[論文レビュー] Numerical studies of an eccentric tube-in-tube helically coiled heat exchanger for IHEP-ADS helium purification system

Jianqin Zhang, Shaopeng Li|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2014

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ひとこと要約

本研究では、20 MPaのヘリウムを対象とし、温度に依存する物性を考慮して、IHEP-ADSヘリウム精製システム用の偏心チューブインチューブヘリカルコiled（TTHC）熱交換器における乱流と熱伝達を数値的に調査した。結果として、偏心度を増加させることでアニュラス領域のヌセルト数が顕著に向上し、内管およびアニュラス領域の両方におけるレイノルズ数および偏心度の関数としてのヌセルト数の新たな経験的相関式が導出された。

ABSTRACT

The tube-in-tube helically coiled (TTHC) heat exchanger is preferred in the purifier of IHEP-ADS helium purification system. The position of an internal tube is usually eccentric in a TTHC heat exchanger in practice, while most TTHC heat exchangers in the literature studied are concentric. In this paper, TTHC heat exchangers with different eccentricity ratios are numerically studied for turbulent flow and heat transfer characteristics under different flow rates. The fluid considered is helium at the pressure of 20Mpa, with temperature dependent thermo-physical properties for the inner tube and the annulus. The inner Nusselt number between the concentric and eccentric TTHC heat exchangers are compared, so is the annulus Nusselt number. The results show that with the eccentricity increasing, the annulus Nusselt number increases substantially. According to the numerical data, new empirical correlations of Nusselt number as a function of Reynolds number and eccentricity for the inner tube and the annulus are presented in this paper. The TTHC heat exchanger of the purifier is designed under the given conditions.

研究の動機と目的

• IHEP-ADSヘリウム精製システムに用いられるTTHC熱交換器における偏心度が乱流および熱伝達に与える影響を分析すること。
• 同一の運転条件下における同心型と偏心型の熱伝達性能を比較すること。
• レイノルズ数および偏心度を変数とする内管およびアニュラス領域のヌセルト数の経験的相関式を構築すること。
• 高圧ヘリウム状態下でのヘリウム精製システムに最適化されたTTHC熱交換器の設計を支援すること。

提案手法

• 偏心度比を変化させたヘリカルコイルTTHC熱交換器における乱流と熱伝達の数値シミュレーション。
• 内管およびアニュラス領域の両方で、20 MPaにおけるヘリウムの温度依存物性を用いた解析。
• 乱流の流れ特性をシミュレートするため、標準k-ε乱流モデルの適用。
• 熱伝達性能の評価を目的として、内管およびアニュラス領域の局所的および平均的ヌセルト数の計算。
• 流量および偏心度比を系統的に変化させ、熱伝達強化への影響を評価。
• 内管およびアニュラス領域のヌセルト数について、数値データに基づきレイノルズ数および偏心度を変数とする経験的相関式の導出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TTHC熱交換器のアニュラス領域におけるヌセルト数は、偏心度を増加させることでどのように変化するか？
• RQ2 同一の流量条件下で、偏心型TTHC構造の相対的熱伝達性能は同心型と比べてどの程度か？
• RQ3 レイノルズ数および偏心度は、内管およびアニュラス領域のヌセルト数にどのように共同で影響を与えるか？
• RQ4 高圧ヘリウム系において、偏心TTHC熱交換器のヌセルト数を正確に予測可能な経験的相関式を構築できるか？

主な発見

• 偏心度を増加させることで、アニュラス領域のヌセルト数が顕著に上昇し、外側の流れ領域における熱伝達が強化されていることが示された。
• 内管側のヌセルト数は偏心度の増加に対して相対的に安定しており、アニュラス側と比較して変動が最小限に抑えられていた。
• 特に中程度から高めのレイノルズ数領域において、偏心度比が高くなるほどアニュラス領域のヌセルト数が著しく増加した。
• 内管およびアニュラス領域の両方について、レイノルズ数および偏心度を変数とする新たな経験的相関式が導出された。
• 数値的結果は、指定された高圧ヘリウム状態下におけるIHEP-ADSヘリウム精製システム用TTHC熱交換器の設計を正当化するものであった。