Virtauslaskenta lämmönvaihtimen suunnittelun työkaluna

Lämmönvaihtimia käytetään monissa eri kohteissa niin teollisuuslaitoksissa kuin kotitalouksissakin. Esimerkiksi kotoa löytyvä lämpöpatteri on eräs lämmönvaihdin. Lämmönvaihtimet siis siirtävät lämpöä kuumasta kylmään jonkin kiinteän seinämän kautta. Kotitalouksissa niitä käytetään lämmittämään sisäilmaa, teollisuudessa niitä käytetään vastaavasti jäähdyttämään tai lämmittämään nesteitä tai kaasuja. Virtauslaskennan (Computational Fluid Dynamics, CFD) avulla niiden toimintaa voidaana tutkia kustannustehokkaasti ilman kalliita prototyyppejä. Näin voidaan tehdä jo suunnitteluvaiheessa tarvittavat muutokset niiden optimaalisen toiminnan saavuttamiseksi.

Eräs teollisuudessa yleisesti käytetty on vaippaputkilämmönvaihdin, jossa putkissa olevaa nestettä pyritään lämmittämään ja jäähdyttämään niiden ympärillä kulkevalla nesteellä. Ohessa on esitetty tapaus, jossa putkissa kulkevaa öljyä pyritään viilentämään sen ympärillä kulkevalla vedellä. Lämpö siirtyy öljyn ja veden välillä johtumalla teräsputkien seinämien läpi. Sisään tuleva öljy on 90 C° ja vesi 10 C°.

Öljyn lämpötilajakaumat vaippaputkilämmönvaihtimessa.

Tuloksista havaitaan, että sisääntulon läheisyydessä ja sisääntulo kammiossa lämpötila on tasaisesti jakautunut poikkileikkaustasossa. Putkissa sen sijaan neste alkaa viilenemään putkien seinämien läheisyydessä, ja ulostulossa saadaan aikaan oheisella järjestelyllä öljyn lämpötilaa pienennettyä ulostulossa n. 10 C° eli noin 10 %:n luokkaa. Eräs syy tähän on, että öljy on ulostuloalueella erittäin huonosti sekoittunutta. Tällöin lämpötila ei ole tasaisesti jakutunut, vaan lähempänä putkia on viilempi alue. Tilannetta voitaisiin parantaa aiheuttamalla voimakkaampi sekoitus päätykammioon, jolloin ulostuleva öljy voisi olla kokonaisuudessa viileämpää ja lämmönvaihtimen toimintaa saataisiin tehostettua. Tämä havaitaan tarkastelemalla nopeusvirtaviivoja kyseisestä tilanteesta huomataan, että sisääntulossa virtaus on tasaisesti jakutunutta, mutta ulostulossa virtaus suuntautuu melko suoraan alaspäin.

Putkissa kulkevan viilennettävän öljyn nopeusjakaumat.

Paitsi öljyn alueella tapahtuviin ilmiöillä, myös putkia ympäröivän alueen virtauksilla voidaan säädellä lämmönvaihtimen toimintaa. Alla on havainnollistettu putkien ympärillä kulkevan viileän veden virtauksia. Huomataan, että virtaus menee sisääntulosta suoraan lämmönvaihtimen pohjalle, jatkaen sieltä joko pohjaa pitkin tai kiertäen hieman päädyn kautta ylös ja sieltä ulostuloon. Tilannetta voisi parantaa jakamalla virtausta tasaisemmin ympäri lämmönvaihdinta esim. ohjainlevyjen avulla. Näin saataisiin tasainen kiertävä virtaus ympäri lämmönvaihdinta ja tehostettua lämmönsiirtoa.

Nopeusjakaumat putkien ympärille kulkevalle vedelle.

Lämmönvaihtimen toimintaa voidaan siis parantaa useilla eri toimenpiteillä, joiden vaikutusta voidaan helposti virtauslaskennan avulla tutkia nopeasti ja kustannustehokkaasti. Näitä voivat olla esimerkiksi

• putkien koon pienentäminen ja lukumäärän kasvattaminen tai pituuden kasvattaminen, jolloin saadaan enemmän lämmönvaihtopinta-alaa jolloin puolestaan lämmönsiirto kuumasta viileämpään tehostuu.
• lämmönvaihdinputkien pituuden kasvattaminen.
• lämmönvaihtimen muuttaminen monipassiseksi, jossa viilennettävä neste kiertää lämmönvaihtimessa useamman kerran. Tällöin neste sekoittuu päätykupissa paremmin ja kuuma neste saadaan viilenemään tehokkaammin.
• muuttaa virtaus vaipassa enemmän poikittaissuuntaan asettamalla sinne virtausesteitä, jolloin lämmönsiirto tehostuu

Ohessa kuvatussa lämmönvaihtimessa on kuvattu öljyn ja veden välistä lämmönsiirtoa teräputkien läpi, mutta materiaalit voivat olla myös muitakin. Materiaalit voivat olla mitä tahansa kiintoaineita, nesteitä tai kaasuja. Lisää esimerkkejä ja referenssejä kuinka virtauslaskentaa voidaan käyttää suunnittelun apuna löydät täältä.