Levylämmönsiirtimen virtauksen ja lämmönsiirron mallinnus
Vähätalo, Kalle (2015)
2015
Ympäristö- ja energiatekniikan koulutusohjelma
Luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2015-02-04
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201501291005
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201501291005
Tiivistelmä
Tässä diplomityössä tarkastellaan virtaussimuloinnin soveltamista Vahterus Oy:n kehittämän täysin hitsatun Plate&Shell-levylämmönsiirtimen virtauksien ja lämmönsiirron määrittämisessä. Tarkoituksena oli tehdä virtaussimulointeja kahden lämmönsiirtolevyn väliin muodostuvalle virtauskanavalle erilaisissa virtausolosuhteissa ja verrata saatuja tuloksia virtauksen visualisoinnin ja Vahterus Oy:n mitoitusohjelman antamiin tuloksiin.
Teoriaosuudessa perehdyttiin aluksi levylämmönsiirtimien yleisiin ominaisuuksiin ja rakenteisiin. Jotta saataisiin käsitys alan tutkimuksen nykytilanteesta, tehtiin katsaus kirjallisuudesta löytyviin tutkimuksiin. Virtaussimulointimallien perusteiden ymmärtämiseksi esiteltiin virtausta ja lämmönsiirtoa hallitsevat yhtälöt, työssä käytetyt turbulenssimallit ja seinämäkäsittelymenetelmät.
Virtaussimuloinneilla saatuja tuloksia haluttiin validoida virtauksen visualisoinnin avulla. Levylämmönsiirtimen pakkapuolen levyvälin virtauksesta tehtiin täysikokoinen malli, jonka toinen lämmönsiirtolevy valmistettiin akryylimuovista. Virtauksen käyttäytymistä havainnoitiin lisäämällä virtausaineena käytettyyn veteen väriainetta ja värillisiä seurantapartikkeleita.
Virtaussimuloinnit toteutettiin ANSYS FLUENT -laskentaohjelmistolla, joka käyttää hallitsevien yhtälöiden ratkaisemiseen kontrollitilavuusmenetelmää. Käytettäväksi turbulenssimalliksi valikoitui vertailujen jälkeen k-ω SST malli, jonka antamat tulokset vastasivat parhaiten todellisen levylämmönsiirtimen toimintaa. Virtaussimuloinnit toteutettiin erikseen lämmönsiirtimen ensiö- ja toisiopuolelle (pakka- ja vaippapuoli) tarvittavan laskentakapasiteetin vähentämiseksi. Virtausaineena työssä käytettiin vettä.
Simuloituja tuloksia verrattiin Vahterus Oy:n mitoitusohjelmasta saatuihin tuloksiin erilaisilla massavirran arvoilla. Lisäksi esiteltiin paine-, lämpötila- ja nopeusjakaumien ja -profiilien kuvaajia, joiden avulla voitiin analysoida virtauksen rakennetta levyjen välissä. Tuloksien mukaan työssä käytetyt laskentamallit kuvaavat levylämmönsiirtimen toimintaa riittävän tarkasti. Pakkapuolen virtaussimuloinnin tulokset vastasivat varsin hyvin mitoitusohjelmalla laskettuja tuloksia, mutta vaippapuolen tuloksissa esiintyi virtausohjaimen mallinnuksen vaikeudesta johtuen suurempia eroja.
Tulosten perusteella voidaan virtaussimulointia suositella työkaluksi levylämmönsiirtimen tuotekehitykseen. Jatkossa virtaussimulointia voitaisiin hyödyntää muun muassa uusien levygeometrioiden optimoinnissa sekä lämmönsiirron ja painehäviöiden laskennan tarkentamisessa nykyisillä lämmönsiirtimillä.
Teoriaosuudessa perehdyttiin aluksi levylämmönsiirtimien yleisiin ominaisuuksiin ja rakenteisiin. Jotta saataisiin käsitys alan tutkimuksen nykytilanteesta, tehtiin katsaus kirjallisuudesta löytyviin tutkimuksiin. Virtaussimulointimallien perusteiden ymmärtämiseksi esiteltiin virtausta ja lämmönsiirtoa hallitsevat yhtälöt, työssä käytetyt turbulenssimallit ja seinämäkäsittelymenetelmät.
Virtaussimuloinneilla saatuja tuloksia haluttiin validoida virtauksen visualisoinnin avulla. Levylämmönsiirtimen pakkapuolen levyvälin virtauksesta tehtiin täysikokoinen malli, jonka toinen lämmönsiirtolevy valmistettiin akryylimuovista. Virtauksen käyttäytymistä havainnoitiin lisäämällä virtausaineena käytettyyn veteen väriainetta ja värillisiä seurantapartikkeleita.
Virtaussimuloinnit toteutettiin ANSYS FLUENT -laskentaohjelmistolla, joka käyttää hallitsevien yhtälöiden ratkaisemiseen kontrollitilavuusmenetelmää. Käytettäväksi turbulenssimalliksi valikoitui vertailujen jälkeen k-ω SST malli, jonka antamat tulokset vastasivat parhaiten todellisen levylämmönsiirtimen toimintaa. Virtaussimuloinnit toteutettiin erikseen lämmönsiirtimen ensiö- ja toisiopuolelle (pakka- ja vaippapuoli) tarvittavan laskentakapasiteetin vähentämiseksi. Virtausaineena työssä käytettiin vettä.
Simuloituja tuloksia verrattiin Vahterus Oy:n mitoitusohjelmasta saatuihin tuloksiin erilaisilla massavirran arvoilla. Lisäksi esiteltiin paine-, lämpötila- ja nopeusjakaumien ja -profiilien kuvaajia, joiden avulla voitiin analysoida virtauksen rakennetta levyjen välissä. Tuloksien mukaan työssä käytetyt laskentamallit kuvaavat levylämmönsiirtimen toimintaa riittävän tarkasti. Pakkapuolen virtaussimuloinnin tulokset vastasivat varsin hyvin mitoitusohjelmalla laskettuja tuloksia, mutta vaippapuolen tuloksissa esiintyi virtausohjaimen mallinnuksen vaikeudesta johtuen suurempia eroja.
Tulosten perusteella voidaan virtaussimulointia suositella työkaluksi levylämmönsiirtimen tuotekehitykseen. Jatkossa virtaussimulointia voitaisiin hyödyntää muun muassa uusien levygeometrioiden optimoinnissa sekä lämmönsiirron ja painehäviöiden laskennan tarkentamisessa nykyisillä lämmönsiirtimillä.