Kaksoisputkilämmönvaihtimen lämmönsiirron tehostaminen ja CFD-mallinnus

Abstract

Kaksoisputkilämmönvaihdin on rakenteeltaan yksinkertainen lämmönvaihdintyyppi, joka koostuu kahdesta sisäkkäisestä putkesta. Niitä käytetään etenkin öljy-, elintarvike- ja kemianteollisuudessa. Perusrakenteisessa kaksoisputkilämmönvaihtimessa lämmönsiirto ei ole kovin tehokasta. Tämän kandidaatintyön yhtenä tavoitteena on selvittää tieteellisestä kirjallisuudesta, mitä eri tapoja tehostaa lämmönsiirtoa kaksoisputkilämmönvaihtimissa on olemassa. Yleisesti ottaen lämmönsiirtoa voidaan tehostaa kasvattamalla lämmönsiirron pinta-alaa tai luomalla turbulenssia putkivirtaukseen.

Kirjallisuuskatsauksen perusteella lämmönsiirron tehostamismenetelmät voidaan jakaa passiivisiin ja aktiivisiin. Aktiiviset menetelmät tarvitsevat toimiakseen ulkoisen voimanlähteen, passiiviset puolestaan eivät. Passiiviset menetelmät ovat huomattavasti yleisempiä niiden edullisemman hinnan takia. Laajimmin käytettyjä passiivisia menetelmiä ovat erilaisten kappaleiden, kuten kierteelle taivutetun metallilangan tai -nauhan, sijoittaminen lämmönvaihtimen sisäputkeen. Sisemmän putken ulkopintaan voidaan myös kiinnittää ripoja, jotka kasvattavat lämmönsiirtopinta-alaa. Putken seinämät voidaan myös esimerkiksi karhentaa tai poimuttaa lämmönsiirron tehostamiseksi.

Aktiivisia lämmönsiirron tehostamismenetelmiä ovat mm. lämmönvaihtimen sisäputken pyörittäminen tai virtauksen häiritseminen ulkoisilla sähkö- ja magneettikentillä. Lämmönvaihdinta voidaan myös värisyttää, jos se on valmistettu taipuisasta materiaalista. Lämmönsiirtoa voidaan myös tehostaa käyttämällä nanofluidia toisena lämmönvaihtimessa virtaavana aineena. Nanofluidi koostuu nesteeseen liuotetuista nanokokoisista partikkeleista, joilla on korkeampi lämmönjohtavuus kuin nesteellä. Tämän parantaa koko seoksen lämmönjohtavuutta ja tehostaa siten lämmönsiirtoa. Kaikkiin lämmönsiirron tehostamismenetelmiin liittyy painehäviön kasvu lämmönvaihtimessa. Tämä tarkoittaa pumppaukseen käytetyn tehon kasvua.

Lämmönvaihtimessa tapahtuvaa lämmönsiirtoa, painehäviötä, virtauksen kulkua ja likaantumista voidaan analysoida numeerisen virtausmallinnuksen eli CFD-mallinnuksen (engl. computational fluid dynamics) avulla. Se määritellään fluidin virtausdynamiikan, lämmönsiirron ja muiden ilmiöiden, kuten kemiallisten reaktioiden, analyysiksi tietokonesimulaatiolla.

Osana tätä kandidaatintyötä toteutettiin yksinkertainen CFD-mallinnus Ansys Fluent -ohjelmistolla. Mallinnuksen kohteena oli kaksoisputkilämmönvaihtimen sisäputki, johon oli asetettu kierteinen metallilanka lämmönsiirron tehostamiseksi. Tavoitteena oli selvittää, miten lämmönsiirto ja painehäviö muuttuvat verrattuna sileään putkeen. Virtausaineeksi valittiin öljy ja virtausta mallinnettiin kolmella eri Reynoldsin luvulla välillä 200–1100 laminaarilla virtausalueella. Mallinnuksen perusteella kierrelanka tehostaa lämmönsiirtoa merkittävästi. Nusseltin luku kasvaa 14–38-kertaiseksi verrattuna sileään putkeen. Vaikutus on suurin isommilla Reynoldsin luvuilla. Painehäviö kasvaa kuitenkin myös 2,4–7,2-kertaiseksi Reynoldsin luvun kasvaessa. Lämmönvaihtimille voidaan määritellä tehokkuus, joka kuvaa Nusseltin lukua ja kitkakerrointa parannellussa lämmönvaihtimessa suhteessa perusrakenteiseen lämmönvaihtimeen. Mallinnuksen ja laskennan perusteella tehokkuus kasvaa Reynoldsin luvun funktiona putkessa, johon on asetettu kierteinen lanka.