Master's Thesis

Computations of fluid flow and heat transfer for design optimization of tumble clothes dryer

Final Thesis 8.1 MB

Author of thesis: Ing. Martin Čermák

Acad. year: 2012/2013

Supervisor: doc. Ing. Jiří Hájek, Ph.D.

Reviewer: prof. Ing. Miroslav Jícha, CSc.

Abstract:

Within this thesis a complex analysis of an electrically heated tumble clothes dryer was performed in order to identify design optimization possibilities leading to an improvement of a heat transfer. A computational fluid dynamics (CFD) approach involving an employment of the commercial software Fluent and development of a custom heat transfer model was selected to resolve the problem in a required level of detail.

Keywords:

Tumble clothes dryer, resistance heating, helically coiled heating wire, CFD, heat transfer model, optimization

Date of defence

17.06.2013

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Mechanical Engineering (N2301-2)

Field of study

Process Engineering (M-PRI)

Composition of Committee

Ing. Jan Pokorný, CSc. (předseda)
prof. Ing. Zdeněk Jegla, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Jaroslav Medek, CSc. (člen)
doc. Ing. Jiří Hájek, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Petr Stehlík, CSc., dr. h. c. (člen)
Ing. Dušan Vincour, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Jiří Hájek, Ph.D.

Hodnocení této diplomové práce je pro mě jako vedoucího poměrně jednoduchou záležitostí. Diplomant pracoval velmi spolehlivě v průběhu celého závěrečného ročníku, byl aktivní a nadprůměrně samostatný, ale přitom se nezdráhal pravidelně konzultovat průběh práce a provádět dohodnuté postupné kroky. Díky této systematické a dlouhodobé činnosti má práce značnou hloubku a má početné výsledky, které jsou zajímavé jak z hlediska výzkumného, tak praktického. Celková úroveň práce je po technické stránce výborná, ale vedle toho též vyniká formou zpracování. Je psána anglicky a to tak dobře, že jsem se vzdal formálních korektur, protože gramatické opravy nebyly potřeba a moje úpravy by byly pouze formulační a stylistické. Práce je tedy zcela autentickým dílem diplomanta. Myslím, že autor si v ní vytvořil kvalitní referenci, na které může stavět při dalším rozvíjení své kariéry.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené vysledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Práce má velmi dobrou celkovou úroveň, použitá angličtina je výborná. V dalším textu jsou připomínky jak k teoretické části, tak k celkovému přístupu použití komerčního programu CFD.
Pokud použiji pro tepelnou vodivost označení podle anglosaské literatury k, pak bych měl použít pro součinitel přestupu tepla h. Navíc v rov. 5.41 je použito pro tepelnou vodivost lambda. Pro teplotu okolního prostředí se běžně používá T s indexem nekonečno.
Str. 31: Platnost vztahu pro Nu na příčném válci je pro RePr>0,2.  Tj. i pro turbulentní proudění. Vliv turbulence volného proudu se uvádí u typických 2D mezních vrstev pro případ externí aerodynamiky, jako je obtékání lopatek či profilů křídel, protože má vliv na tzv. intermitenci mezní vrstvy nebo na by-pass přechod laminární – turbulentní, což jistě není případ charakteru proudění uvnitř sušičky. Proto úvaha o vlivu turbulence volného proudu nemá v tomto případě relevanci. Mimochodem, vliv stupně turbulence je zahrnut již v modelu k-E, i když platí, pravda, za předpokladu izotropní turbulence. Ale i v rovnici energie je turbulence zahrnuta přes efektivní tepelnou vodivost, analogicky jako v rovnicích pohybových přes efektivní viskozitu.
Kap. 5.1.2, rov. 5.15: Předpokládám, že délka drátu a tedy plocha jeho povrchu je o několik řádů větší než plocha koncových průřezů drátu. Pak je zcela logické zanedbat přestup tepla z těchto koncových ploch. Rozhodně toto zanedbání bude mít podstatně menší vliv než zanedbání radiace. Chci tím říci, že je třeba použít inženýrskou intuici a nevolit komplikovaný postup, který stejně zanedbáním podstatného mechanizmu povede k nekorektnímu výsledku.
