Lämmöntalteenotto kosteasta poistoilmasta prosessiteollisuudessa
Pulkkinen, Jarkko (2005)
Tiivistelmä
Tämän diplomityön päämääränä on tehdä prosessiteollisuuden tarpeisiin Excel-taulukkolaskentaohjelmassa toimiva putkilämmönsiirtimen mitoitusohjelma. Prosessiteollisuudessa lämmönvaihtimien toimintaympäristöt ja olosuhteet vaihtelevat merkittävästi ja niinpä jokaisen vaihtimen suunnittelu ja mitoitus on toteutettava tapauskohtaisesti. Työssä käsitellään rekuperatiivisen ristivirtaputkilämmönvaihtimen yleinen lämpötekninen mitoitus sisältäen putken sisäpinnalle tapahtuvan mahdollisen lauhtumisen.
Mitoitettava vaihdinkoostuu pystysuorista putkista, joissa lämmin ja kostea ilma virtaa putkien sisäpuolella ja kylmä kuiva ilma vaippapuolella vaakasuoraan. Vaihdinmateriaalina
käytetään ruostumatonta AISI 304 -tai haponkestävää AISI 316 terästä. Kuuman ilman tila vaihtelee tarkasteltavan kohteen mukaan. Paperiteollisuuden kuivausyksiköiltä poistuva ilma on usein lämmintä ja kosteaa, ja infrakuivaimilta poistuva ilma on kuumaa. Mitoitettavalle lämmönvaihtimelle tulevan kuuman ilman lämpötila tapauksesta riippuen voi vaihdella 30°C, maksimissaan +300°C:een saakka, vesisisällön ollessa välillä 0,010...0,200 kg/kg ki tai jopa tämän ylikin.
Vaihtimen mitoitus perustuu energiataseyhtälöiden käyttöön. Laskennassa määritetään vaihtimen pintalämpötila sekä mahdollinen kostean ilman lauhtuminen putken sisäpinnalle. Lisäksi teoria käsittää molempien virtausten tilanmuutosten laskennan. Työssä on esitetty esimerkkilaskelma, jossa on laskettu ilma- kostea ilma lämmönsiirrinkonstruktio. Esimerkissä on tarkasteltu vaihtimen hyötysuhdetta, virtausten lämpö- ja kosteuskäyttäytymistä ulkoilman lämpötilan funktiona.
Ohjelmasta saadaan tulostettua mitoitettavanvaihtimen dimensiot; putkien lukumäärät syvyys- ja pituussuunnassa sekä kokonaisputkilukumäärä, putkien väliset etäisyydet toisiinsa nähden sekä syvyys, että pituussuunnassa, putkipituus ja putken sisä- ja ulkohalkaisijat. Nämä tiedot suunnittelija itse syöttää ohjelmalle alkuarvoina. Laskettuna tietona ohjelma antaa molempien virtausten poistolämpötilat, kuuman ilman poistuvan absoluuttisen kosteuden, kondenssivesimäärän, vaihtimen tehon ja painehäviöt vaippa- ja putkipuolelle. Lisäksi ohjelma laskee kuuman ilman ominaisentalpiat vaihtimen sisään- ja ulostulossa. Tämä mahdollistaa ilman tilapisteiden piirtämisen Mollier-piirrokseen. The target of this Master's thesis was to create a measurement program for a tube heat exchanger in Microsoft Excel format for the processing industry. The heat exchanger's operational environments and conditions in processing industry change considerably depending on the case, and thatis why each heat exchanger must be designed individually. This Master's thesis will present a common heat transfer measurement system for a crossflow tubeheat exchanger including possible condensation on the inner surface of the tube.
The measured tube heat exchanger is composed of vertical tubes in which hot humid air flows inside the tubes and cold dry air flows horizontally on the outside. The material of the
heat exchanger is either AISI304 or AISI 316 steel. The hot humid air temperature can change between 30 °C -300 °C. The air can contain water 0.010...0.200 kgH20/kgdry air.
The measurement of the tube heat exchanger is based on energy balance. In the heat exchanger calculations, the surface temperature of the tube and possiblewater condensation on the inner surface of the tube are defined. In addition, the calculations include the changing conditions of both fluids. The work includes an example calculation for one tube heat exchanger construction. The example contains an analysis of the efficiency of the heat exchanger and the heat and moisture conduct & the fluids. The analysis was carried out as a function of the outside temperature.
