Justification of the Flow Characteristics of the Recuperator for the Thermal Preparation of Machinery and Equipment Units

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Machines and equipment in its composition may contain hydraulic systems to ensure the functioning of the main and auxiliary systems. It is known that a common disadvantage of hydraulic systems and drives is the dependence of the viscosity of the applied fluids on temperature. A noticeable part of technological machines and equipment is located in unheated or poorly heated industrial premises and a change in the viscosity of working fluids with a decrease in the ambient temperature can significantly affect the parameters of technological processes. An important factor in ensuring the stability of the technological processes parameters is the degree of preparation of machines and equipment for operation at low temperatures or in conditions of fluctuating temperature conditions. In this regard, the question arises of ensuring the required temperature of technical fluids before turning on machines and equipment, and maintaining the required thermal regime during the operation of its units and assemblies. One way to solve this problem is to use external heat sources. Various heat exchange devices can serve as such sources. In the heat exchange device, the heat carrier is heated, which is then fed into the heat exchange jacket of the machinery and equipment units. Both liquid and gaseous media are used to heat the coolant in the heat exchanger. In the latter case, the heat exchanger is called a recuperator. The efficiency of the recuperator is determined by its design and flow characteristics. There are methods for the analytical determination of both the design and flow characteristics of the recuperator, but these methods are quite laborious. The use of computer simulation of thermal processes makes it possible to successfully solve the calculation problem, and also significantly reduces the design time of heat exchangers. The aim of the work is to substantiate the flow characteristics of the recuperator for maintaining the thermal regime through computer simulation. The research method is computer simulation of thermal processes, which is implemented using the SolidWorks software package from Dassault Systems and its Flow Simulation application for simulating thermal processes in scientific research and engineering. Results and discussion. Simulation carried out in stationary and non-stationary modes made it possible to determine the effect of pump performance on the temperature of the coolant at the outlet of the recuperator. It is found that when the heat carrier flow rate is more than 20 l/h, its temperature does not reach the required values, despite the fact that the gases leaving the recuperator have a significant residual temperature. The efficiency of the recuperator is assessed by determining the exergy efficiency. Based on the data obtained, the most preferable are the pump productivity values lying in the range from 4 to 20 l/h.

About the authors

R. V. Chernukhin

Email: rv_81@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, rv_81@mail.ru

A. A. Dolgushin

Email: dolgushin078@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Novosibirsk State Agrarian University, 160 Dobrolyubov st., Novosibirsk, 630039, Russian Federation, dolgushin078@mail.ru

N. G. Kasimov

Email: nikolakas@list.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Izhevsk State Agricultural Academy, 11 Studencheskaya st., Izhevsk , 426069, Russian Federation, nikolakas@list.ru

V. V. Ivancivsky

Email: ivancivskij@corp.nstu.ru
D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, ivancivskij@corp.nstu.ru

D. V. Lobanov

Email: lobanovdv@list.ru
D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, 15 Moskovsky Prospekt, Cheboksary, 428015, Russian Federation, lobanovdv@list.ru

S. A. Vasiliev

Email: Vsa_21@mail.ru
D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, 15 Moskovsky Prospekt, Cheboksary, 428015, Russian Federation, vsa_21@mail.ru

N. V. Martyushev

Email: martjushev@tpu.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, martjushev@tpu.ru

