ЛБ7

Инженерная школа природных ресурсов

Направление подготовки Химическая технология

Отделение химической инженерии

СОВРЕМЕННЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Отчет по лабораторной работе № 7

Моделирование кожухотрубного теплообменника

Выполнил студент гр. ХИМ54 А.В. Чижова

(Подпись)

02.01.2026 г.

Отчет принят:

Преподаватель

доцент ОХИ ИШПР, к.т.н. В.А. Чузлов

(Подпись)

_____ _____________ 2026 г.

Томск 2026 г.

Цель работы: ознакомиться с основными принципами настройки модели теплообменника.

Теоретическая часть

1. Описание модели

Концепция, используемая для проектирования кожухотрубного теплообменника, рассматривается на примере рабочей модели однопроходного кожухотрубного теплообменника с противотоком. Геометрия такой модели показана на рисунке 1.

Рисунок 1 – Геометрия кожухотрубного теплообменника

Теплообменник изготовлен из конструкционной стали. В этом примере через теплообменник проходят две жидкости. Первая жидкость, в данном случае вода, течет по трубам, в то время как вторая жидкость, воздух, циркулирует внутри корпуса теплообменника, но вне труб.

Обе эти жидкости имеют разную начальную температуру при поступлении в теплообменник, однако после циркуляции внутри него температура жидкостей приближается к равновесной. Перегородки создают некоторый перекрестный поток воздуха, что приводит к увеличению площади поверхности теплообмена. Еще одним преимуществом является то, что перегородки уменьшают вибрацию, вызываемую движением жидкости.

В этой задаче используется модель неизотермического потока совместно с моделью турбулентности k-ε. Преимущество симметрии позволяет моделировать только одну половину теплообменника, тем самым уменьшая размер модели и вычислительные затраты.

2. Граничные условия

Все стенки теплообменника, включая перегородки, моделируются в виде оболочек в 3D. Для этого требуются специальные граничные условия для уравнений потока и переноса тепла.

Граничное условие внутренней стенки для потока отделяет жидкости друг от друга и также используется для описания перегородок. С обеих сторон в нем применяются функции стенок, необходимые для моделирования стенок с помощью модели турбулентности k-ε.

Для учета теплового потока в пристеночной области применяется граничное условие тонкого слоя. Это граничное условие имитирует теплопередачу в конструкциях с тонкими оболочками. Здесь предполагается, что оболочка изготовлена из стали толщиной 1 мм.

Помимо плоскости симметрии, все остальные граничные условия представляют собой теплоизолированные стенки.

3. Результаты и обсуждение

Важным критерием для оценки точности модели турбулентности является разрешение стенки. Следовательно, COMSOL Multiphysics по умолчанию создает график разрешения стенки.

Значение δ_w⁺ должно быть достаточно малым, чтобы функции стенок давали разумные прогнозы. Кроме того, подъем стены δ_w должен быть небольшим по сравнению с размером геометрии. Для внутренних стен используется значение δ_w для верхней и нижней сторон стены.

На рисунке 2 показан отрыв нижней стенки. Это отрыв стенки внутри труб, где расположена, вероятно, наиболее критичная область с точки зрения разрешения сетки. Он составляет около 0,5 мм, что достаточно мало по сравнению с радиусом трубы, который составляет 7,5 мм. Более мелкая сетка привела бы к меньшему значению отрыва стенки и, следовательно, к большей точности.

Рисунок 2 – Подъем стенки для труб

Скорость потока со стороны трубы показывает равномерное распределение в трубах. Перед поступлением воды в трубы имеются зоны рециркуляции. Цвета направленных потоков отображают температуру, и вы можете видеть, что температуры на обоих выходах близки друг к другу (рисунок 3).

На рисунке 4 показано распределение температуры по границам теплообменника.

Рисунок 3 – Температурные линии

Рисунок 4 – Температура на стенках теплообменника

Существует несколько величин, которые описывают характеристики и эффективность теплообменника. Одна из них - эквивалентный коэффициент теплопередачи:

(1)

где P – общий передаваемый тепловой поток; A – поверхность теплообмена. В данной модели = 5.9 Вт/(м² К).

Перепад давления составляет около 38 Па со стороны трубок и 13 Па со стороны корпуса.

Практическая часть

Ход работы

1. Выполнили запуск ПО COMSOL Multiphysics и создали новый проект через Model Wizard

2. Выбрали 3D-геометрию и добавили физику Turbulent Flow, k- ε.

3. Импортировали файл с готовой геометрией кожухотрубного теплообменника (рисунок 5).

Рисунок 5 – Результат загрузки файла (один из)

4. Задали глобальные (входные) параметры, представленные в таблице 1.

Таблица 1 – Входные параметры модели

Name	Expression	Value	Description
u_water	0.1[m/s]	0.1 m/s	Inlet velocity, water
u_air	1[m/s]	1 m/s	Inlet velocity, air
T_water	80[degC]	353.15 K	Inlet temperature, water
T_air	5[degC]	278.15 K	Inlet temperature, air

5. Добавлены материалы из встроенной библиотеки: Air; Water, liquid; Steel AISI 4340.

6. Настроили модель Turbulent Flow, k-ε и граничные условия.

7. Определили оператор усреднения на границе вода-воздух (для расчета коэффициента теплопередачи) и настройки сетки.

8. Выполнили расчет модели. Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Результаты расчета

Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К)	Перепад давления в трубках, Па	Перепад давления в межтрубном пространстве, Па
7,4330Е-4	37,807	9,3572

Вывод: в результате лабораторной работе была успешно построена и рассчитана модель кожухотрубного теплообменника в среде COMSOL Multiphysics.

Полученное значение коэффициента теплопередачи (7,4330Е-4 Вт/(м² К)) существенно ниже указанного в теоретической части значения (5,9 Вт/(м² К)). Это может быть связанно с возможными ошибками в настройке граничных условий (в Results отсутствовало Surface 1 в Temperature (ht) и не только. Приходилось вручную создавать подпункты и проводить настройку) или некорректное моделирование thin layer.

Также перепад давления в межтрубном пространстве (9,36 Па) оказался ниже указанного в теоретической части (13 Па), но в трубках (37,8 Па) – близок к ожидаемому (38 Па).

Рекомендации по повышению точности результатов моделирования: проверить корректность задания свойств материалов и граничных условий.