Levylämmönsiirtimen jäätyminen kryogeenisissä lämpötiloissa
Nikkanen, Markus (2022)
Diplomityö
2022
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022042630714
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022042630714
Tiivistelmä
Lämmönsiirrin on laite, jossa lämpö siirtyy kahden virtaavan aineen välillä. Lämmönsiirtimessä on kuuma puoli ja kylmä puoli. Tässä diplomityössä tutkitaan levylämmönsiirrintä ja sen jäätymistä hyvin alhaisissa lämpötiloissa.
Alhaisia lämpötiloja on mm. nesteytetyn maakaasun höyrystämisprosessissa. Maakaasun höyrystymislämpötila on hyvin alhainen, noin -162 °C ilmanpaineessa. Maakaasun alhaisen höyrystymislämpötilan takia lämmönsiirtimen kuuman puolen aineella, esim. vesiglykoliseoksella, on riski jäätyä.
Tämän diplomityön tarkoituksena oli antaa lisää ymmärrystä jäätymisen alkamiseen LNG:n höyrystysprosesseissa. Testeissä käytettiin LNG:n sijasta nestemäistä typpeä, joka höyrystettiin ja tulistettiin. Lämmönsiirtimen kuuman puolen aineena oli 50 % vesietyleeniglykoliseos. Testien aikana otettiin ylös relevantteja arvoja, joiden avulla tarkkailtiin, milloin lämmönsiirrin jäätyy. Lämmönsiirtimen mitoitusohjelman avulla laskettiin mittauspisteiden minimipintalämpötila, glykolipuolen leikkausjännitys sekä glykolipuolen Reynoldsin luku. Näiden suureiden oletettiin kaikkien laskevan lähestyttäessä jäätymistä. Suureiden avulla toivottiin pystyvän arvioimaan jäätymisen riskiä jo mitoitusohjelmassa. Tulosten perusteella Reynoldsin luvun avulla jäätymisriskiä voitaisiin arvioida mitoitusohjelmassa. Reynoldsin luku pieneni jokaisessa testissä jäätymistä lähestyttäessä. Minimipintalämpötila antoi suurimmalta osin myös hyvän arvion jäätymisriskistä ja laski jäätymistä lähestyttäessä, paria poikkeusta lukuun ottamatta. Leikkausjännitys ei käyttäytynyt niin, kuin alun perin kuviteltiin. Osassa testeissä leikkausjännitys pysyi vakiona tai kasvoi, kun lähestyttiin jäätymistä. A heat exchanger is a device where heat transfers between two fluids. A heat exchanger has a hot side and a cold side. This thesis studies the freezing of plate heat exchangers in cryogenic temperatures.
Cryogenic temperatures are present for example in LNG regasification processes. LNG vaporizes at about -162 °C at atmospheric pressure. Due to this low vaporization temperature, there is a risk for the hot side fluid, typically a water-glycol mixture, to freeze.
The purpose of this thesis was to increase knowledge on the start of freezing in LNG regasification processes. Liquid nitrogen was used in the tests instead of LNG. The nitrogen was vaporized and superheated. The hot side fluid was a 50 % mixture of ethylene glycol and water. In the tests relevant values were used to observe when the freezing happens. A heat exchanger design program was used to calculate the minimum surface temperature, the shear stress on glycol side and the Reynolds number on glycol side. It was assumed these values would all decrease when nearing the freezing point. With these values the freezing risk could hopefully be assessed in the heat exchanger design program. Based on the results the Reynolds number could be used to assess freezing risk. The value of the Reynolds number decreased when nearing the freezing point in every test. The minimum surface temperature was also determined to give a good analysis of freezing risk as it also decreased when nearing the freezing point, though there were some exceptions. The shear stress did not behave according to the hypothesis. In some tests the shear stress stayed the same or increased when nearing the freezing point.
Alhaisia lämpötiloja on mm. nesteytetyn maakaasun höyrystämisprosessissa. Maakaasun höyrystymislämpötila on hyvin alhainen, noin -162 °C ilmanpaineessa. Maakaasun alhaisen höyrystymislämpötilan takia lämmönsiirtimen kuuman puolen aineella, esim. vesiglykoliseoksella, on riski jäätyä.
Tämän diplomityön tarkoituksena oli antaa lisää ymmärrystä jäätymisen alkamiseen LNG:n höyrystysprosesseissa. Testeissä käytettiin LNG:n sijasta nestemäistä typpeä, joka höyrystettiin ja tulistettiin. Lämmönsiirtimen kuuman puolen aineena oli 50 % vesietyleeniglykoliseos. Testien aikana otettiin ylös relevantteja arvoja, joiden avulla tarkkailtiin, milloin lämmönsiirrin jäätyy. Lämmönsiirtimen mitoitusohjelman avulla laskettiin mittauspisteiden minimipintalämpötila, glykolipuolen leikkausjännitys sekä glykolipuolen Reynoldsin luku. Näiden suureiden oletettiin kaikkien laskevan lähestyttäessä jäätymistä. Suureiden avulla toivottiin pystyvän arvioimaan jäätymisen riskiä jo mitoitusohjelmassa. Tulosten perusteella Reynoldsin luvun avulla jäätymisriskiä voitaisiin arvioida mitoitusohjelmassa. Reynoldsin luku pieneni jokaisessa testissä jäätymistä lähestyttäessä. Minimipintalämpötila antoi suurimmalta osin myös hyvän arvion jäätymisriskistä ja laski jäätymistä lähestyttäessä, paria poikkeusta lukuun ottamatta. Leikkausjännitys ei käyttäytynyt niin, kuin alun perin kuviteltiin. Osassa testeissä leikkausjännitys pysyi vakiona tai kasvoi, kun lähestyttiin jäätymistä.
Cryogenic temperatures are present for example in LNG regasification processes. LNG vaporizes at about -162 °C at atmospheric pressure. Due to this low vaporization temperature, there is a risk for the hot side fluid, typically a water-glycol mixture, to freeze.
The purpose of this thesis was to increase knowledge on the start of freezing in LNG regasification processes. Liquid nitrogen was used in the tests instead of LNG. The nitrogen was vaporized and superheated. The hot side fluid was a 50 % mixture of ethylene glycol and water. In the tests relevant values were used to observe when the freezing happens. A heat exchanger design program was used to calculate the minimum surface temperature, the shear stress on glycol side and the Reynolds number on glycol side. It was assumed these values would all decrease when nearing the freezing point. With these values the freezing risk could hopefully be assessed in the heat exchanger design program. Based on the results the Reynolds number could be used to assess freezing risk. The value of the Reynolds number decreased when nearing the freezing point in every test. The minimum surface temperature was also determined to give a good analysis of freezing risk as it also decreased when nearing the freezing point, though there were some exceptions. The shear stress did not behave according to the hypothesis. In some tests the shear stress stayed the same or increased when nearing the freezing point.