Painehäviö lämpöputkilämmönvaihtimessa
Aho, Miika (2022)
Kandidaatintyö
2022
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022082956626
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022082956626
Tiivistelmä
Tässä kandidaatintyössä käsiteltiin lämpöputkiteknologian käyttöä lämmönvaihtimissa ja lämmöntalteenottojärjestelmissä. Tutkimus painotettiin painehäviön laskemiseen, sekä painehäviöön vaikuttavien tekijöiden kartoittamiseen. Tutkimuksessa mallinnettiin Solidworks- ohjelmistolla kuusi toisistaan poikkeavaa lämmönvaihtimen geometriaa, joille suoritettiin yhteensä 28 virtausanalyysia ohjelmiston Flow Simulation- moduulilla. Tutkimuksessa selvitettiin laitteiston geometrian vaikutusta laitteistossa syntyvän painehäviön suuruuteen. Geometrian lisäksi tutkittiin myös virtaavan aineen ominaisuuksien, kuten lämpötilan ja virtausnopeuden vaikutusta painehäviöön.
Tutkimuksessa havaittiin, että virtaavan aineen ominaisuudet, sekä virtausnopeus vaikuttavat painehäviöön huomattavasti enemmän kuin laitteiston geometria tai lämpöputkien sijoittelu. 25–33% painehäviöstä syntyy ennen laitteistoa sijaitsevassa kartiossa ja laitteiston jälkeisessä kartiossa, joissa virtaus laajenee ennen lämmönvaihtimeen ja supistuu takaisin alkuperäiseen virtaustilavuuteen. Lämpötilaa nostettaessa painehäviön suuruus kasvaa lähes täydellisesti ensimmäisen asteen suoran tavoin.
Lämpöputkiteknologiaa voidaan käyttää erittäin laajasti eri sovellutuksissa. Lämpöputkilämmönvaihtimen avulla voidaan luoda erittäin kilpailukykyinen ratkaisu teollisuuden hukkalämmön hyödyntämiseen eri teollisuuden aloilla. Merkittävintä teknologian hyödyntämisessä on sen tuomat edut fossiilisten polttoaineiden vähentämiseen. Jo pienikokoisella laitteistolla voidaan vähentää merkittävästi fossiilisten polttoaineiden käyttöä ja näin ollen vuositasolla voidaan välttyä jopa 164 tonnin hiilidioksidipäästöiltä. Korkean energianhinnan vuoksi laitteistoinvestoinnilla voidaan saavuttaa merkittäviä säästöjä polttoainekustannuksissa ja samalla vähentää hiilidioksidipäästöjä. The use of the heat pipe technology in heat exchangers and in waste heat recovery systems is investigated in this bachelor’s thesis. The main objective of this thesis is to find a way to calculate the pressure drop in the fluid flow through the heat pipe heat exchanger and to find factors that affect the pressure drop. Methods used in this research are theoretical calcula-tions of the pressure drop and flow simulations with Solidworks Flow Simulation . For flow simulation analysis six different HPHE geometries were created. In addition to the geometry of the heat exchanger, different flow features were investigated such as the temperature and effects of the mass flow value. The total number of flow simulations in this research was 27.
The main results indicate that the properties of the fluid, such as temperature and the value of the mass flow, affected more on the value of the pressure drop than the geometry of the heat exchanger. 25-33% of the pressure drop occurs on the expansion part before heat exchanger and contraction part after the heat exchanger. However, almost all of this pressure drop occurs on the expansion part.
Heat pipe technology can be used widely in different applications. With the heat pipe heat exchanger it is possible to create a competitive solution for a waste heat recovery system in many industries and to reduce the use of fossil fuels and therefore reduce carbon emissions. With the small-sized heat pipe heat exchanger companies can reduce up to 164 tons of carbon dioxide emissions in a year. Because of the high price of the energy, companies can avoid fuel cost and be part of emission reduction.
Tutkimuksessa havaittiin, että virtaavan aineen ominaisuudet, sekä virtausnopeus vaikuttavat painehäviöön huomattavasti enemmän kuin laitteiston geometria tai lämpöputkien sijoittelu. 25–33% painehäviöstä syntyy ennen laitteistoa sijaitsevassa kartiossa ja laitteiston jälkeisessä kartiossa, joissa virtaus laajenee ennen lämmönvaihtimeen ja supistuu takaisin alkuperäiseen virtaustilavuuteen. Lämpötilaa nostettaessa painehäviön suuruus kasvaa lähes täydellisesti ensimmäisen asteen suoran tavoin.
Lämpöputkiteknologiaa voidaan käyttää erittäin laajasti eri sovellutuksissa. Lämpöputkilämmönvaihtimen avulla voidaan luoda erittäin kilpailukykyinen ratkaisu teollisuuden hukkalämmön hyödyntämiseen eri teollisuuden aloilla. Merkittävintä teknologian hyödyntämisessä on sen tuomat edut fossiilisten polttoaineiden vähentämiseen. Jo pienikokoisella laitteistolla voidaan vähentää merkittävästi fossiilisten polttoaineiden käyttöä ja näin ollen vuositasolla voidaan välttyä jopa 164 tonnin hiilidioksidipäästöiltä. Korkean energianhinnan vuoksi laitteistoinvestoinnilla voidaan saavuttaa merkittäviä säästöjä polttoainekustannuksissa ja samalla vähentää hiilidioksidipäästöjä.
The main results indicate that the properties of the fluid, such as temperature and the value of the mass flow, affected more on the value of the pressure drop than the geometry of the heat exchanger. 25-33% of the pressure drop occurs on the expansion part before heat exchanger and contraction part after the heat exchanger. However, almost all of this pressure drop occurs on the expansion part.
Heat pipe technology can be used widely in different applications. With the heat pipe heat exchanger it is possible to create a competitive solution for a waste heat recovery system in many industries and to reduce the use of fossil fuels and therefore reduce carbon emissions. With the small-sized heat pipe heat exchanger companies can reduce up to 164 tons of carbon dioxide emissions in a year. Because of the high price of the energy, companies can avoid fuel cost and be part of emission reduction.