شبیه‌سازی عددی انتقال حرارت آشفته در بویلر با سیال فوق‌بحرانی و شرایط گرمایی نامتقارن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

• سعید مقدم

گروه فناوری صنایع غذایی، دانشکده فناوری کشاورزی (ابوریحان)، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، تهران، ایران.

10.22067/jacsm.2024.81867.1179

چکیده

انتقال حرارت در بویلر با سیال فوق‌بحرانی، به صورت نامتقارن می‌باشد. همچنین در این نوع بویلرها، لوله‌ها هم به صورت افقی و هم به صورت شیب‌دار نصب می‌گردند. اما معمولا در کارهای بررسی شده، انتقال حرارت به صورت متقارن و یا لوله‌ها به صورت افقی یا عمودی در نظر گرفته می‌شوند. بنابراین در مقاله حاضر، انتقال حرارت در یک لوله بویلر با سیال فوق‌بحرانی که در آن هم قسمت افقی و هم قسمت شیب‌دار وجود دارد مورد مطالعه و تحلیل قرار می‌گیرد. شار حرارتی لوله به صورت نامتقارن در نظر گرفته شده است. شبیه‌سازی عددی با استفاده از نرم افزار فلوئنت انجام گردیده است. همچنین از پایگاه داده REFPROP برای اعمال خصوصیات سیال فوق‌بحرانی آب استفاده گردیده است. به منظور مدل‌سازی آشفتگی، از مدل RNG k-ε مبتنی بر ناویراستوکس میانگیری‌شده رینولدز استفاده شده است. نتایج نشان می‌دهند که بیشترین و کمترین دمای دیواره داخلی لوله به ترتیب در ارتفاع‌های m 10 و m 5/15 در محدوده دمای شبه‌بحرانی ( oC380) قرار می‌گیرند. بیشترین دمای دیواره لوله از ابتدا تا انتهای لوله بین oC 603 تا oC 666 تغییر می‌یابد. همچنین عدد ناسلت با افزایش ارتفاع لوله افزایش یافته و مقدار آن در نزدیکی دمای شبه‌بحرانی، افزایش چشمگیری می‌یابد. در این محدوده مقدار عدد ناسلت به 6800 می‌رسد که 6/3 برابر مقدار آن در ورودی لوله است.

کلیدواژه‌ها

• بویلر فوق‌بحرانی
• نقطه شبه‌بحرانی
• حل عددی
• شار حرارتی نامتقارن
• خواص ترموفیزیکی

موضوعات

• انتقال حرارت

---

عنوان مقاله [English]

Numerical simulation of turbulent heat transfer in boiler with supercritical fluid and asymmetric thermal conditions

نویسنده [English]

• saied moghaddam

Department of Food Technology, College of Aburaihan, University of Tehran, Tehran, Iran

چکیده [English]

Heat transfer in boiler with supercritical fluid is asymmetrical. Also, in this type of boilers, pipes are installed both horizontally and inclined. But usually in the previous works, heat transfer is considered symmetrically or the pipes are horizontal or vertical. Therefore, in the present paper, heat transfer in a boiler tube with supercritical fluid in which there are both horizontal and inclined parts is studied and analyzed. The heat flux of the pipe is considered asymmetric. Numerical simulation has been done using Fluent software. Also, the REFPROP database has been used to apply the supercritical fluid properties of water. In order to model the turbulence, the RNG k-ε model based on Reynolds-averaged Navier–Stokes has been used. The results show that the highest and lowest internal tube temperature reach near the pseudocritical temperature range (380 Celsius) at a height of 10 m and 15.5 m, respectively. The highest temperature of the tube wall changes from the beginning to the end of the tube between 603 oC and 666 oC.Also, the Nusselt number increases with the increase of the tube height and its value increases significantly near the pseudocritical temperature. In this range, the value of the Nusselt number reaches 6800, which is 3.6 times its value at the entrance of the tube.

کلیدواژه‌ها [English]

• Supercritical boiler
• Pseudocritical point
• numerical solution
• Asymmetric thermal flux
• Thermophysical properties

مراجع

[1] K. Yamagata, K. Nishikawa, S. Hasegawa, T. Fujii, S. Yoshida, “Forced convective heat transfer to supercritical water flowing in tubes Transfert thermique par convection forcee dans les tubes pour un ecoulement d'eau supercritiqueZwangskonvektive wärmeübertragung an überkritisches, durch rohre fliessendes wasser,” International Journal of Heat and Mass Transfer. vol. 15, no. 12, pp. 2575-2593, (1972).

