Harjoitustyö: Lämmönsiirtimen mitoitus Lämmönsiirron harjoitus- ja laboratoriotyökurssi Ohjaustilaisuus 13.11.2013
Sisältö Yleistä Lämmönsiirtimen mitoitusprosessi Virtaussuunnat Lämmönsiirrinten tyypit kaksoisputki Vaippa ja putki levylämmönsiirtimet Kompaktit lämmönsiirtimet Menetelmät lämmönsiirtimen laskentaan Alkutiedot/alkuarvaukset logarithmic mean temperature difference method (LMTD) epsilon-NTU method Lämmönläpäisyluku Lämmönsiirto ja painehäviöt Likaantuminen Kirjallisuus
Yleistä Harjoitustyö on palautettava viimeistään 4.12.2013 12:00. Perustellusta syystä voidaan myöntää lisäaikaa palautukseen, jolloin kuitenkin myöhäisestä palautuksesta sakotetaan arvostelussa. Etukäteen sopimatta myöhässä palautettuja töitä ei arvostella. Harjoitustyön teksti-(pdf) ja mitoitusosa (Excel) palautetaan opponointia/arviointia varten sähköpostilla: jarno.parkkinen@lut.fi.
Arviointikohde Hylätty / korjattava Kehittyvä laatu Hyvä laatu Erinomainen laatu Pisteet Työn ulkoasu Ulkoasu ei ole yhtenäinen ja looginen koko työn osalta Ulkoasu on yhtenäinen, mutta ei vaatimusten mukainen Ulkoasu noudattaa sille asetettuja minimivaatimuksia Ulkoasu on ohjeiden mukainen, siisti asettelultaan ja huoliteltu ulkonäöltään. Työstä löytyy kaikki vaaditut komponentit kuten sisällysluettelo jne. Taulukot ja kuvat ovat selkeitä ja siistejä. 5 Käsittely ja teoria: 15 Valitun LS:n tyypin ominaisuuksien kuvaus ja valintaperustelu Virheellinen tai puuttuu kokonaan Valintaperusteita esitetty ottaen huomioon joitakin olosuhteita (paine ja lämpötila, virtaavat aineet, likaantuminen, jne.) Valintaperusteita esitetty kattavasti ottaen huomioon olosuhteita (paine ja lämpötila, virtaavat aineet, likaantuminen, jne.) ja kustannukset Valintaperusteet tyypille esitetty kattavasti ottaen huomioon olosuhteet (paine ja lämpötila, virtaavat aineet, likaantuminen, jne.) ja kustannuksia, sekä asianmukaista vertailua on tehty toisen vaihtoehtoisen tyypin kanssa Lähteiden käyttö 0 lähdettä tai lähteitä, jotka eivät ole vaikuttaneet työhön. Muutama lähde, joihin viitattu, mutta lähteet eivät merkittävästi ole vaikuttaneet työhön. Lähteet mainittu satunnaisesti. Muutama lähde, jotka ovat merkittävästi vaikuttaneet työhön. Lähteiden esittämien mallien ja ajatuksien kanssa on käyty kriittistä keskustelua työhön liittyen. Laskenta Virheellinen ja puuttellisesti esitetty Sisältää virheitä , laskenta puuttellisesti esitetty, esimerkkilaskennan numeerisia arvoja ei kunnolla esitetty Oikeansuuntainen laskennan toteutus, laskentaproseduuri esitetty, numeeriset arvot yhtälöön sijoituksineen esitetty Oikeaoppinen laskenta, laskentaproseduuri selkeästi esitetty, (esimerkkilaskennan) numeeriset arvot yhtälöön sijoituksineen esitetty: aineominaisuudet, dimensiottomat luvut, korrelaatiot, energiataseet, jne.), 10 Tulosten arviointi Olematon Sinnepäin olevia merkityksettömiä kommentteja, sisältää virheitä Tuloksien merkityksestä pyritty keskustelemaan asiallisesti, sisältäen pientä käytännönläheistä kritiikkiä työn tuloksiin Tuloksien merkityksestä on keskusteltu kriittisen asiallisesti, sisältäen käytännönläheistä tuloksien merkitysarviointia ja niiden merkitystä on analysoitu tekstissä lähdekritiikillä - sisältäen näkökumia: LS. Tyyppi, rakenteen optimointi, kustannukset, jne. Tehtävänannon advanced osion tarkasteluja on tehty. Vertaisarviointi + laskentasovellus (excel) Työstä puuttuu mitoitus excel -työkalu tai vertaisarvio tai molemmat Mitoitustyökalu ja vertaisarviot on palautettu, mutta ne ovat puutteellisia, virheellisiä ja/tai keskittyneet epäolenaiseen. Mitoitus excel -työkalu on ymmärrettävä. Vertaisarviointi analysoi työtä ainakin joltakin seuraavalta osa-alueelta: LS. Tyypin valintaperustelut, laskennan esittely, mitoituksen onnistuminen ja johtopäätösten oikeellisuus Mitoitus excel -työkalu on selkeä ja oikein totetuttu. Vertaisarviointi analysoi kattavasti työtä: LS. Tyypin valintaperustelut, laskennan esittely, mitoituksen onnistuminen ja johtopäätösten oikeellisuus - myös oman ryhmän työhön verraten YHT 40
