Bestämning av värmegenomgångstalet i kokningsprocesser i plattvärmeväxlare

I dagens samhälle växer behovet av kylutrustning ständigt. Kylutrustning kommer man i kontakt med i många olika applikationer så som; kylare i bilar, kylskåp och luftkonditioneringsapparater. Andra ständigt växande marknader är ofta relaterade till energieffektivitet och miljövänlighet. För att aktörer i olika industribranscher skall uppnå energieffektiv och miljövänlig verksamhet bör till exempel spillvärme från olika industriella processer användas som energikälla. För att utvinna spillvärme bör apparatur som t.ex. värmeväxlare användas i energiutvinningsprocessen. Värmeväxlare är apparatur i vilka två medier utbyter värme med varandra utan att blandas ihop. Medierna i värmeväxlare åtskiljs med en separerande vägg mellan de värmeutbytande medierna (Shah & Sekulic, 2003). I kylutrustning i vilka värmeväxlare utnyttjas, utförs kylningen av så kallade evaporatorer. En evaporator är en värmeväxlare i vilken ett av medierna kokar eller förångas totalt under värmeöverföringsprocessen. När ett medium förångas absorberar det kokande mediet värme av de uppvärmande mediet, vilket resulterar i en kylande effekt i omgivningen. För att förstå värmeöverföringsmekanismerna i värmeväxlare bör grundläggande värmeöverföringsteori presenteras. Värmeöverföring kan ske på tre olika grundläggande sätt. Värmeöverföring kan ske genom värmeledning, konvektion och strålning. Värmeledning sker genom ett fast material eller genom en fluid i stationära förhållanden. Konvektion sker under värmeöverföringsförhållanden där rörelse är involverad. Värmeöverföring med avseende av strålning kan ske i förhållanden där inget värmeöverförande medium finns i processen. Kravet på att värmeöverföring kan ske överhuvudtaget är att det existerar en temperaturgradient i processen (Incropera et al. 2007). Värmeöverföring som sker i processer i värmeväxlare och inte involverar fasövergång för något av de värmeutbytande medierna har studerats utförligt. Exakta och generella uttryck har skapats för att uppskatta prestandan i dessa processer. Under processer där en eller båda av de värmeutbytande fluiderna byter fas är kunskapen mycket bristfällig i nuläget. Olika fenomen som bör beaktas och mekanismer som sker under kokningsprocesser är fastslagna, men hur dessa fenomen bör beaktas i beräkningar är mycket bristfälliga. Hittills har dessa olika fenomen blivit beaktade i värmeöverföringsprocesser med fasövergång genom att beakta olika parametrar som i sin tur beskriver de olika skeende fenomenen och mekanismerna i processerna. Viktiga parametrar i kokningsprocesser har föreslagits att vara värmeöverföringsgeometrier, värmeflöde, ångfraktioner, fluidfilmens tjocklek över värmeöverföringsytan, torra lokala områden på värmeöverföringsytan, fluidernas flödesprofiler och halten av olika smörjmedel i det kokande kylmedlet (Ayub et al. 2019). Andra tillvägagångssätt för att förutspå kokningen är att betrakta ångbubblornas beteende över geometrin på den upphettade ytan. För att kunna uppskatta värmeöverföringsprestandan i en värmeväxlare bör värmeöverföringskoefficienten i processen uppskattas. Värmeöverföringskoefficienten uppskattas ofta genom att bestämma Nusselts tal i processen. Nusselts tal bestäms i sin tur oftast empiriskt med en ”Nusseltfunktion”. Den enklaste formen av Nusseltfunktioner beaktar Reynolds tal och Prandtls tal. Den enklaste formen av Nusseltfunktioner ger oftast upphov till tillfredsställande och tillräckligt noggranna resultat för värmeöverföringskoefficienterna i värmeöverföringsprocesser där ingen fasövergång sker. I kokning är fallet dock mycket mera komplext. Komplext i avseende på att mycket kokningsdata inte finns allmänt tillgängligt och delvis i avseende på att de som presenterar data vanligen inte presenterar tillräckligt med bakgrundsinformation för att en god uppskattning på värmeöverföringskoefficienten kan utföras. Brister i bakgrundsinformationen är ofta relaterade till geometrier, driftstryck, driftstemperatur och volymflöde kylmedel i värmeväxlaren där kokningen sker (Mahmoud & Karayiannis, 2013; Chen et al. 2019). Tre egna kokningsexperiment har utförts i olika plattvärmeväxlarkonfigurationer, på grund av den stora utmaningen att få tillräckligt omfattande data för att kunna utföra en analys på kokningsfenomen som sker i värmeväxlare. Efter att experimenten var utförda gjordes en analys på fenomen som sker under kokningen i mellanrummen mellan plattorna i plattvärmeväxlaren. Värmeöverföringskoefficienten beräknades först exakt på basen av termodynamiska egenskaperna vid inloppet och vid utloppet, varefter fem stycken olika modeller skapades för att förutspå kokningens förlopp. Modellerna var empiriskt framställda och byggde på att försöka uppskatta bubbelbeteende i plattvärmeväxlarmellanrummen indirekt genom att beakta olika mekanismer och fenomen med dimensionslösa tal som till exempel Reynolds tal, Prandtls tal, Jakobs tal, Grashofs tal, Webers tal och