Mathematical modeling of the plate-fin heat exchanger in the aircraft environmental control system

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Background: Heat exchangers (HE) are an integral part of power plants. Transport versions of HE impose requirements on the quality of their transient modes.

AimS: Development of a mathematical model of a compact HE as part of the environmental control system (ECS) of an aircraft.

Materials and methods: A mathematical model of an HE was developed using the finite volume method. A system of equations was obtained in the form of an implicit differential formulation. The solution was conducted using standard methods built into mathematical packages. This approach was optimal from an engineering point of view and allowed the integration of a model of an HE into the general mathematical model of an aircraft ECS.

Results. A mathematical model of aircraft secondary HE was developed, ready for integration into a full ECS model. The model was verified through static calculation using two methods accepted in the aviation industry.

Conclusions. The presented mathematical model of a compact aircraft HE was balanced in terms of the accuracy of the solution, the complexity of development, and the computing resource demands.

About the authors

Ekaterina N. Pavlyuk

Bauman Moscow State Technical University

Email: krygaw4ik@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0002-7817-5567
SPIN-code: 2243-7603
Russian Federation, 5/1 2-ya Baumanskaya street, Moscow 105005

Igor V. Tishchenko

Bauman Moscow State Technical University

Author for correspondence.
Email: iv.tischenko@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0001-6094-8723
SPIN-code: 5630-4301

Cand. Sci. (Tech.)

Russian Federation, 5/1 2-ya Baumanskaya street, Moscow 105005

Vitaliy S. Nikolaev

Bauman Moscow State Technical University

Email: nikolaevvs@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0002-5360-9368
SPIN-code: 5847-3632
Russian Federation, 5/1 2-ya Baumanskaya street, Moscow 105005

Anton A. Zharov

Bauman Moscow State Technical University

Email: zharov_a@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0001-9945-0850
SPIN-code: 8581-1809

Cand. Sci. (Tech.)

Russian Federation, 5/1 2-ya Baumanskaya street, Moscow 105005

References

  1. Arharov AM, Arharov IA, Belyakov VP, et al. Cryogenic systems. In 2 volumes. Volume 2: Fundamentals of designing apparatus, installations and systems. Moscow: Mashinostroenie; 1999;2. (In Russ).
  2. Lavrov NA. Multi-level system for modeling non-stationary and changing operating modes of low-temperature installations. [dissertation]. Moscow; 2013. (In Russ).
  3. Voronin GI. Air conditioning systems on aircraft. Moscow: Mashinostroenie; 1973. (In Russ).
  4. Ashino R, Nagase M, Vaillancourt R. Behind and beyond the MATLAB ODE suite. Computers & Mathematics with Applications. 2000;40(4, 5):491–512.
  5. Aleksandrov VYu, Koroleva AP, Kukshinov NV, et al. Mathematical model for calculating the process of non-stationary heating of the walls of a heat exchanger. Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Seriya «Mashinostroenie». 2018;5(122). (In Russ). doi: 10.18698/0236-3941-2018-5-4-14
  6. Artemov VI, Yankov GG, Karpov VE, Makarov MV. Numerical modeling of heat and mass transfer processes in elements of heat engineering and power equipment. Teploenergetika. 2000;7:52–59. (In Russ).
  7. Patankar S. Numerical methods for solving heat transfer and fluid dynamics problems. Moscow: Energoatomizdat; 1984. (In Russ).
  8. London AL, Keis VM. Compact heat exchangers. Moscow: Energiya; 1967. (In Russ).
  9. Guiding technical material of aviation engineering RTM 1560-77. Methods of calculation of convective heat transfer at Pr ≈ 1 on plate-fin surfaces of air-to-air heat exchangers. (In Russ).
  10. Lavrov NA, Sheremetev SS. Secondary effects in low-temperature heat exchangers. Injenernii jurnal — nauka i innovacii. 2017;4. (In Russ). doi: 10.18698/2308-6033-2017-4-1603

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig 1. Matrix of a plate-fin heat exchanger.

Download (103KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Schemes of the movement of air flows in the HE: a) double-cross flow diagram of the movement of coolants; b) conventional scheme of alternating layers in one “cell” of the HE.

Download (146KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Final volume.

Download (47KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Graph of the temperature of hot and cold flows versus time.

Download (96KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Temperature fields in the heat exchanger: a) temperature distribution in the cold stream, b) temperature distribution in the wall, and c) temperature distribution in the hot stream.

Download (456KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».