References

  1. Moriwaki T. Multi-functional machine tool // CIRP Annals – Manufacturing Technology. – 2008. – Vol. 57, iss. 2. – P. 736–749. – doi: 10.1016/j.cirp.2008.09.004.
  2. Integration of production steps on a single equipment / V. Skeeba, V. Pushnin, I. Erohin, D. Kornev // Materials and Manufacturing Processes. – 2015. – Vol. 30, iss. 12. – P. 1408–1411. – doi: 10.1080/10426914.2014.973595.
  3. Yamazaki T. Development of a hybrid multi-tasking machine tool: integration of additive manufacturing technology with CNC machining // Procedia CIRP. – 2016. – Vol. 42. – P. 81–86. – doi: 10.1016/j.procir.2016.02.193.
  4. Скиба В.Ю. Гибридное технологическое оборудование: повышение эффективности ранних стадий проектирования комплексированных металлообрабатывающих станков // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 2. – С. 62–83. – doi: 10.17212/1994-6309-2019-21.2-62-83.
  5. Анализ напряженно-деформированного состояния материала при высокоэнергетическом нагреве токами высокой частоты / В.Ю. Скиба, В.Н. Пушнин, И.А. Ерохин, Д.Ю. Корнев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2014. – № 3 (64). – С. 90–102.
  6. Иванцивский В.В., Скиба В.Ю., Пушнин В.Н. Методика назначения режимов обработки при совмещении операций абразивного шлифования и поверхностной закалки ТВЧ // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2011. – № 4. – С. 19–25.
  7. Dolgushin A.A., Voronin D.M., Syrbakov A.P. Experiment of using thermal insulating materials for accumulation of heat in the transmission // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 632, iss. 1. – P. 012014. – doi: 10.1088/1757-899X/632/1/012014.
  8. Chernukhin R.V. Reliability of the steering gear of truck vehicles // Applied Mechanics and Materials. – 2013. – Vol. 379. – P. 36–42. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/AMM.379.36' target='_blank'>www.scientific.net/AMM.379.36.
  9. Патент 2595205 Российская Федерация. Система подогрева агрегатов механической трансмиссии транспортного средства / Долгушин А.А., Курносов А.Ф., Вакуленко М.В. – № 2015120140; заявл. 27.05.2015; опубл. 20.08.2016.
  10. Lane M.S., Mansour A.H., Harpell J.L. Operations research techniques: A longitudinal update 1973–1988 // Interfaces. – 1993. – Vol. 23, N 2. – P. 63–68. – doi: 10.1287/inte.23.2.63.
  11. Short simulation activity to improve the competences in the fluid-mechanical engineering classroom using solidworks flow simulation / M. Rodríguez-Martín, P. Rodríguez-Gonzálvez, A.S. Patrocinio, J.R.S. Martín // Proceedings of the Seventh International Conference on Technological Ecosystems for Enhancing Multiculturality. – León Spain, 2019. – P. 72–79. – doi: 10.1145/3362789.3362809.
  12. Bellos E., Tzivanidis C., Antonopoulos K.A. Thermal performance of a direct-flow coaxial evacuated tube with solidworks flow simulation // 6th International Conference on Experiments/Process/System Modelling/Simulation/Optimization. – Athens, Greece, 2015. – Vol. 2. – P. 505–513.
  13. Nawaz H., Yuan Y.S. Thermal comfort analysis of a ship air-conditioning system using solidworks flow simulation // Advanced Materials Research. – 2013. – Vol. 773. – P. 883–888. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/AMR.773.883' target='_blank'>www.scientific.net/AMR.773.883.
  14. Law A.M., Kelton W.D. Simulation modeling and analysis. – 3rd ed. – New York: McGraw-Hill Education, 2000. – 784 p. – ISBN 978-007116537.
  15. Peng Y. Research of thermal analysis collaboratively using ANSYS workbench and solidworks simulation // Applied Mechanics and Materials. – 2012. – Vol. 127. – P. 262–266. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/AMM.127.26' target='_blank'>www.scientific.net/AMM.127.26.
  16. STAR CCM+ CFD simulations of enhanced heat transfer in high-power density electronics using forced air heat exchanger and pumped fluid loop cold plate fabricated from high thermal conductivity materials / K.R. Anderson, M. Devost, W. Pakdee, N. Krishnamoorthy // Journal of Electronics Cooling and Thermal Control. – 2013. – Vol. 3, N 4. – doi: 10.4236/jectc.2013.34016.
  17. Internal air flow analysis of a bladeless micro aerial vehicle hemisphere body using computational fluid dynamic / M.N.K. Othman, R.M. Zuradzman, D. Hazry, W. Khairunizam, A.B. Shahriman, S. Yaacob, S.F. Ahmed, A.T. Hussain // AIP Conference Proceedings. – 2014. – Vol. 1635, N 1. – P. 182–186. – doi: 10.1063/1.4903581.
  18. Dzelzitis E., Sidenko N. Numerical simulation of heat exchange in discrete-rough channels at flow superimposed oscillations // 18th International Scientific Conference "Engineering for Rural Development": Proceedings. – Jelgava, Latvia, 2019. – Vol. 18. – P. 1155–1161. – doi: 10.22616/ERDev2019.18.N203.
  19. Dzelzitis, E., Sidenko, N. Numerical Simulation of Heat Exchange in Discrete-Rough Channels at Flow Superimposed Oscillations. In: 18th International Scientific Conference "Engineering for Rural Development": Proceedings. Vol.18, Latvia, Jelgava, 22-24 May, 2019. Jelgava: Latvia University of Life Sciences and Technologies, 2019, pp. 1155–1161. ISSN 1691-5976. Available from: doi: 10.22616/ERDev2019.18.N203
  20. Design, simulation and optimization of a solar dish collector with spiral-coil thermal absorber / S.R. Pavlovic, E.A. Bellos, V.P. Stefanovic, C. Tzivanidis, Z.M. Stamenkovic // Thermal Science. – 2016. – Vol. 20, N 4. – P. 1387–1397. – doi: 10.2298/TSCI160213104.
  21. Simulation and validation of a two-phase pumped loop cooling system / T.C. Magee, K.M. Hines, M.A. Dumesh, A.D. Meekins, M.M. Bridges // ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition. – 2019. – Vol. 59452. – P. V008T09A013. – doi: 10.1115/IMECE2019-10272.
  22. Ivanov A.V., Trebunskikh T.V., Platonovich V.V. Validation methodology for modern CAD-embedded CFD code: from fundamental tests to industrial benchmarks // NAFEMS World Congress. – Salzburg, Austria, 2013.
  23. Sobachkin A., Dumnov G. Numerical basis of CAD-embedded CFD // NAFEMS World Congress. – Salzburg, Austria, 2013. – P. 9–12.
  24. Tsatsaronis G. Definitions and nomenclature in exergy analysis and exergoeconomics // Energy. – 2007. – Vol. 32, N 4. – P. 249–253. – doi: 10.1016/j.energy.2006.07.002.
  25. Szargut J., Morris D.R., Steward F.R. Exergy analysis of thermal, chemical, and metallurgical processes. – United States, 1987.
  26. Zakirov S.G., Karimov K.F. Exergy analysis of refrigeration evaporators // International Refrigeration and Air Conditioning Conference. – Purdue, 2004. – P. 643. – URL: http://docs.lib.purdue.edu/iracc/643 (accessed: 05.11.2020).
  27. Ethylene glycol: properties, synthesis, and applications / H. Yue, Y. Zhao, X. Maa, J. Gong // Chemical Society Reviews. – 2012. – Vol. 41, iss. 11. – P. 4218–4244. – doi: 10.1039/c2cs15359a.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».