Numerical Studies on Fin-and-Tube Heat Exchangers

Abstract

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.

Air handling units recirculate, filter, heat and cool the air inside buildings and cruise ships. One of the most commonly used type of heat exchanger is the fin-and-tube heat exchanger. Rapid development of computational resources and open source tools during the last decade have provided an opportunity to develop a framework for accurate, automated and computationally feasible simulations. In this thesis, these tools are utilized to predict the thermal-hydraulic efficiency and fouling propensity of new and traditional fin shapes. Then, a parametric variable sweep is performed to find the optimal tube pattern for a specific fin shape and operating condition. Most importantly the present thesis seeks to answer questions such as how to build an accurate model that describes the physics of the conjugate heat transfer process in a computationally reasonable manner. And, how the shape of the fin could be changed to improve the overall thermal-hydraulic performance in a production feasible manner. In the case of a specific fin shape, the aim is to show how many different data points with different design variations are needed to create accurate surrogate models for the industry. And finally, how to assess the risk of fouling involved with new enhanced fin types in an air conditioning application and how to quantify the risk.

The Publication I studies the significance of conjugate heat transfer in contrast to purely convective heat transfer simulations. The conjugate model was shown to be more accurate for fin-and-tube heat exchanger simulations than a purely convective one. In Publication II, the focus was to develop a novel enhanced fin type with a combined vortex generator and herringbone fin design. The fin design was adapted to increase the manufacturing feasibility as much as possible. After the previous study, a concern was raised that even though better thermal-hydraulic efficiency was observed with the selection of designs in the study, this is no guarantee of the goodness with other design combinations. Therefore, in the Publication III a parametric conjugate heat transfer study was performed to find out which combinations of fin pitch, transverse tube distance and longitudinal tube distance provide the best thermal-hydraulic efficiency for a fin shape. In Publication IV, a novel selection of material properties for the fouling particles is done so that a representative range of Reynolds numbers, Stokes numbers, elasticity and adhesion parameters is covered. This study illustrates how the fouling propensity of an enhanced fin shape can be quantified and the risk of fouling can be estimated. The results show that the applied and developed numerical methods can be used for accelerated and resource effective industrial product development of fin-and-tube heat exchangers.