Lämmönsiirtimen mitoitusprosessi Tehtävän asettelu suunnittelussa huomioon tulee ottaa monia asioita kuten: likaantuminen joustavuus (säätövara) painon ja koon rajoitukset Käyttökustannukset Valmistuskustannukset käyttöympäristön asettamat vaatimukset (mekaaniset ja termiset rasitukset) Lämmönsiirrintyypin valinta Alkuarvaukset ja oletukset U A D,l jne ΔP Määritetään tarvittava pinta-ala Lämmönsiirtimen mitat Tarkistetaan alkuarvaukset Painehäviöiden laskenta Tulokset
Virtaussuunnat Myötä- ja vastavirta Ristivirta
Lämmönsiirrinten tyypit Lämmönsiirtimen tyyppi on tärkein sen toimintaan vaikuttava tekijä. Tyypin valintaan vaikuttavia parametrejä ovat mm. väliaineena toimivien fluidien lämpötilat, paineet, viskositeetit sekä korrodoivat ominaisuudet sekä lämmönsiirtimen likaantumisherkkyys ja hinta. kaksoisputkilämmönsiirrin
Vaippa ja putki
Levylämmönsiirrin
Kompaktit lämmönsiirtimet
Menetelmät lämmönsiirtimen laskentaan Alkutiedot/alkuarvaukset Tärkeimpiä muuttujia lämmönsiirtimen mitoittamisessa ovat: siirtyvä lämpöteho q [W] lämmönsiirtopinta-ala A [m2] kokonaislämmönläpäisyluku U [W/m2K]
Menetelmät lämmönsiirtimen laskentaan Lämmönläpäisyluvun alkuarvaus:
Menetelmät lämmönsiirtimen laskentaan LOGARITHMIC MEAN TEMPERATURE DIFFERENCE (LMTD) METHOD ΔTm korvataan Δ Tlm:llä.
Menetelmät lämmönsiirtimen laskentaan e-NTU-METHOD epsilon NTU-metodiin liittyy kolme dimensiotonta parametriä: NTU, ε ja C*. NTU voidaan lukea C*:n ja epsilonin funktiona kuvaajasta esim: lämmönsiirtimen tehokkuus: tällä perusteella siirtyvä lämpöteho saadaan seuraavasta lausekkeesta: Nyt lämmönsiirtopinta-ala voidaan ratkaista NTU:n määritelmästä. Number of Transfer units:
Menetelmät lämmönsiirtimen laskentaan Lämmönsiirtimen mittojen määritys Määritellään putkien halkaisijat, korkeus, leveys, pituus, levyjen määrä jne tavittavat mitat
Lämmönläpäisyluku kun tarvittava lämmönsiirtopinta-ala on ratkaistu, täytyy laskea lämmönläpäisyluvun todellinen arvo. laskennassa tulee usein laskea/selvittää mm. Reynolds, kitkakerroin, Prandtl ja viskositeetti. => virtaustekniikkaa
Lämmönsiirto ja painehäviöt Teidän tehtävänne on löytää sopivat korrelaatiot lämmönsiirron ja paineen pudotuksen laskentaan. esimerkkejä:
Lämmönsiirto ja painehäviöt
Lämmönsiirto ja painehäviöt kokonaispaineen lasku (erilainen eri geometrioissa):
Likaantuminen
Kirjallisuus Hammo, Simo. Lämmönsiirtimien likaantuminen. LTKK/ENTE. Julkaisu D-33. 1994. Sarkomaa, Pertti. Lämmönsiirtimen suunnittelumenetelmät ja lämpötekninen mitoitus. LTKK/ ENTE. Julkaisu C-65. 1994. VDI Wärmeatlas / VDI Heat Atlas. (kirjasto, myös e-kirjana Wilmasta) Heat exchanger design handbook HEDH. Osat 1-5. Chenoweth. [et al.]. VDI. 1983. Incropera, Frank P., De Witt, David P. Fundamentals of heat and mass transfer. Wiley. 2002. White, Frank M. Fluid mechanics. McGraw-Hill. 1999. Sarkomaa, Pertti. Lämpötekniikan perusteita ja peruskäsitteitä sekä lämmönvaihtimien mitoitusperiaatteita. Insko-seminaari I3237/03 II. 2003. Perry’s chemical engineers’ handbook. McGraw-Hill 1984. McCabe W. L.: Unit operations of chemical engineering. McGraw-Hill 2005. Saari, Jussi. Heat Exchanger Dimensioning, Opetusmoniste(Draft) 2009. (Noppa)