[2] Y. Zhang, C. Zhang, J. Jiang, “Numerical simulation of heat transfer of supercritical fluids in circular tubes using different turbulence models,” Journal of Nuclear Science and Technology, vol. 48, no. 3, pp. 366-373, (2011).

[3] X. Kong, D. Sun, L. Gou, S. Wang, N. Yang, H. Li, “Numerical investigation on heat transfer of supercritical water with a variable turbulent Prandtl number model,” Journal of Nuclear. Engineering and. Radiation Science. vol. 6, no. 3, p. 031104, (2020).

[4] J. Liu, P. Zhao, M. Lei, S. Yang, H. Nemati, “Numerical investigation of spatial-developing turbulent heat transfer in forced convections at different supercritical pressures,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 159, p. 120128, (2020).

[5] G. A. Schatte, A. Kohlhepp, C. Wieland and H. Spliethoff, “Development of a new empirical correlation for the prediction of the onset of the deterioration of heat transfer to supercritical water in vertical tubes,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 102, pp. 133-141, (2016).

[6] K. Węglarz, D. Taler, J. Taler, M. Marcinkowski, “Numerical Modelling of Steam Superheaters in Supercritical Boilers,” Energies. vol. 16, no. 6, p. 2615, (2023).

[7] X. Hao, P. Xu, H. Suo, L. Guo, “Numerical investigation of flow and heat transfer of supercritical water in the water-cooled wall tube,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 148, p. 119084, (2020).

 [8] T. Zhang, D. Che, “Numerical investigation on heat transfer of supercritical water in a roughened tube,” Numerical Heat Transfer, Part A: Applications, vol. 69, no. 6, pp. 558-573, (2015).

[9] X. Du, Z. Lv, S. Zhao, Q. Qiu, X. Zhu, “Numerical analysis of diameter effects on convective supercritical water flow in a vertical round tube,” Applied Thermal Engineering, vol. 160, p. 114095, (2019).

[10] Z. Luo, X. Fang, Y. Yang, W. Chen, L. Zhang, “Prediction of “critical heat flux” for supercritical water and CO₂ flowing upward in vertical heated tubes,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 159, p. 120115, (2020).

[11] X. Zhou, T. Niu, Y. Xin, Y. Li, D. Yang, “Experimental and numerical investigation on heat transfer in the vertical upward flow water wall of a 660MW ultra-supercritical CFB boiler,” Applied Thermal Engineering, vol. 188, p. 116664, (2021).

[12] S. Wang, Y. Xin, D. Yang, L. Dong, X. Zhou, “Experimental and numerical study on the heat transfer to supercritical water in an inclined smooth tube,” International Journal of Thermal Sciences, vol. 170, p. 107111, (2021).

[13] Z. Wang, G. Qi, M. Li, “Numerical Investigation of Heat Transfer to Supercritical Water in Vertical Tube under Semicircular Heating Condition,” Energies. vol. 12, no. 20, p. 3958, (2019).

[14] Z. Li, Y. Wu, J. Lu, D. Zhang, H. Zhang, “Heat transfer to supercritical water in circular tubes with circumferentially non-uniform heating,” Applied Thermal. Engineering, vol. 70, pp. 190–200, (2014).

[15] G. Zhang, Y. Li, Y. Dai and R. Wang, “Heat transfer to supercritical water in a vertical tube with concentrated incident solar heat flux on one side,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 95, no. 12, pp. 944–952, (2016).

[16] M. Qu, D. Yang, Z. Liang, L. Wan, D. Liu, “Experimental and numerical investigations on heat transfer of ultra-supercritical water in vertical upward tube under uniform and non-uniform heating,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 127, pp. 769–783, (2018).

[17] B. E. Launder, Lectures in mathematical models of turbulence, London, New York, Academic Press, (1972), [E-book].

[18] F. Incropera, D. Dewitt, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 8^th Edition, John Wiley & Sons, New York, NY, (2002), [E-book]

[19] M. Anbarsooz, M. Pasandideh-Fard, N. Shaleh, “Numerical Simulation of Toos Power Plant Boiler to Improve its Thermal Efficiency,”, Journal of Applied and Computational Sciences in Mechanics, vol. 27, no. 1, pp. 117-134, (2016).

[20] “FLUENT Manual”, ANSYS Inc., Canonsburg, Pa, USA, (2008).

 [21] M. Niknam-Azodi, M. Moghiman, “Numerical Study of the Effects of Structural and Functional Parameters on Unmixed Combustion of Natural Gas in Three Radiant Tubes with Different Geometries,” Journal of Applied and Computational Sciences in Mechanics, vol. 33, no. 2, pp. 83-92, (2021).