Numerical Studies on Fin-and-Tube Heat Exchangers
Välikangas, Turo (2021)
Välikangas, Turo
Tampere University
2021
Tekniikan ja luonnontieteiden tohtoriohjelma - Doctoral Programme in Engineering and Natural Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Väitöspäivä
2021-11-19
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-2166-6
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-2166-6
Tiivistelmä
Ilmankäsittelykoneita käytetään rakennuksissa ja risteilijöissä suodattamaan, kierrät-tämään, jäähdyttämään ja lämmittämään ilmaa, jotta käyttäjän kokema sisäilmasto on sekä mieluinen että vaatimusten ja säädösten mukainen. Lamelliputkilämmönvaihdin on yksi yleisimmistä ilmankäsittelykoneissa käytetyistä lämmönvaihdintyypeistä. Lamelliputkilämmönvaihtimien valmistaminen ja kehittäminen vaatii paljon pääomaa, joten kehityssyklien ja uusien innovaatioiden teollistaminen on perinteisesti ollut isojen toimijoiden käsissä. Viime vuosien numeeristen menetelmien kehitys ja laskentaresurssien nopea kasvu ovat mahdollistaneet tarkkojen, automatisoitujen ja laskentakapasiteettivaatimuksiltaan kohtuullisten simulaatioiden tekemisen. Tämä tarkoittaa sitä, että innovaatioiden kokeilu ja testaaminen on mahdollista myös numeerisilla työkaluilla luotujen digitaalisten mallien avulla, mikä vähentää huomattavasti tuotekehityskuluja. Tässä väitöskirjassa näitä malleja ja numeerisia työkaluja käytettiin lamelliputkilämmönvaihtimien suoritusarvojen selvittämiseen erilaisissa käyttöolosuhteissa sekä kehitettiin menetelmä, jolla voidaan arvioida uusien lamellivaihtoehtojen likaantumisalttiutta. Tärkeimpänä tutkimuskohteena oli yhdistetyn lämmönsiirron virtauslaskentamallien luominen ja niiden parametrinen automatisointi. Työssä pyrittiin myös kehittämään uusia termohydrauliselta hyötysuhteeltaan parempia lamellivaihtoehtoja, joiden valmistettavuus olisi mahdollisimman korkealla tasolla. Tässä työssä osoitettiin, kuinka monen suunnittelumuuttujan suhteen potentiaalista uutta lamellivaihtoehtoa tulisi testata, jotta lämmönvaihtimen suoritusarvoja jäljittelemään voidaan valmistaa sen ominaisuuksia vastaava surrogaattimalli. Tätä mallia voidaan käyttää ilmankäsittelykoneiden mitoittamiseen sekä optimaalisten suunnittelu- ja olosuhdemuuttujayhdistelmien määrittämiseen. Viimeisenä osa-alueena tässä työssä kehitettiin uusi menetelmä, jonka avulla voidaan arvioida ja kvantifioida lamellivaihtoehtojen likaantumisriskiä.
Julkaisussa I kehitettiin avoimen lähdekoodin ohjelmistoja apuna käyttäen yhdistetyn lämmönsiirron virtauslaskentamalli. Tämän osoitettiin olevan tarkempi kuin mallin, joka ottaa huomioon vain konvektiivisen lämmönsiirron. Julkaisussa II kehitettiin uusi lamellityyppi, jossa virtausohjaimet sijoitetaan perinteiseen kalanruotolamelliin kasvattamaan sen termohydraulista hyötysuhdetta. Tämä toteutettiin siten, että valmistettavuus pysyi mahdollisimman korkealla tasolla. Julkaisussa II osoitettiin uudella lamellityypillä olevan korkeampi hyötysuhde yhdellä suunnittelumuuttujien yhdistelmällä. Tämä ei kuitenkaan tarkoita sitä, että saavutettu hyöty olisi saman suuruinen, jos lämmönvaihtimen muita ominaisuuksia muutetaan. Edellä mainitusta syystä julkaisussa III osoitettiin, kuinka yhdelle lamellityypille ja yhdelle otsapintanopeudelle on mahdollista löytää yhdistelmä suunnittelumuuttujia, jotka johtavat parhaaseen mahdolliseen hyötysuhteen korotukseen. Tätä varten tehtiin parametrinen yhdistetty lämmönsiirtomalli, jossa käytetään itsekehitettyä parametrista avoimen lähdekoodin verkotustyökalua. Julkaisussa IV kehitettiin numeerinen menetelmä, jonka avulla eri lamellityyppien likaantumisalttiutta voidaan vertailla. Lisäksi julkaisussa ohjeistettiin, kuinka eri materiaaliominaisuudet tulisi valita, jotta ne edustaisivat mahdollisimman hyvin käytännössä havaittavia lämmönsiirtopinnoille deposoituvia aerosoleja. Saadut tulokset osoittavat, että työssä sovellettuja ja kehitettyjä menetelmiä voidaan käyttää putkilamellilämmönvaihtimen nopeaan ja resurssitehokkaaseen tuotekehitykseen.
Julkaisussa I kehitettiin avoimen lähdekoodin ohjelmistoja apuna käyttäen yhdistetyn lämmönsiirron virtauslaskentamalli. Tämän osoitettiin olevan tarkempi kuin mallin, joka ottaa huomioon vain konvektiivisen lämmönsiirron. Julkaisussa II kehitettiin uusi lamellityyppi, jossa virtausohjaimet sijoitetaan perinteiseen kalanruotolamelliin kasvattamaan sen termohydraulista hyötysuhdetta. Tämä toteutettiin siten, että valmistettavuus pysyi mahdollisimman korkealla tasolla. Julkaisussa II osoitettiin uudella lamellityypillä olevan korkeampi hyötysuhde yhdellä suunnittelumuuttujien yhdistelmällä. Tämä ei kuitenkaan tarkoita sitä, että saavutettu hyöty olisi saman suuruinen, jos lämmönvaihtimen muita ominaisuuksia muutetaan. Edellä mainitusta syystä julkaisussa III osoitettiin, kuinka yhdelle lamellityypille ja yhdelle otsapintanopeudelle on mahdollista löytää yhdistelmä suunnittelumuuttujia, jotka johtavat parhaaseen mahdolliseen hyötysuhteen korotukseen. Tätä varten tehtiin parametrinen yhdistetty lämmönsiirtomalli, jossa käytetään itsekehitettyä parametrista avoimen lähdekoodin verkotustyökalua. Julkaisussa IV kehitettiin numeerinen menetelmä, jonka avulla eri lamellityyppien likaantumisalttiutta voidaan vertailla. Lisäksi julkaisussa ohjeistettiin, kuinka eri materiaaliominaisuudet tulisi valita, jotta ne edustaisivat mahdollisimman hyvin käytännössä havaittavia lämmönsiirtopinnoille deposoituvia aerosoleja. Saadut tulokset osoittavat, että työssä sovellettuja ja kehitettyjä menetelmiä voidaan käyttää putkilamellilämmönvaihtimen nopeaan ja resurssitehokkaaseen tuotekehitykseen.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [4549]