Virtausjakauman kokeellinen määritys levylämmönsiirtimissä

Diplomityön tavoitteena oli kokeellisen tutkimuksen keinoin selvittää juotettujen levylämmönsiirtimien levypakkarakenteessa virtausten käyttäytyminen ja jakautuminen sekä löytää ideoita ja kehitysehdotuksia levylämmönsiirtimen levypakan ja levyprofiilin kehittämiseksi. Kokeellinen tutkimus suoritettiin Oy Danfoss Ab LPM:n levylämmönsiirtimien tutkimuslaboratoriossa. Virtausjakauman tutkimusta varten suunniteltiin ja valittiin tutkimuslaitteisto, joka koostui termoelementtiantureista, tiedonkeruulaitteistosta sekä ohjelmistosta. Lämmönsiirtimistä mitattiin ensiö- ja toisiopuolen tilavuusvirrat ja painehäviöt sekä lämpötilat ennen ja jälkeen lämmönsiirtimen. Tutkimuslaitteiston avulla mitattiin lämpötiloja lämmönsiirtimen sisältä levyväleistä. Mittaukset suoritettiin neljällä levypakkarakenteella useilla massavirran arvoilla. Mittaustuloksista määritettiin levylämmönsiirtimien lämpö- ja virtaustekniset ominaisuudet nesteen Reynoldsin luvun funktiona sekä selvitettiin nesteen virtausjakaumat. Mittaustuloksien perusteella laskettuja virtausjakauman arvoja verrattiin teorian mukaan laskettuihin jakaumiin. Mitatuista siirtimistä lasketut massavirrat viittaavat siihen, että suurin osa nesteestä virtaa siirtimien keskeltä tai lähempää loppupäätä kuin alkupäästä. Teorian mukaan suurin nestemäärä virtaisi siirtimen alkupäästä vähentyen tasaisesti kohti levypakan loppupäätä. Teorian mukaiselle virtausjakaumalle ja lasketuille jakaumille ei löydetty yhteyttä. Tutkimuksessa havaittiin suuria, jopa yli 20 asteen, lämpötilaeroja levyväleistä ulostulevissa virtauksissa. Levyvälien virtauksen käyttäytymisen ja jakautumisen tutkiminen nähdäänkin levypakan pitkittäistä kehittämistä suurempana mielenkiinnon ja kehittämisen kohteena.

The aim of this thesis was to examine the flow behavior and distribution in the plate stack of brazed heat exchangers by means of experimental research, and to find ideas and development suggestions for developing the plate stack of heat exchangers and the profile of heat exchanger plates. Experimental research was conducted in the heat exchanger testing facility of Oy Danfoss Ab LPM. Exploratory equipment was designed and chosen specifically for the research. The equipment consisted of thermocouples, data acquisition module and software. The flows and pressure drops of the primary and secondary sides and the temperatures before and after the heat exchanger were measured. Also temperatures from plate gaps inside the heat exchanger were measured with the chosen exploratory equipment. The research was performed with four different plate stacks with different mass flows. The measured values were used to establish the thermal and fluid dynamic properties of the heat exchangers as a function of the Reynolds number and flow distributions of fluid. Flow distributions calculated from the experimental results were compared to results based on theory. Mass flows calculated from tested heat exchangers indicate that most of the fluid flows through the centre of the heat exchanger or closer to the back end rather than the front end. In theory, most of the fluid flows from the front end of the heat exchanger subsiding smoothly toward the back end. No connection was found between flow distribution based on theory and the calculated flow distribution. Temperature gradients of up to 20 degrees and even higher were observed in the research of output flows from plate gaps. The research of flow behavior and distribution in the flow gap is considered more interesting and beneficial than research and development of the longitudinal plate pack.