27.11. Entistä tehokkaampien levylämmönsiirtimien kehittäminen

FM Marko Lyytikäinen, väitös
Perjantai 27.11.2009 klo 13, Snellmanian auditorio L22

Luonnontieteiden ja ympäristötieteiden tiedekunta/Fysiikka

Modelling and Optimising of Chevron-type Plate Heat Exchangers (Ruotokuvioisen levylämmönsiirtimen mallinnus ja optimointi)

Vastaväittäjä:  TkT, dosentti Hannu Ahlstedt, Tampereen teknillinen yliopisto
Kustos: Professori Jari Hämäläinen, Kuopion yliopisto

Entistä tehokkaampien levylämmönsiirtimien kehittäminen

Tutkimuksessa kehitettiin uusi lähestymistapa levylämmönsiirtimen lämpö- ja virtaustekniikan analysointiin. Virtauslaskentamallia kehitettiin niin, että levylämmönsiirtimen tehokkuuden mallintamiseen käytetty aika lyheni merkittävästi ja näin ollen mallinnus voitiin yhdistää matemaattiseen optimointiin entistä tehokkaampien tuotteiden kehittämiseksi. Optimoinnin avulla vähennettiin siirtimen aiheuttamaa painehäviöitä ja lisättiin siirtimen antamaa lämmitystehoa.

Levylämmönsiirtimen avulla siirretään lämpöä nesteiden ja/tai kaasujen välillä. Esimerkiksi kaukolämpöön kuuluvissa asunnoissa lämmin käyttövesi ja mahdollisesti lämmityksessä käytettävä vesi lämmitetään kaukolämmön energialla levylämmönsiirtimen välityksellä. Tässä tapauksessa lämpö siirtyy nesteestä nesteeseen metallilevyjen läpi. Lämmönsiirtimen tulee toteuttaa sille asetetut tehokkuusvaatimukset, mutta samalla se ei saa aiheuttaa liikaa pumppaushäviöitä. Näiden ehtojen lisäksi tuote halutaan pitää mahdollisimman pienenä ja edullisena, jonka takia levylämmönsiirtimien tehokkuuden optimointi on tärkeä osa uuden tuotteen kehittämistä johonkin tiettyyn sovelluskohteeseen.

Kaukolämpökäytössä olevat levylämmönsiirtimet koostuvat ruotokuvioisista päällekkäin asetetuista ja toisiinsa kiinni juotetuista levyistä. Ruotokuvio voidaan muodostaa matemaattisesti kolmen eri parametrin avulla. Näiden parametrien vaikutuksen tarkka tutkiminen siirtimen tehokkuuteen valmistamalla prototyyppejä ja testaamalla niitä laboratoriossa olisi lähes mahdotonta, koska se on liian aikaa vievää ja kallista. Siksi erilaisten tietokonemallinnusten kehittäminen tuotekehityksen avuksi on ensisijaisen tärkeää. Toisaalta raskaat virtauslaskentamallit ovat edelleenkin paljon aikaa vieviä jotta niitä voitaisiin käyttää mielekkäästi optimoinnissa, jossa tarvitaan mallintaa satoja erilaisia siirtimiä. Tämän takia Lyytikäisen väitöskirjatyössä on kehitetty nopea syvyyskeskiarvoistettuja yhtälöitä käyttävä virtauslaskentatapa ruotokuvioisen levylämmönsiirtimen mallintamiseksi ja optimoimiseksi. Malli on validoitu vertaamalla sen antamia tuloksia tarkempaan mutta raskaampaan mallinnukseen ja mittauksiin.

Optimointi on aluksi valjastettu parantamaan olemassa olevaa levygeometriaa, kun tiedossa on siirtimen kokonaistehokkuutta rajoittava tekijä. Yksitavoiteoptimoinnissa rajoittavaa tekijää on parannettu ja toinen tekijä on pidetty entisellään. Toisin sanoen aiheutettua painehäviötä on pienennetty tai lämmönsiirtoa parannettu toisen pysyessä entisellään, jotta kokonaisuus on parantunut. Lisäksi työssä on tutkittu monitavoiteoptimoinnin hyödyntämistä täysin uuden tuotteen kehittämiseksi tai tutkittaessa yleisesti levygeometrian parametrien vaikutusta siirtimen tehokkuuteen.

Työssä kehitettyjä mallinnus- ja optimointi menetelmiä on havainnollistettu esimerkkien avulla. Optimointiesimerkeissä on parannettu lähtötilannetta halutulla tavalla. Nämä esitetyt tulokset osoittavat kehitetyt menetelmät tehokkaiksi työkaluiksi levylämmönsiirtimien suunnittelun apuna.

Väitöskirja on julkaistu sarjassa Kuopion yliopiston julkaisuja C. Luonnontieteet ja ympäristötieteet, ISBN 978-951-27-1198-7. Sitä voi tilata yliopiston kirjaston julkaisumyynnistä, sähköposti: yrjo.valtanen@uku.fi tai verkko-osoitteesta http://www.uku.fi/kirjasto/julkaisutoiminta/julkmyyn.shtml

Lisätietoja:
Tuotekehitysinsinööri Marko Lyytikäinen
p. 040 309 2337
marko.lyytikainen@uku.fi
 

Artikkelin kirjoitusvuosi: 2009

Takaisin tämän vuoden artikkeleihin