bonds tal (Brooks & Hibiki, 2015). Ingen av modellerna beaktade ångfraktionens ökning under kokningsprocessen, på grund av att denna inte kunde mätas under experimenten. Parametrarna i de skapade empiriska modellerna anpassades slutligen till uppmätta värdena på värmeöverföringskoefficienterna, genom att minimera den kvadratiska avvikelsen mellan de empiriskt uppskattade värdena och de verkliga uppmätta värdena på värmegenomgångstalen. Minimeringen av avvikelsen utfördes med MS Excels GRG-optimeringsverktyg. Varje enskild modell anpassades först till kokningsdata för ett experiment i taget. Den modellen som visade högst grad av noggrannhet i varje experiment blev sedan närmare analyserad, för att identifiera de viktigaste mekanismerna under de enskilda kokningsprocesserna. För att verifiera modellerna testades även de mest noggranna modellerna, som var skräddarsydda för de enskilda experimenten, på de andra utförda experimenten. Andra orsaker varför de föreslagna empiriska modellerna testades på experimentella data erhållet från de andra experimenten var för att se ifall de visade en godtagbar grad av noggrannhet och för att se ifall liknande kokningsmekanismer kunde identifieras.The market for cooling devices is continuously growing in the modern society. Cooling devices are present in many applications that are used on daily bases, such as the radiators in the cars, fridges and air conditioning devices. Other growing markets in the modern society are strongly linked with continuously growing concepts such as energy efficiency and environmental friendliness in the heavy industry. In order to fulfil these expectations in the context of environmental friendliness, the heavy industry must create more energy efficient solutions, such as waste heat recovery systems. In both cooling applications and in waste heat recovery systems there are often devices called heat exchangers. Heat exchangers are devices where fluids exchange heat with each other but do not mix together during the heat transfer process (Shah & Sekulic, 2003). In cooling applications the heat exchangers that perform the actual cooling are often evaporators. During evaporation of a refrigerant in an evaporator the evaporated medium absorbs heat from the heating medium, in other words cool down its surroundings. The theories about occurring phenomena and heat transfer mechanisms are at some extent in conflict with each other and somewhat vague expressed when boiling is considered. Heat transfer can occur in three major ways; in the context of conduction, in the context of convection and in the context of radiation (Incropera et al. 2007). This thesis will present the basics of heat transfer mechanisms that occur in the context of conduction and convection. Radiation heat transfer will only be introduced. After the basic heat transfer theory is presented, the concept of heat exchangers and single phase heat transfer performance calculation methods will be discussed, followed by two phase heat transfer and boiling theory. The mechanisms of single phase heat transfer in shell and tube heat exchangers as well as in plate heat exchangers have been studied widely and accurate expressions have been obtained. Viscous effects have been determined to be of huge importance when liquid heat transfer is predicted. Generally the heat transfer can be predicted satisfactory with empirical Nusselt functions that accounts for the Reynolds number and the Prandtl number (Khan et al. 2010). The situation is totally different when two phase heat transfer is considered. Different occurring phenomena have been proposed and are at some extent known. The heat transfer during phase change is strongly dependent on operating conditions and the boiled substance, as well as by the trend of switching boiling mechanism during the phase change. To make the two phase flow even more complex, the proposed correlations for heat transfer calculations are always developed to a previously specified data set, resulting in that there are no existing accurate general correlations for two phase heat transfer. Important parameters in the prediction of the heat transfer coefficient during boiling phenomena have been determined to be heat transfer geometry, heat flux, mass flux, vapor quality, the thickness of the liquid or vapor film on the surface, effects of dry out, flow regime and the possible presence of lubricants in the system (Ayub et al. 2019). The emphasis of this thesis will lie on the boiling and phase change heat transfer calculations. In order to gather boiling heat transfer data, three experiments with similar heat transfer geometries but different operating conditions have been conducted with plate and shell heat exchangers. Based on the data from the conducted experiments the different dominating mechanisms will be determined in the boiling processes. After the mechanisms are determined, empirical correlations will be proposed for predicting the heat transfer during boiling processes