Lämmönsiirto levylämmönsiirtimissä

Lämmönsiirto on lämmönsiirtimen keskeisin toiminto.

Termodynamiikan lait määrittävät lämmönsiirtimien suunnittelun perusperiaatteet. Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö: Lämmönsiirrin ei voi luoda eikä hävittää energiaa, vaan kuuman ja kylmän puolen välillä vallitsee aina energiatasapaino. Termodynamiikan toinen pääsääntö: Lämpö siirtyy aina kuumemmasta väliaineesta kylmempään pyrkien tasoittamaan lämpötilaeron.

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

• Lämmönjohtuminen (konduktio)
• Säteily (radiatio)
• Virtauslämmönsiirto (konvektio)

Lämmönsiirtimessä lämmönsiirto perustuu lämmönjohtumisen ja virtauslämmönsiirron yhdistelmään. Molemmat mekanismit huomioidaan ja lasketaan jokaisessa lämmönsiirtotapauksessa.

Lämmönsiirron laskenta

Kokonaislämmönsiirtokerroin U määritetään lämmönsiirtopinnan molempien puolien virtauslämmönsiirron (hhot side) ja (hcold side) sekä lämmönsiirtolevyn läpi tapahtuvan lämmönjohtumisen (k) perusteella.

Lämmönjohtuminen lasketaan levymateriaalin lämmönjohtavuuden sekä levyn paksuuden perusteella. Levymateriaalina käytetään tyypillisesti ruostumatonta terästä, ja levyjen paksuus vaihtelee yleensä välillä 0,7–1,5 mm.

Mitä ohuempi materiaali on, sitä tehokkaampaa lämmön johtuminen sen läpi on. Käytännössä kuitenkin alle 1,0 mm paksuisten levyjen materiaalin lämmönjohtavuuden vaikutus on yleensä vähäinen verrattuna kokonaislämmönsiirtoon.

Lämmönjohtumista merkittävämpää on levyn pinnan ja virtaavan väliaineen välinen virtauslämmönsiirto. Konvektio eli virtauslämmönsiirto tarkoittaa lämmön siirtymistä paikasta toiseen nesteiden tai kaasujen liikkeen mukana (kaavan yllä oleva kerroin h).

Konvektio on lämmönsiirtomekanismeista vaativin laskea. Eri geometrioille sekä nesteille, kaasuille, lauhdutukselle ja haihdutukselle on olemassa omat laskentamenetelmänsä. Teoreettisia yhtälöitä, kuten Dittus–Boelterin korrelaatiota, tarkennetaan ja sovelletaan käytäntöön kokeellisten testien avulla eri lämmönsiirrintyypeille.

Levylämmönsiirtimissä konvektio on hallitseva lämmönsiirtomekanismi, minkä vuoksi virtauslämmönsiirron tehostaminen on erityisen tärkeää.

Virtauslämmönsiirtokerrotimeen vaikuttavat sekä väliaineen ominaisuudet että lämmönsiirtimen pinnan geometria. Väliaine määräytyy yleensä prosessin perusteella eikä sitä voida muuttaa, mutta lämmönsiirrintyyppi ja rakenne voidaan suunnitella siten, että saavutetaan mahdollisimman tehokas lämmönsiirto.

Miksi lämmönsiirto on tehokkaampaa Vahterus Plate & Shell ‑lämmönsiirtimessä verrattuna putkilämmönsiirtimiin

Lämmönsiirtolevyjen käyttö putkien sijaan kasvattaa virtaavalle väliaineelle käytettävissä olevaa lämmönsiirtopinta-alaa ja muodostaa samalla virtausreitin, joka synnyttää voimakkaampaa turbulenssia jo alhaisilla virtausnopeuksilla.

Levypintojen välisessä virtauksessa rajakerros irtoaa ja kiinnittyy uudelleen huomattavasti useammin kuin putkivirtauksessa, mikä selittää eron lämmönsiirtokertoimessa. Rajakerroksen uudelleenkiinnittyminen tarkoittaa sitä, ettei väliaine virtaa tasaisesti lämmönsiirtopinnan yli, vaan virtaussuunta muuttuu jatkuvasti myös pienillä nopeuksilla. Tämä tehostaa lämmönsiirtoa merkittävästi.