Putkilämmönsiirtimien mitoitustyökalujen kehittäminen

Abstract

Diplomityön tarkoituksena on kehittää tietokoneohjelma putkilämmönsiirtimen vaippapuolen painehäviön laskemiseksi. Ohjelmalla voidaan varmistaa lämmönsiirtimen mitoitusvaiheessa, että vaippapuolen painehäviö ei ylitä sallittuja rajoja. Ohjelmatäydentää olemassa olevia mitoitusohjelmia. Tässä diplomityössä käsitellään ainoastaan höyryvoimalaitosprosesseissa käytettäviä putkilämmönsiirtimiä. Työn kirjallisessa osassa on selvitetty periaate höyryvoimalaitosprosessista ja siinä käytettävistä putkilämmönsiirtimistä sekä esitetty putkilämmönsiirtimien rakenne, yleinen suunnittelu ja lämpö- ja virtaustekninen mitoitus. Painehäviön laskennassa käytetyt ja lämpö- ja virtausteknistä mitoitusta käsittelevässä kappaleessa esitetyt yhtälöt perustuvat Bell-Delawaren menetelmään. Painehäviönlaskentaohjelma on toteutettu hyväksikäyttäen Microsoft Excel taulukkolaskentaa ja Visual Basic -ohjelmointikieltä. Painehäviön laskenta perustuu segmenttivälilevyillä varustetun putkilämmönsiirtimen vaippapuolen yksifaasivirtaukseen. Lämmönsiirtimen lauhdutinosan painehäviö oletetaan merkityksettömäksi, joten kokonaispainehäviö muodostuu höyryn- ja lauhteenjäähdyttimessä. Kehitetty ohjelma on suunniteltu erityisesti lauhteenjäähdyttimessä muodostuvan painehäviön laskentaan. Ohjelmalla laskettuja painehäviön arvoja on verrattu todellisesta lämmönsiirtimestä mitattuihin arvoihin. Lasketut arvotvastaavat hyvin mittaamalla saatuja, eikä tuloksissa ilmene mitään systemaattista virhettä. Ohjelma on valmis käytettäväksi putkilämmönsiirtimien mitoitustyökaluna. Diplomityön pohjalta on tehty ehdotukset ohjelman edelleen kehittämiseksi.

The aim of this thesisis to generate a computer program for calculating the shell-side pressure drop in a shell-and-tube heat exchanger. Checking that the shell-side pressure drop does not exceed the allowed limits can be carried out with the program when designing shell-and-tube heat exchangers. The program complements already existing design programs. The shell-and-tube heat exchangers in this study are used in steam power plant processes only. The literature study of the thesis includes the principles of a steam power plant process and its shell-and-tube heat exchangers, the construction of a shell-and-tube heat exchanger, the basics of general design as well as thermal and fluid flow design. Equations which are used in calculating the pressure drop and described in the chapter on thermal and fluid flow design are based on the Bell-Delaware method. The pressure drop calculation program is constructed using Microsoft Excel spreadsheets and the Visual Basic programming language. The calculation of a pressure drop is based on single-phase flow on the shell-side of a segmentally baffled shell-and-tube heat exchanger. The pressure drop in a heat exchanger's condensation zone is assumed negligible, so the total pressure drop develops in the desuperheating and drain cooling zones. The program is designed to calculate pressure drops especially for the drain cooler. The pressure drop values from the program are compared with measured values from a real heat exchanger. The results of the program are very close to those from the measurements, and there are no systematic errors. The program is ready for use as a design tool. Based on this thesis, further development measures have been suggested for the program.