Hiilivetykylmäaineiden lämmönsiirtoteho märkähöyrystimissä ja niiden vertailu muihin luonnollisiin kylmäaineisiin

Abstract

Teollisessa lämmönsiirrossa käytettävät kylmäaineet ovat olleet merkittävien muutosten keskellä kylmäaineiden ilmastovaikutuksiin kohdistuvien säädösten takia. Tulevaisuudessa kiristyvien rajoitusten myötä muutoksia lämmönsiirrossa käytettävissä kylmäaineissa tulee tapahtumaan myös jatkossa, ja muiden luonnollisten kylmäaineiden rinnalla kiinnostus hiilivetyjen kylmäainekäyttöön on kasvanut. Hiilivetyjen arvioidaan olevan suorituskyvyltään synteettisten kylmäaineiden tasolla tai parempia, mutta heikompia verrattuna esimerkiksi ammoniakkiin ja hiilidioksidiin. Tämän työn tavoitteena oli tutkia hiilivetykylmäaineiden lämmönsiirtotehokkuutta märkähöyrystimissä kiehumisen lämmönsiirtokertoimen avulla. Työn tutkimuksen kohteena olivat Vahterus Oy:n levy-vaippamärkähöyrystimet, ja tutkittavana hiilivetykylmäaineena käytettiin propaania. Lisäksi vertailudatana työssä tutkittiin ammoniakki- ja hiilidioksidimärkähöyrystimien kiehumisen lämmönsiirtokertoimia. Työn tulokset osoittivat, että tutkituissa märkähöyrystimissä mitatut ja laskennallisesti määritetyt kylmäaineiden kiehumisen lämmönsiirtokertoimet poikkesivat toisistaan. Tutkittujen korrelaatioiden vastaavuus riippui käytetystä korrelaatioista, kylmäaineesta sekä höyrystintyypistä. Amalfi et al. korrelaatio vastasi useimmissa tapauksissa parhaiten mitattuja lämmönsiirtokertoimen arvoja, kun taas vastaavuudeltaan heikoimmaksi osoittautui tutkituista korrelaatioista Chen korrelaatio. Lisäksi työssä havaittiin, että Vahterus Oy:n combined-mallisilla märkähöyrystimillä korrelaatioiden vastaavuus mitattuihin lämmönsiirtokertoimiin oli perinteisiä märkähöyrystimiä heikompi. Kylmäaineiden lämmönsiirtotehokkuuden vertailussa havaittiin, että vertailtavina kylmäaineina tutkitut ammoniakki ja hiilidioksidi saavuttivat mittausten perusteella propaania korkeampia lämmönsiirtokertoimien arvoja, kun lämmönsiirtokertoimia tutkittiin lämmönsiirtopinnan ylikuumeneman, lämpövuon ja massavuon funktioina. Tulosten perusteella propaanin lämmönsiirtotehon voitiin arvioida olevan tutkituissa höyrystimissä heikompi muihin tutkittuihin luonnollisiin kylmäaineisiin verrattuna, ja tarvitsevan esimerkiksi suuremman ylikuumeneman saman lämmönsiirtotehon saavuttamiseksi. Kylmäaineiden välisiä eroja selittivät esimerkiksi kylmäaineiden erilaiset termodynaamiset ominaisuudet, ammoniakilla muun muassa suuri latenttilämpö ja lämmönjohtavuus ja hiilidioksidilla suuri tiheys. Työssä saadut tulokset vastasivat tehtyjä oletuksia sekä aiempia aiheeseen liittyviä tutkimuksia. Koska työn tarkastelun kohteena käytettiin vain yhtä hiilivetykylmäainetta ei voida tehdä arvioita hiilivetyjen laajemmasta lämmönsiirtotehosta. Propaanin lisäksi jatkossa tutkimusta voitaisiin kohdistaa myös esimerkiksi isobutaaniin, pentaaniin ja propeeniin, joilla nähdään propaanin tapaan potentiaalia toimia tulevaisuudessa teollisen kokoluokan lämmönsiirron kylmäaineina.