355]

Похоже на солнечный коллектор

 

 

Задано распределение температуры в баке - снизу, допустим, градусов 30, сверху - пусть 60.

Чтотт сомнения имеются, что такое возможно)

 

Главный вопрос: можно ли исхитриться и посчитать плоскую задачу, пусть приблизительно???? Это самое главное, 3D комп не потянет.

 

У Вас бак фактически разделен на 5 вертикальных отсеков. Можно сделать предположение, что и вверху тоже горизонтального перемешивания не происходит, и посчитать только один отсек. Позже, если очень нужны значения температуры на выходе из спирального обменника, посчитать все отсеки по очереди, задавая температуру на выходе из спирального обменника как Т на входе для следующего отсека.

 

 

Подскажите, пжл, как правильно задавать целевые параметры в разных жидких полостях.

Создать компонент, заполняющий пустоту в спиральном обменнике. Исключить его из расчета. Создать Volume Goal = Average Temperature, указать на это созданное тело.

 

 

Скажите, пожалуйста, а нельзя ли загрубить точность или увеличить шаг, чтоб пошустрей шуршало? Зачем мне, допустим, тысячные градуса, если округляю до десятых долей или до целых? Есть ли какие-то осмысленные рекомендации на этот счёт? 

Можно увеличить шаг, если это нестационарный расчет. Но это нужно осторожно делать. В справке и доках по фловоркс что-тт нигде не нахожу рекомендаций по выбору шага для нестационарного анализа. Но вообще есть ограничение на число Куранта, которое зависит от временного шага. При слишком большом шаге солвер не сможет решить дифуры. Вот рекомендации из ансиса:

Понравился отчет. У Вас подход достаточно серьезный. Возможно, позже смените и инструмент на более серьезный 

[AlexKaz 1 820]

а нельзя ли загрубить точность или увеличить шаг, чтоб пошустрей шуршало

А как насчёт урезать модель на меньшую, тогда и не придётся считать всё целиком? Наверное хватило бы и пары витков, векторное поле на скрине само подсказывает такую постановку.

[Degen1103 25]

Спасибо за советы! Да, конечно, это солнечный коллектор. По стратификации сомневаетесь напрасно, обычное дело, в гелиотехнике она важную роль играет.

 

Секционированный бак пока не считаю, беру упрощённую модель без переборок. Конечно, думал взять пару витков - но увы, возникает глобальная циркуляция, с холодного конца спирали стекает вниз, к горячему снизу выдавливается вверх. В связи с этим и переборки по идее влиять на теплопередачу как-то должны. Однако раз всё быстро перемешивается, то после выхода на режим, надеюсь, можно будет взять из 3D альфу и дельтуТ и спокойно применять балансовые модели (хотя при малых расходах должна сохраниться стратификация). Это ещё без радиации, потерь и нагрузки! Ладно, домучаю большой расход, буду дальше думать.

 

Да, видимо, не стоит загрублять точность... Или надо сначала тщательно проверять на простых тестовых задачах, но как тут этот нестационар упростить, всё взаимосвязано...

 

Спасибо за подсказку про фиктивное тело, попробую. Непонятно только, почему расчётный жидкий объём SW не хочет использовать без этих ухищрений. И непонятно, какой материал присваивать телу - воду?

 

И ещё простой вопрос, с которым никак не разберусь: как осреднять параметры по сечениям, т.е. задать Surface Goal в нужных сечениях бака? Я пробовал и плоскости строить (вспом. геометрия), и плоские поверхности - но что-то не выходит  Т.е. выходит, но постфактум, когда результаты загружены. А хотелось бы, напр, в процессе расчёта вычислить по набору сечений распределение температуры по высоте и найти, скажем, текущее значение эксергии (которое зависит от профиля стратификации и отличается от среднего по больнице). Это реально?

Изменено 10 января 2015 пользователем Degen1103

[kristeen 355]

Да, конечно, это солнечный коллектор.

Передняя стенка не прозрачная?

И непонятно, какой материал присваивать телу - воду?

Не нужно никакой присваивать. В Component control только отключите это тело. Он будет использоваться только как справочная геометрия в пре и пост процессоре.

И ещё простой вопрос, с которым никак не разберусь: как осреднять параметры по сечениям, т.е. задать Surface Goal в нужных сечениях бака?

Аналогично можно насоздавать фиктивных тел и на их гранях назначить Surface Goals.

[Degen1103 25]

Стенка на рисунке просто погашена. А так да, там остекление и поглощающая пенель, которая и греет воду.

Спасибо, буду разбираться с телами.

