Master's Thesis

Design of heat exchanger

Final Thesis 3.76 MB Appendix 1.09 MB

Author of thesis: Ing. Jiří Buzík, Ph.D.

Acad. year: 2012/2013

Supervisor: Ing. Richard Nekvasil, Ph.D.

Reviewer: Ing. Pavel Lošák, Ph.D.

Abstract:

The master thesis deals with thermal hydraulic design and strength design of a heat exchanger with “U” tube bundle inside of a shell. The first chapter introduces general design issues of the heat exchangers. The following chapter describes thermal hydraulic design created in software Maple 16.0 by using Kern’s method and the method of Bell-Delaware. HTRI software was used for the control of thermal hydraulic design correctness. To check critical locations of fluid flow in space between the tubes, the CFD model was created at ANSYS Fluent 14.0 software. Accuracy of strength design was verifying by Sant’ Ambrogio software in accordance with ČSN EN 13 445 standards. The last chapter concerns with FEM analysis. According to standards ČSN EN 13 445 the design by analysis namely method based on stress categories were used for the strength analysis of nozzle.

Keywords:

heat exchanger, shell-and-tube, ČSN EN 13 445, FEM analysis, CFD analysis, thermal hydraulic design of a heat exchanger, Kern’s method, Bell-Delaware method, HTRI, Sant’Ambrogio, ANSYS

Date of defence

18.06.2013

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Process Engineering

Study programme

Mechanical Engineering (N2301-2)

Field of study

Process Engineering (M-PRI)

Composition of Committee

Ing. Pavel Seichter, CSc. (předseda)
doc. Ing. Jiří Hájek, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Miloslav Odstrčil, CSc. (člen)
doc. Ing. Jaroslav Jícha, CSc. (člen)
Ing. Dušan Vincour, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Ladislav Bébar, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Richard Nekvasil, Ph.D.

Diplomant Jiří Buzík zpracoval velmi detailní výpočet výměníku s U trubkami, kdy vytvořený výpočet překontroloval v programu HTRI. Dále provedl konstrukční návrh zadaného výměníku a jeho pevnostní výpočet hlavních částí dle ČSN EN 13445 v programu Sant’Ambrogio. Pro ověření návrhu výměníku provedl kontrolní CFD analýzu proudění média v mezitrubkovém prostoru a MKP analýzu jednoho hrdla, kde provedl kategorizaci napětí a posouzení vůči dovoleným hodnotám napětí. Součástí práce je i schéma konstrukčního řešení výměníku tepla. Práce je po své obsahové i grafické stránce zpracována na velmi dobré úrovni.
Práce patří mezi velmi obtížné zejména svým rozsahem analýz. Bylo nutné osvojení si metodiky návrhu tlakových nádob (tepelný i konstrukční) a seznámit se se software ANSYS pro provedení proudových a napěťových simulací. Její pojetí bylo správné a velmi zdařile. V průběhu zpracování diplomové práce projevoval student aktivní zájem o řešenou tématiku, prokázal samostatnost a schopnost řešení konkrétních problémů, které nastaly v průběhu řešení diplomové práce.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Pavel Lošák, Ph.D.

Diplomová práce je rozdělena na čtyři hlavní části. Nejprve byla provedena rešerše z oblasti výměníků tepla. Ve druhé části byl proveden tepelně hydraulický výpočet. Zde oceňuji vytvoření vlastních výpočtových procedur v programu Maple, které byly dále ověřeny softwarem HTRI. Další část diplomové práce byla zaměřena na analýzu proudění. Byl vytvořen CFD model výměníku tepla a provedeny analýzy.  Tato část, stejně jako předešlé, byla provedena zdařile a v dostatečném rozsahu. V poslední části byla provedena pevnostní kontrola výměníku tepla dle analytických vztahů a ověření vybrané části metodou konečných prvků. I zde byla problematika zpracována v dostatečném rozsahu. V práci se ovšem vyskytuji nevhodné formulace, které jsou dány většinou nepřesným překladem z angličtiny, ale i další drobné nejasnosti a gramatické chyby. Ocenil bych také přehlednější strukturování práce a vyhodnocení výsledků. Přes tyto výtky lze však tuto práci považovat za velice zdařilou, jak po stránce provedení, tak i z hlediska množství odvedené práce. Doporučuji diplomovou práci k obhajobě a prosím o zodpovězení níže položených otázek.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions C
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout C
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. První dotaz je z oblasti CFD. V rovnici 38 píšete, že propustnost (alfa) je při vyšších rychlostech nulová. Nebyl by poté první člen rovnice nekonečně velký?
  2. Ve výpočtu CFD také používáte termín „porézní přepážka“. Můžete vysvětlit o co se jedná?
  3. Poslední dotaz oblasti CFD se týká tlakových ztrát dpx a dpy v tab. 20. Chybí vysvětlení původu těchto hodnot. Jsou to výsledky z CFD, nebo jsou spočítány z analytických vztahů?
  4. V části MKP výpočtu definujete metodu kontroly sítě "mesh metric". Definice je ovšem nepřesná. Můžete vysvětlit skutečnou funkci této metody?
  5. V části 9.4.2 "Srovnání výsledků v post-processingu" popisujete metodu porovnávání výsledků ekvivalentních napětí. Co znamenají termíny zprůměrované a nezprůměrované veličiny, a jedná se skutečně o metodu porovnávající jen napětí? A co je ve skutečnosti zobrazeno na obrázcích 42 až 44?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová