Putkilämmönsiirtimien tuotesarjan kokeellinen ja laskennallinen tehon määritys sekä valintatyökalun kehittäminen

Abstract

Diplomityö on tehty suomalaiselle lämmönsiirtimiä ja muita painelaitteita valmistavalle konepajaosakeyhtiö Refinec Oy:lle. Työn päätavoitteena on määrittää ensisijaisesti öljynjäähdyttämiseen tarkoitetulle putkilämmönsiirtimistä koostuvalle tuotesarjalle lämmönsiirtotehot sekä kehittää valintatyökalu, jonka avulla valitaan kohdeyrityksen asiakkaiden prosessiolosuhteiden perusteella lämmönsiirtotehon puolesta kuhunkin jäähdytystarpeeseen tuotesarjan optimaalisin lämmönsiirrin.

Lämmönsiirtotehojen määritys on tarkoitus toteuttaa osittain kokeellisesti ja kokonaisuudessaan laskennallisesti hyödyntäen kaupallista Aspen Exchanger Design and Rating -mitoitus- ja suunnitteluohjelmaa. Tavoitteena on kokeellisesti pyrkiä validoimaan laskennallisen ohjelman tulokset. Kokeita varten kehitetään stationääritilan mittaukset mahdollistava koelaitteisto, jossa voidaan mitata tuotesarjan pienkokoisia, alle 15 kW:n lämmönsiirtimiä. Lisäksi tarkoituksena on tutkia öljyn viskositeetin ja jäähdytysnesteen muutoksen vaikutusta lämmönsiirtotehoihin.

Työn tuloksena saatiin määritettyä laskennallisesti kaikkien tuotesarjan 27 lämmönsiirtimen lämmönsiirtotehot öljyn tilavuusvirran funktiona jäähdytysveden valituilla minimi- ja maksimiarvoilla yhdelle öljytyypille. Lisäksi kehitettiin menetelmä, joka mahdollistaa teholaskennan myös viiden muun öljytyypin tapauksessa. Työssä laadittiin myös laskentamenetelmä määrittämään lämmönsiirtoteho jäähdytysveden tilavuusvirran funktiona. Laskennalliset tulokset onnistuttiin validoimaan pienikokoisilla lämmönsiirtimillä kokeellisesti. Viimeisenä tuloksena kehitettiin valintatyökalu, jonka avulla pystytään määrittämään kuhunkin jäähdytystarpeeseen jäähdytystehon kannalta optimaalisin lämmönsiirrin ottaen huomioon kaikki olennaiset prosessiarvot eli öljyn viskositeetti, tilavuusvirta, sisäänmenolämpötila ja ulostulolämpötila sekä jäähdytysveden tilavuusvirta ja sisäänmenolämpötila.

This thesis is made for a Finnish engineering workshop Refinec Oy, which manufactures heat exchangers and other pressure equipment. The main aim of the thesis is to determine the rates of heat flow for a product series consisting of shell and tube heat exchangers primarily used for oil cooling and to develop a selection tool that selects the optimal heat exchanger for each cooling demand based on the process conditions of the target company's customers.

The determination of the rates of heat flow is intended to be carried out partly experimentally and entirely computationally, utilizing a commercial heat exchanger calculation program. The target is to experimentally validate the results of the computational program. For the experiments, a test laboratory enabling stationary state measurements is developed, which makes it possible to measure heat exchangers with less than 15 kW cooling capacity. In addition, the purpose is to study the effect of oil viscosity change and coolant change on rates of heat flow.

As a result of the thesis, the rates of heat flow of all 27 heat exchangers of the product series were determined as a function of oil volume flow with selected minimum and maximum flow rates of cooling water for one oil viscosity grade. In addition, a method was developed to determine the rate of heat flow also in the case of five other oil viscosity grades. Also, a calculation method was developed to determine the rates of heat flow at any value of the cooling water volume flow. The calculated results were successfully validated experimentally with small heat exchangers. As a last result, a selection tool was developed to determine the most optimal heat exchanger for each cooling demand, taking into account all relevant process values, including oil viscosity, oil volume flow, oil inlet and outlet temperatures and cooling water volume flow and inlet temperature.