Název: Výpočtové modelování distribuce toku pracovních látek v procesních zařízeních
Překlad názvu: Computational modeling of flow distribution in process equipment
Autoři: Babička Fialová, Dominika ; Reppich, Marcus (oponent) ; Buzík, Jiří (oponent) ; Jegla, Zdeněk (vedoucí práce)
Typ dokumentu: Disertační práce
Rok: 2022
Jazyk: cze
Nakladatel: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstrakt: [cze] [eng]
Nerovnoměrná distribuce toku látek je stav, při němž vzniklé lokální teplotní či rychlostní extrémy mohou významně ovlivnit provoz zařízení. Přesto se současná průmyslová praxe věnuje predikci distribuce toku látek jen velmi omezeně, především v rámci analýzy příčin provozních potíží zařízení a v oblasti detailních numerických analýz finálních návrhů. Naopak v oblasti úvodního návrhu zařízení je tato problematika silně zanedbána, což negativně ovlivňuje spolehlivost výsledného zařízení. Dizertační práce proto představuje vyvíjený kompozitní modelovací systém, který umožňuje systematicky a efektivně zahrnout predikci distribuce toku látek do výpočetních postupů se zaměřením na zařízení pracující v konvekčním režimu přenosu tepla a bez změny fáze pracovních látek. Navržený kompozitní modelovací systém zasahuje do tradičních výpočtových postupů ve dvou úrovních -- v rámci stanovení nerovnoměrné distribuce toku pracovních látek a jejího následného dopadu na přenos tepla v zařízení. V rozsáhlé rešerši dostupných výpočtových metod a přístupů, které slouží k predikci a analýze proudění a distribuce tepla v konvekčních výměnících, jsou diskutovány jejich možnosti a omezení. V návaznosti na tento rozbor jsou detailně analyzovány vybrané separátní modely. Nerovnoměrnost distribuce toku média v trubkovém prostoru zařízení se standardními válcovými komorami je stanovena pomocí diferenciálního 1D modelu. V zařízení, jehož komory mají nekonstantní průtočný průřez, je distribuce toku látky predikována diskrétním (algebraickým) 1D modelem. Za předpokladu, že je požadováno zohlednit vliv nerovnoměrného toku látky v mezitrubkovém prostoru výměníku a zároveň nejsou k dispozici naměřená data, využívá kompozitní modelovací systém data ze zobecněného CFD modelu simulujícího tok tekutiny v širokých kanálech. Informace o distribuci pracovních látek pak využívá adaptovaný maticový model pro 2D analýzu přenosu tepla v zařízení. Dále jsou v práci prezentovány provedené modifikace použitých výpočtových metod. Přesnost a aplikovatelnost vyvíjených modelů je ilustrována na vybraných průmyslových úlohách. Další oblastí výzkumu, která je v práci popsána, je úprava toku prostřednictvím modifikace tvaru distribuční komory, konkrétně lineární změny výšky distributoru. Zvláště u geometrie s optimalizovanou modifikací bylo dosaženo velmi dobrých výsledků, a to zlepšení distribuce toku média o 7 %. Představený kompozitní modelovací systém umožňuje rychle a přesně identifikovat slabá místa klasického návrhu procesního zařízení. Použité metody, které doplňují tradiční tepelně-hydraulické výpočty trubkových výměníků tepla s křížovým tokem, jsou výpočetně nenáročné, a jak ukázalo srovnání s komerčním softwarem, jsou zároveň i dostatečně přesné. V závěru práce je nastíněno další směřování vývoje kompozitního modelovacího systému jako součásti uceleného rámce tzv. low-cost modelování spalovacích zařízení pro procesní průmysl. Fluid flow distribution; heat flux distribution; computational modelling; analytical model; CFD; matrix approach; composite modelling system; heat transfer equipment; convection section; cross flow; dividing manifold; design optimization
Klíčová slova: analytický model; CFD; distribuce tepelného toku; Distribuce toku pracovních látek; distributor; kompozitní modelovací systém; konvekční sekce; křížový tok; maticový přístup; výpočtové modelování; zařízení na výměnu tepla; a discrete (algebraic) 1D model predicts the fluid flow distribution. Assuming that it is required to account for the effect of non-uniform fluid flow in the~shell space and; an improvement of 7 % in the flow distribution of the medium. The composite modelling system that is presented in this thesis allows to quickly and accurately identify the weak points of the classical process equipment design. The methods used; are also sufficiently accurate. The thesis concludes by outlining further directions for the development of a composite modelling system as part of a comprehensive framework for the so-called low-cost modelling of fired equipment for the process industry.; are computationally simple and; as shown by comparison with commercial software; at the same time; current industrial practice pays very limited attention to predicting such conditions; focusing on devices operating in the convective heat transfer regime and without phase change of the working fluids. The proposed composite modelling system interferes with traditional computational procedures at two levels -- in determining the non-uniform flow distribution of the working fluids and its subsequent impact on the heat transfer in the device. Their capabilities and limitations are discussed in an extensive overview of available computational methods and approaches for predicting and analysing convection heat exchangers' flow and heat distribution. Following this analysis; i.e.; in the area of the initial design; mainly in the troubleshooting analysis of the equipment operational problems and in the area of detailed numerical analyses of final designs. On the contrary; measured data are not available; namely the linear change of the distributor height. Especially for the geometry with optimised modification; Non-uniform flow distribution is a state in which the local temperature or velocity extremes can significantly affect the operation of the equipment. Nevertheless; selected models are examined in detail. The non-uniformity of the fluid flow distribution in the tubular space of an apparatus with standard cylindrical headers is determined utilising a differential 1D model. In equipment whose chambers have a non-constant cross-section; the composite modelling system uses data from a generalised CFD simulation of fluid flow in wide ducts. The information on the distribution of the working fluids is then used by the adapted matrix model for 2D heat transfer analysis in the equipment. Furthermore; the modifications made to the employed computational methods are presented in this thesis. Selected industrial cases illustrate the accuracy and applicability of the developed models. Another research area described in the thesis is the management of the flow by modifying the shape of the dividing header; this issue is strongly neglected; very good results have been achieved; which complement the traditional thermal-hydraulic calculations of tubular cross-flow heat exchangers; which negatively affects the reliability of the final equipment. This thesis presents a composite modelling system that systematically and efficiently incorporates the flow distribution prediction into the computational procedures

Instituce: Vysoké učení technické v Brně (web)
Informace o dostupnosti dokumentu: Plný text je dostupný v Digitální knihovně VUT.
Původní záznam: http://hdl.handle.net/11012/207734

Trvalý odkaz NUŠL: http://www.nusl.cz/ntk/nusl-505266


Záznam je zařazen do těchto sbírek:
Školství > Veřejné vysoké školy > Vysoké učení technické v Brně
Vysokoškolské kvalifikační práce > Disertační práce