Lämmönsiirto levylämmönsiirtimissä

Lämmönsiirto on lämmönsiirtimen keskeisin toiminto.

Termodynamiikan lait muodostavat lämmönsiirtimien suunnittelun perustan. Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö: Lämmönsiirrin ei voi tuottaa eikä hävittää energiaa, vaan lämpimän ja kylmän puolen välillä vallitsee aina energiatasapaino. Termodynamiikan toinen pääsääntö: Lämpö siirtyy aina lämpimämmästä väliaineesta kylmempään, kunnes lämpötilaerot pyrkivät tasoittumaan.

Lämmönsiirrolla tarkoitetaan lämmön siirtymistä lämpimien ja kylmien kappaleiden tai väliaineiden välillä. Se tapahtuu kolmen perusmekanismin kautta:

• Lämmön johtuminen
• Lämpösäteily
• Konvektio

Lämmönsiirtimessä lämmönsiirto tapahtuu lämmön johtumisen ja konvektion yhdistelmänä. Molemmat lämmönsiirtomekanismit otetaan huomioon ja lasketaan tapauskohtaisesti jokaisen lämmönsiirtosovelluksen yhteydessä.

Lämmönsiirron laskenta

Kokonaislämmönsiirtokerroin U määräytyy lämmönsiirtopinnan molemmilla puolilla tapahtuvan konvektiivisen lämmönsiirron (hhot ja hcold) sekä lämmönsiirtolevyn läpi tapahtuvan lämmön johtumisen (k) perusteella.

'Lämmön johtuminen lasketaan levymateriaalin lämmönjohtavuuden ja levyn paksuuden perusteella. Levymateriaalina käytetään yleensä ruostumatonta terästä, jonka paksuus on tyypillisesti 0,7–1,5 mm. Mitä ohuempi materiaali on, sitä tehokkaammin lämpö johtuu levyn läpi. Käytännössä materiaalin lämmönjohtavuuden vaikutus on kuitenkin enintään 1,0 mm paksuilla levyillä yleensä merkityksetön verrattuna kokonaislämmönsiirtoon.

Lämmön johtumista tärkeämpää on levyn pinnan ja virtaavan väliaineen välillä tapahtuva konvektiivinen lämmönsiirto. Konvektio eli konvektiivinen lämmönsiirto tarkoittaa lämmön siirtymistä paikasta toiseen nesteiden tai kaasujen liikkeen välityksellä (kaavan yläpuolella oleva kerroin h).

Konvektio on haastavin lämmönsiirron osa-alue laskea. Erilaiset geometriat edellyttävät erilaisia laskentamenetelmiä, samoin kuin nesteiden, kaasujen, lauhtumisen ja höyrystymisen erilaiset lämmönsiirtotapaukset. Teoreettiset yhtälöt, kuten Dittus–Boelter-yhtälö, validoidaan ja mukautetaan kokeellisten testien avulla erityyppisillä lämmönsiirtimillä.

Levylämmönsiirtimissä konvektio on hallitseva lämmönsiirtomekanismi, minkä vuoksi konvektiivisten vaikutusten optimointi on erityisen tärkeää.

Konvektiiviseen lämmönsiirtokertoimeen vaikuttavat sekä väliaineen ominaisuudet että lämmönsiirtimen pinnan geometria. Väliaine määräytyy yleensä prosessin perusteella, eikä sitä tavallisesti voida muuttaa, mutta lämmönsiirrintyypin ja rakenteen valintaa voidaan optimoida parhaan mahdollisen lämmönsiirron saavuttamiseksi.

Miksi Vahterus PSHE tarjoaa tehokkaamman lämmönsiirron kuin putkilämmönsiirtimet?

Käyttämällä putkien sijaan lämmönsiirtolevyjä virtauksen käytettävissä oleva lämmönsiirtopinta-ala kasvaa. Samalla virtausreitti voidaan suunnitella siten, että saavutetaan suurempi turbulenssi myös pienemmillä virtaamilla.

Levypintojen välisessä virtauksessa rajakerroksen uudelleenkiinnittymistä tapahtuu enemmän kuin putkivirtauksessa, mikä selittää erot lämmönsiirtokertoimissa. Rajakerroksen uudelleenkiinnittyminen tarkoittaa, että väliaine ei virtaa tasaisesti lämmönsiirtopintojen yli, vaan virtaussuunta muuttuu jatkuvasti myös pienillä virtausnopeuksilla. Tämä puolestaan tehostaa lämmönsiirtoa huomattavasti.