Modeling infrastructure and implementation of state-of-the-art heat transfer models for plate fin heat exchangers

This thesis was aimed at developing a modeling infrastructure and implementation of State-of-the-Art heat transfer models for Plate Fin Heat Exchangers (PFHE). Local heat transfer coefficients within the stream passages play an important role in the thermal rating of the heat exchangers in order to obtain the best design criteria by evaluating the performance indexes of a specific design using dedicated process simulators.This thesis first introduces the main characteristics, design procedure, thermal rating methods and a few particular design parameters of the plate fin heat exchangers. In the second chapter, the heat transfer within the flow passages of a plate fin heat exchanger is studied for the single phase and two-phase streams including both pure and multi-component fluids for a discretize one-dimensional model. Furthermore, applied correlations and calculation methods and steps to obtain the local heat transfer coefficients are fully explained and discussed. Finally, the verified correlations are implemented in C++ using Eclipse as the integrated development environment (IDE) and then attached as a dynamic-link library file (DLL) to Linde's in-house equation-oriented process simulator OPTISIM®.The developed module is evaluated for two study cases including single phase flows (Air Separation Unit) and two-phase flows (Ethylene Cracker Unit) and then the results are verified by comparing with the well-known heat exchanger design tools.The results of transient and steady state simulations show that the developed module has a very high compliance and accuracy in calculating the local heat transfer coefficients for the both single phase and condensing two-phase streams compared to well-known heat exchanger design tools such as ASPEN MUSE®. For the evaporating two-phase streams, substantial deviation from ASPEN results is observed caused by the possible uncertainties in the mist flow correlations for the streams with very high vapor quality. In addition, the numerical uncertainties in applied extrapolation methods for Colburn factor calculation of specific Reynolds number range and fin types might have affected the accuracy of the calculated coefficients. The effect of the parameters involved in correction factor estimation for multi-component streams should not also be neglected. Therefore, it was concluded that further investigations are necessary about the heat transfer in the evaporative streams where the evaporation takes place with very high vapor to liquid mass ratio that results in deviated local heat transfer coefficients of the stream.

Questa tesi ha lo scopo di sviluppare un'infrastruttura di modellazione e l'implementazione di modelli di trasferimento di calore all'avanguardia per "Plate Fin Heat Exchnagers" (PFHE). I coefficienti di trasferimento di calore locali all'interno dei passaggi di flusso svolgono un ruolo importante nella classificazione termica degli scambiatori di calore per ottenere i migliori criteri di progettazione valutando gli indici di performance di un disegno specifico usando simulatori di processo dedicati.Questa tesi presenta innanzitutto le principali caratteristiche, la procedura di progettazione, i metodi di classificazione termica e alcuni parametri di progettazione particolari degli "plate fin heat exchangers". Nel secondo capitolo, il trasferimento di calore all'interno dei passaggi di flusso di uno scambiatore di calore a lamelle viene studiato per i flussi monofase e bifasica, compresi i fluidi puro e multi-componente per un discreto di un modello dimensionale. Inoltre, le correlazioni applicate ei metodi di calcolo e le fasi per ottenere i coefficienti locali di trasferimento di calore sono completamente spiegati e discussi. Infine, le correlazioni verificate vengono implementate in C ++ usando Eclipse come "Integrated Development Environment" (IDE) e quindi collegato come file di "Dynamic -Link Library" (DLL) al simulatore di processo di Linde, basato sull'equazione OPTISIM.. Il modulo sviluppato viene valutato per due casi di studio compresi i flussi monofase (unità di separazione dell'aria) e i flussi a due fasi (Ethylene Cracker Unit) e quindi i risultati sono verificati confrontandoli con i noti strumenti di progettazione dello scambiatore di calore.I risultati delle simulazioni di stato transitorio e stazionario mostrano che il modulo sviluppato ha un elevato grado di conformità e precisione nel calcolo dei coefficienti di trasferimento di calore locali per sia i flussi monofase che condensati a due fasi rispetto agli strumenti noti di progettazione dello scambiatore di calore come ASPEN MUSA. Per i flussi bi-faziali evaporanti si osserva una deviazione sostanziale dei risultati di ASPEN dovuto alle possibili incertezze nelle correlazioni di flusso di nebbie per i flussi con elevata qualità di vapore. Inoltre, le incertezze numeriche nei metodi di estrapolazione applicati per il calcolo del fattore di Colburn di specifiche serie di numeri Reynolds e tipi di fin possono avere influenzato l'esattezza dei coefficienti calcolati. Non si deve anche trascurare l'effetto dei parametri coinvolti nella stima del fattore di correzione per i flussi multi-componente. Pertanto, è stato concluso che ulteriori indagini sono necessarie circa il trasferimento di calore nei flussi di evaporazione in cui l'evaporazione avviene con un elevato rapporto di massa del vapore e del liquido che si traduce in deviazione dei coefficienti di trasferimento di calore locali del flusso.