 

(Да, кстати, если кому-то интересно - вот видео первых минут прогрева с выходом на регулярный режим (только яндекс почему-то показывает нерезко, хоть файл нормальный). Упражнялся, когда начал разбираться в этом деле  )

Изменено 10 января 2015 пользователем Degen1103

[Degen1103 25]

 

Создать компонент, заполняющий пустоту в спиральном обменнике. Исключить его из расчета. Создать Volume Goal = Average Temperature, указать на это созданное тело.

 

 

 

Странно. Заполнил внутренность второго объёма, отключил фиктивное тело в контроле компонентов, задал объёмную цель.

Солид зачем-то взялся повторно сетку рассчитывать, но это ладно. Главное - ср. температура внутри трубки, вычисленная как объёмная цель, почти на 10 гр выше заданной начальной для этого жидкого объёма. На превьюшках т-ра правильная, на образующей спирали (по первым результатам расчёта) - правильная, а средняя объёмная - выше, чем надо. Такое ощущение, что солид считает среднюю по обеим жидкостям внутри этого объёма. Может ли такое быть? Что делаю неправильно?

Изменено 11 января 2015 пользователем Degen1103

[kristeen 355]

Такое ощущение, что солид считает среднюю по обеим жидкостям внутри этого объёма

Проясните эту фразу. Как в спирали оказалось две жидкости?

[Degen1103 25]

Да никак не оказались, но почему температура выше? М.б., солид так осредняет странно?

У меня нач. т-ра внутри бака задана таблицей, взял кривую из прежних расчётов. Внутри трубки - 283,2 К начальная, по ходу дела прогревается и выдавливается, всё правильно выходит. Только эта объёмная цель почему-то какую-то промежуточную т-ру показывает - вот я и подумал, что осреднение неправильное.

[MotorManiac 130]

Зачем бак греть ? напрямую теплоноситель может сразу нагревать ?  

[kristeen 355]

Зачем бак греть ? напрямую теплоноситель может сразу нагревать ?

Так теплоноситель = вода, которая обычно прозрачная. Radiation-transparent.

Поэтому греется либо передняя панель, либо дно бака. А по факту -- и то, и то)

 

Но есть сермяжная правда в Ваших вопросах, т.к. у ТС фактически два контура в коллекторе. Можно в первом теплоноситель подкрасить чем-то, чтобы было объемное поглощение излучения.

 

@@Degen1103, вот, пример склепал в SW2014sp5.

[Degen1103 25]

Красить воду не надо (хотя так тоже делают), селективная поглощающая панель лучше и днём, и, что немаловажно, ночью. 

Схем и возможных конструкций СВУ очень много, это отдельная тема, данный вариант - далеко не первая итерация.

Бак и коллектор в данном случае - одно устройство. В принципе, с оговорками, достаточно только бака, где теплоноситель греется напрямую. Спираль добавил, чтоб посмотреть, как будет работать. 

 

Благодаря солиду картина проясняется, но опыта мало - вот вопросы и задаю. Пример сейчас скачаю, спасибо!

Изменено 11 января 2015 пользователем Degen1103

[Degen1103 25]

Посмотрел пример, спасибо. Сеточка у меня в приципе похожая, фиктивное тело задано так же... Не понимаю, где грабли.

И скажите пжл, в чём разница между Av T-re и Bulk Av T-re, тем более, что полученные значения совпадают?

[MotorManiac 130]

transparent.

 

Угу, с точностью все наоборот.

[Degen1103 25]

Что наоборот? Вода непрозрачная?

[kristeen 355]

Bulk Averaged = усреднение по массовому расходу. Для объемных целей отличий от Average не будет, для поверхностных -- будет.

 

@@MotorManiac, дарю 

[MotorManiac 130]

Что наоборот? Вода непрозрачная?

 

Степень черноты 0.9 по справочнику, или вы не считаете лучистую составляющую ?  

[Degen1103 25]

Степень черноты - это излучательная способность, а для фототермического преобразования нужна поглощательная. 

Отношение коэф-та поглощения к степени черноты показывает оптическую селективность поверхности; хорошие селективные покрытия для СВУ имею коэф-т поглощения порядка 0,95, а степень черноты - не выше 0,1, чтоб захватить солнечный спектр и не выпускать наружу ИК. У обычной сажи это отношение - порядка 1, и работает она заметно хуже.

 

Конечно, мы этим тоже занимаемся, но не в данном случае. Тут я пока тупо загоняю джоули  в бак через панель и снимаю через трубу, до предела упрощённая модель...

Bulk Averaged = усреднение по массовому расходу. Для объемных целей отличий от Average не будет, для поверхностных -- будет.

 

Кхм... даже как-то и не задумывался, честно говоря... хотя вон тоже спрашивают 

 

 

Как оно по-нашему-то будет? Среднерасходная т-ра? 

Изменено 11 января 2015 пользователем Degen1103