The program user can print out the heat exchanger's dimensions from the program: the number of pipes, the pipes partitions, the length of the pipe and the pipe diameters (inner and outer). Thisinformation is entered into the program by the designer. The calculation results include the leaving temperatures of the fluids, water content of the hot leaving air, condensation water mass, capacity of the heat exchanger and pressure loss on both sides of the heat exchanger. In addition, the program calculates the specific enthalpy for hot humid air in the input and the output of the heat exchanger. This enables the use of the Mollier diagram.
Mitoitettava vaihdinkoostuu pystysuorista putkista, joissa lämmin ja kostea ilma virtaa putkien sisäpuolella ja kylmä kuiva ilma vaippapuolella vaakasuoraan. Vaihdinmateriaalina
käytetään ruostumatonta AISI 304 -tai haponkestävää AISI 316 terästä. Kuuman ilman tila vaihtelee tarkasteltavan kohteen mukaan. Paperiteollisuuden kuivausyksiköiltä poistuva ilma on usein lämmintä ja kosteaa, ja infrakuivaimilta poistuva ilma on kuumaa. Mitoitettavalle lämmönvaihtimelle tulevan kuuman ilman lämpötila tapauksesta riippuen voi vaihdella 30°C, maksimissaan +300°C:een saakka, vesisisällön ollessa välillä 0,010...0,200 kg/kg ki tai jopa tämän ylikin.
Vaihtimen mitoitus perustuu energiataseyhtälöiden käyttöön. Laskennassa määritetään vaihtimen pintalämpötila sekä mahdollinen kostean ilman lauhtuminen putken sisäpinnalle. Lisäksi teoria käsittää molempien virtausten tilanmuutosten laskennan. Työssä on esitetty esimerkkilaskelma, jossa on laskettu ilma- kostea ilma lämmönsiirrinkonstruktio. Esimerkissä on tarkasteltu vaihtimen hyötysuhdetta, virtausten lämpö- ja kosteuskäyttäytymistä ulkoilman lämpötilan funktiona.
Ohjelmasta saadaan tulostettua mitoitettavanvaihtimen dimensiot; putkien lukumäärät syvyys- ja pituussuunnassa sekä kokonaisputkilukumäärä, putkien väliset etäisyydet toisiinsa nähden sekä syvyys, että pituussuunnassa, putkipituus ja putken sisä- ja ulkohalkaisijat. Nämä tiedot suunnittelija itse syöttää ohjelmalle alkuarvoina. Laskettuna tietona ohjelma antaa molempien virtausten poistolämpötilat, kuuman ilman poistuvan absoluuttisen kosteuden, kondenssivesimäärän, vaihtimen tehon ja painehäviöt vaippa- ja putkipuolelle. Lisäksi ohjelma laskee kuuman ilman ominaisentalpiat vaihtimen sisään- ja ulostulossa. Tämä mahdollistaa ilman tilapisteiden piirtämisen Mollier-piirrokseen.
The measured tube heat exchanger is composed of vertical tubes in which hot humid air flows inside the tubes and cold dry air flows horizontally on the outside. The material of the
heat exchanger is either AISI304 or AISI 316 steel. The hot humid air temperature can change between 30 °C -300 °C. The air can contain water 0.010...0.200 kgH20/kgdry air.
The measurement of the tube heat exchanger is based on energy balance. In the heat exchanger calculations, the surface temperature of the tube and possiblewater condensation on the inner surface of the tube are defined. In addition, the calculations include the changing conditions of both fluids. The work includes an example calculation for one tube heat exchanger construction. The example contains an analysis of the efficiency of the heat exchanger and the heat and moisture conduct & the fluids. The analysis was carried out as a function of the outside temperature.
The program user can print out the heat exchanger's dimensions from the program: the number of pipes, the pipes partitions, the length of the pipe and the pipe diameters (inner and outer). Thisinformation is entered into the program by the designer. The calculation results include the leaving temperatures of the fluids, water content of the hot leaving air, condensation water mass, capacity of the heat exchanger and pressure loss on both sides of the heat exchanger. In addition, the program calculates the specific enthalpy for hot humid air in the input and the output of the heat exchanger. This enables the use of the Mollier diagram.