Poznámka k zanedbání záření: Vzhledem k tomu, že elektrický ohřev je typický příklad na konstantní tepelný tok povrchem, není zahrnutí záření příliš komplikujícím krokem. Z výsledků CFD simulací mohu dostat teplotu stěn topného boxu a pak, pokud se vyznám v mechanizmu záření, by neměl být problém záření celkem jednoduše zahrnout, aniž bych použil některý výpočtově náročný model záření (např. discrete ordinates nebo jiný) v CFD kódu. Pokud je jedním z úkolů řešení detekovat možné přehřátí odporového drátu, pak bez záření mi vyjde pro některou spirálu přehřátí, ale ve skutečnosti nebude, protože drát je chlazen také zářením. Vzhledem k vysoké povrchové teplotě drátu a relativně nízké teplotě boxu bude záření dosti významné.
Kap. 5.2: Použití rovnice tepelné bilance, i upravené pro „spirálový“ tvar, neřeší základní, zbytečně nekorektní přístup k řešení s použitím CFD. Pokud chci řešit obvodově proměnnou teplotu drátu „namotaného“ na válci a použiji kriteriální rovnici pro střední hodnotu součinitele přestupu tepla, pak se zaprvé dopouštím nekorektnosti, protože součinitel přestupu tepla se na válcovém povrchu lokálně velice liší, zadruhé nevyužiji potenciál, který mi CFD nabízí. 
Veškeré připomínky nesnižují hodnotu diplomní práce. Ta má velmi dobrou úroveň, na diplomanta ne zcela běžnou. Proto bych rád, aby připomínky byly chápány jako rada pro diplomanta, že možná někdy komplikovaný přístup nemusí být vždy korektní a některá zjednodušení nemusí být ospravedlnitelná, protože zanedbání určitých mechanizmů (např. záření) může vést ke značným chybám. Kdyby si diplomant udělal jednoduchý výpočet, zjistil by, že pokud např. budu předpokládat teplotu povrchu drátu 1000 K, teplotu stěn boxu 400 K a teplotu okolního vzduchu 20 °C (ve skutečnosti bude asi vyšší, což ještě snižuje konvektivní tok), a součinitel přestupu tepla na povrchu drátu 50 W/m2-K (o moc vyšší určitě nebude), pak je radiační tok, který v bilanci zanedbám, o polovinu větší než konvektivní. A to je velice zásadní chyba v postupu zjednodušení.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. Eq. (4.1) is a general energy equation. Whereas the main solved variable is temperature, it would be appropriate to state equation with temperature (very likely viscous dissipation and species diffusion was not taken into account). What is the equation of energy with temperature and how is defined the total energy E ?
  2. In equations 5.10 and 5.11 one of the temperature gradients must have negative sign (I suppose that the x-coordinate has the same orientation), for both heat fluxes are directed out of the body and the gradients have thus opposite signs. Please comment.
  3. I have not found specification on how the global coordinate system of the dryer is oriented. What is relationship between the global dryer system and the local system of the heating wire (x coordinate).
  4. Eq. 5.15 can be correctly simplified in the form of a simple balance between internal source and convective heat flux from the surface (when radiation neglected). What is such equation, incl. radiation?
  5. In the section 5.2, the authors says that the "straight" wire must be replaced by a helical geometry, but I did not understand in what. Because alfa is assigned still a constant averaged value across the cylinder. Please comment.
  6. I did not understand what is done at the level of cell and what at the level of control volumes; in other words, why the author uses this strategy. Why the author does not define a volumetric source in the peripheral cells and/or does not calculate superficial heat flux from the wire cells and does not solve the wire temperature as a conjugate problem. From the temperature then it is possible in each iteration calculate electric resistance and the Joule heat. This can be done without using the empirical heat transfer coefficient. Please comment.

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová