Μελέτη εναλλάκτη θερμότητας πλακών με χρήση υπολογιστικής ρευστοδυναμικής

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η μελέτη εναλλάκτη θερμότητας πλακών με χρήση τεχνικών Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής (Computational Fluid Dynamics, CFD). Η περιορισμένη βιβλιογραφία που άπτεται του αντικειμένου και η οποία, εκτός από ολίγες εξαιρέσεις, λαμβάνει υπόψη της είτε μόνο μία πλάκα είτε ένα μόνο κανάλι ροής εντός ενός εναλλάκτη θερμότητας πλακών, δίνει περιορισμένα αποτελέσματα. Σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής ερευνητικής μελέτης ήταν η μελέτη και η προσομοίωση της λειτουργίας του, εργαστηριακής κλίμακας, εναλλάκτη θερμότητας πλακών TIPLA (Edibon, 2018), του Εργαστηρίου Μηχανικής και Επεξεργασίας Τροφίμων του ΓΠΑ με τη χρήση τεχνικών CFD, ώστε να γίνει καλύτερα κατανοητή η λειτουργία του με απώτερο σκοπό να μελετηθούν τα φαινόμενα τα οποία διέπουν την ασηπτική επεξεργασία ρευστών τροφίμων. Ο εναλλάκτης είχε συνολική επιφάνεια εναλλαγής θερμότητας 0,64 m2, αποτελούνταν από 20 πλάκες ύψους 116 mm, μήκους 287 mm, ενώ το διάκενο μεταξύ δύο γειτονικών πλακών ήταν 3 mm. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε η προσομοίωση του εναλλάκτη χωρίς αυλακώσεις σε ομορροή για τις περιπτώσεις γραμμικής και τυρβώδους ροής και στη συνέχεια προσομοίωση του εναλλάκτη με αυλακώσεις για τις περιπτώσεις ομορροής και αντιρροής, για δύο θερμοκρασίες για το κάθε ρεύμα νερού, 33,7°C και 42,6°C για το μέσο θέρμανσης και 16,1°C και 18,1°C για το προϊόν. Και για τις δύο θερμοκρασίες λειτουργίας του εναλλάκτη παρατηρήθηκε πανομοιότυπο μοτίβο στα διαγράμματα κάτι που δείχνει ότι η μοντελοποίηση του εναλλάκτη με τη χρήση CFD είχε λογική συνέπεια και δεν επηρεάστηκε από τη θερμοκρασία αυτή καθ’ αυτή (40°C ή 50°C) λειτουργίας του εναλλάκτη. Τελικά, έγινε σύγκριση των αποτελεσμάτων των αριθμητικών μέσω CFD λύσεων τόσο με πειραματικά αποτελέσματα όσο και με τα αποτελέσματα εμπειρικής προσέγγισης που ακολουθήθηκε σύμφωνα με τη βιβλιογραφία. Οι προσεγγίσεις που ακολουθήθηκαν στη συγκεκριμένη εργασία για τη μοντελοποίηση του εναλλάκτη με τη χρήση τεχνικών CFD ήταν ικανοποιητικές.

The subject of this diploma thesis was the study on plate heat exchanger using Computational Fluid Dynamics (CFD). The limited literature on the subject, which, apart from a few exceptions, takes into account either a plate heat exchanger with just one plate or a single flow channel, gives results of limited value. The purpose of this thesis was to study and simulate the operation of the -laboratory scale- plate heat exchanger (PHE) TIPLA (Edibon, 2018), in the Laboratory of Food Engineering Processing, Agricultural University of Athens, using CFD, in order to better understand and get an insight on its operation, as well as to study the governing phenomena during the aseptic processing of fluid foods. The PHE had a total heat exchange surface area of 0.64 m2, consisted of 20 plates of height 116 mm, length 287 mm, while the gap between two adjacent plates was mm. Initially, a simulation for a flat PHE was performed for laminar and turbulent flows, with inlet temperatures of 33,7°C and 42,6°C for the heating medium and 16,1°C and 18,1°C for the product. The final simulation performed concerned a PHE with corrugations for parallel and counter flow with inlet temperature of 33,7°C and 42,6°C for the heating medium and 16,1°C and 18,1°C for the product. For both operating temperatures of the PHE, an identical pattern was observed in the charts, indicating that CFD modeling had a reasonable consistency and was not affected by the operating temperature (40°C or 50°C) of the PHE. Finally, we compared the results of the numerical with CFD solutions with both experimental results and the results of an empirical approach in accordance to the references. The approaches followed in this work to model the PHE using CFD were quite promising.