Валідація та аналіз моделі обчислювальної гідродинаміки (CFD) теплообмінника у процесі підігріву нафти на установці елекрознесолення та атмосферно-вакуумної трубчастої установки (ЕЛЗУ-АВТ)

Abstract

Представлено результати дослідження моделі обчислювальної гідродинаміки (CFD) кожухотрубного теплообмінника у процесі початкового підігріву нафти, яка є обов’язковою технологічною операцією. Оптимізація цього процесу безпосередньо впливає на енергозбереження, енергоефективність, надійність та економічні показники всієї системи. Наукова новизна роботи полягає в розробці та валідації тривимірної CFD-моделі процесу в теплообмінному апараті для підвищення енергетичної ефективності, яка враховує специфічні температурно-залежні фізичні властивості (в’язкість, густина, теплоємність) нафти, що видобувається у родовищах України. Це дозволяє підвищити точність прогнозування теплогідравлічних характеристик порівняно зі стандартними моделями, що використовують усереднені або загальні властивості. Для моделювання використовувалася скінченно-елементна CFD-модель апарату в середовищі програмного комплексу Comsol з визначенням відповідних параметрів роботи теплообмінника. Верифікація проводилася для випадку початкового нагрівання нафти в процесі опріснення. Для аналізу результатів CFD-моделювання використовувалися показники полів швидкості та температури реагуючих потоків. За допомогою графічного аналізу полів швидкостей (CFD) було виявлено, що причиною розбіжності є утворення значних застійних зон за сегментними перегородками, які ігноруються аналітичною методикою. Показано, що відхилення значень температури в середині CFD-моделі від даних, взятих з доступної літератури та інших наукових робіт, не перевищує 5,05 %, що дозволяє використовувати її як науково-обґрунтований інструмент для аналізу та оптимізації роботи промислових теплообмінників як альтернативу узагальнених аналітичних методик. Перевірена комп’ютерна модель дозволить створити карту режимів, оптимізувати роботу енергетичного устаткування та отримати дані ідентифікації для подальшої розробки системи керування та коригування характеристик теплообмінника. The scientific novelty of the work lies in the development and validation of a three-dimensional CFD model of the process in a heat exchange apparatus to increase energy efficiency, which takes into account the specific temperature-dependent physical properties (viscosity, density, heat capacity) of oil produced in Ukrainian fields. This allows for an increase in the accuracy of predicting thermo-hydraulic characteristics compared to standard models that use averaged or general properties.The paper presents the results of a study of a computational fluid dynamics (CFD) model of a shell-and-tube heat exchanger in the initial oil heating process, which is a mandatory technological operation. The optimization of this process directly affects the energy savings, energy efficiency, reliability, and economic performance of the entire system. The scientific novelty of the work lies in the development and validation of a three-dimensional CFD model of the process in a heat exchange apparatus to increase energy efficiency, which takes into account the specific temperature-dependent physical properties (viscosity, density, heat capacity) of oil produced in Ukrainian fields. This allows for an increase in the accuracy of predicting thermo-hydraulic characteristics compared to standard models that use averaged or general properties. For the simulation, a finite-element CFD model of the apparatus was used in the Comsol software environment, with the determination of the corresponding operating parameters of the heat exchanger. Verification was carried out for the case of initial oil heating in the desalination process. To analyze the results of the CFD modeling, indicators of the velocity and temperature fields of the reacting flows were used. Graphical analysis of the (CFD) velocity fields revealed that the discrepancy is caused by the formation of significant stagnant zones behind the segmental baffles, a phenomenon that the analytical method ignores. It has been shown that the deviation of temperature values within the CFD model from data taken from available literature and other scientific works does not exceed 5,05 %, which allows it to be used as a scientifically-grounded tool for analyzing and optimizing the operation of industrial heat exchangers as an alternative to generalized analytical methods. The validated computer model will allow for the creation of a regime map, optimization of the operation of power equipment, and obtaining identification data for the further development of a control system and adjustment of the heat exchanger's characteristics.