Kiertoluvun vaikutus höyrystimen toimintaan

Abstract

Höyrystin on lämmönsiirrin, jossa kuumennettava neste höyrystetään eli muutetaan kaasumaiseen olomuotoon. Höyrystimen läpi virtaava neste voidaan höyrystää osittain tai kokonaan. Höyrystimen kiertoluvuksi kutsutaan höyrystimeen syötettävän massavirran ja höyrystyneen massavirran suhdetta. Tässä diplomityössä tutkittiin kiertoluvun vaikutusta höyrystimen toimintaan. Tutkimuksen kohteena ollut höyrystin oli Vahterus Oy:n valmistama levy- ja vaippalämmönsiirrin (Plate & Shell Heat Exchanger, PSHE).

Tutkimusta varten suoritetuissa testeissä kiertolukuun vaikutettiin höyrystimelle vievän linjan säätöventtiilillä ja syöttöpumpun pyörimisnopeudella. Testien aikana höyrystimellä ajettiin mittauspisteitä kiertoluvun vaihdellessa välillä 1,1–17,7. Mittauspisteille laskettiin tunnuslukuja höyrystimen toiminnan arvioimiseksi. Mittauspisteiden pohjalta pyrittiin myös luomaan korrelaatio höyrystimen kylmän puolen lämmönsiirtokertoimen ennustamiseksi. Testien mittauspisteiden lämmönsiirtokerrointa mallinnettiin myös kirjallisuudesta valittujen korrelaatioiden avulla.

Päällimmäinen huomio kiertoluvun vaikutuksesta tutkittavan höyrystimen toimintaan oli lämmönsiirtokertoimien romahtaminen alhaisilla kiertoluvuilla. Tutkimuksessa kerätty tieto viittasi vahvasti kiehumistyypin muuttuvan vähitellen transitiokiehumisen alueelle kiertoluvun laskiessa alle kahden. Logaritminen lämpötilaero kasvoi myös voimakkaasti kiertoluvun pienentyessä kahdesta alaspäin, joka tukee transitiokiehumisen olettamusta. Testien perusteella pystytiin määrittämään korrelaatio, jolla lämmönsiirtokerrointa onnistuttiin ennustamaan tarkasti Reynoldsin luvun Boiling luvun, Prandtlin luvun ja Jakobin luvun avulla. Kirjallisuudesta valittujen korrelaatioiden soveltuvuus tämän työn mittauspisteisiin oli vaihtelevaa. Työssä esiteltiin kaksi heikosti soveltuvaa ja kaksi paremmin soveltuvaa korrelaatiota ja esitettiin pohdintaa soveltuvuuden taustalla.

A reboiler is a heat exchanger in which liquid is vaporized. The liquid flowing through the reboiler can be partially or completely vaporized. The ratio of the mass flow fed to the reboiler and the vaporized mass flow is called the circulation rate. In this master’s thesis, the effect of circulation rate on the operation of a reboiler was studied. The reboiler that was the subject of the study was a Plate & Shell Heat Exchanger (PSHE) manufactured by Vahterus Oy.

In the tests carried out for the research, the circulation rate was affected by the control valve of the line leading to the reboiler and the rotation speed of the feed pump. During the tests, measurement points were obtained from the reboiler with the circulation rate varying between 1.1 and 17.7. Data was gathered from different measurement points to evaluate the operation of the reboiler. Based on the measurement points, an attempt was made to create a correlation to predict the heat transfer coefficient of the cold side of the evaporator. The heat transfer coefficients of the measurement points were also modeled using correlations selected from the literature.

The main consideration regarding the influence of circulation rate on the operation of the investigated reboiler was the sharp decline of the heat transfer coefficients at low circulation rates. The data collected in the study strongly indicated that the type of boiling gradually changes to the region of transition boiling as the circulation rate drops below two. The logarithmic temperature difference also grew sharply as the circulation rate decreased which supports the assumption of transition boiling. Based on the tests, it was possible to determine a correlation with which the heat transfer coefficient can be accurately predicted using the Reynolds number, the Boiling number, the Prandtl number and the Jakob number. The applicability of the correlations selected from the literature to the measurement points of this work was variable. In the work, two weakly applicable and two more applicable correlations were presented and the reflection behind the applicability was presented.