Investigation of local heat transfer coefficients in a plate heat exchanger

Plattvärmeväxlare fyller en viktig funktion i dagens samhälle där de bland annat används som förångare och kondensorer i villavärmepumpar. Genom att effektivisera plattvärmeväxlares prestanda kan stora energibesparingar göras vilket är fördelaktigt ur ett hållbarhetsperspektiv. I denna rapport redovisas ett kandidatexamensarbete vid Kungliga Tekniska högskolan där syftet har varit att undersöka värmeövergångstalet för ett kokande köldmedium och hur detta varierar beroende på rådande ånghalt, yteffekt och massflöde i en plattvärmevärmeväxlare från SWEP. Genom att dela in värmeväxlaren i mindre segment vilka överlappar varandra en aning kunde värmeövergångstalet bestämmas lokalt inuti värmeväxlaren med avseende på rådande ånghalt och avgiven yteffekt. En testanordning kördes under olika driftsförhållanden likt de för vanliga villavärmepumpar där köldmediemassflödet och avgiven yteffekt i testobjektet har varierats för att erhålla ett så heltäckande resultat som möjligt. Utöver detta har även en IR-kamera använts för att ingående studera vattentemperaturprofilen inuti värmeväxlaren för att på så vis möjliggöra att kunna räkna ut avgiven yteffekt från vatten till köldmedium i varje segment. I beräkningsmodellen användes metoden för att ta fram värmegenomgångstalet för värmeväxlaren och för vattnets värmeövergångstal användes en känd korrelation från tillverkaren bakom värmeväxlaren. Med värmegenomgångstalet och vattnets värmeövergångstal bestämt kunde sedan värmeövergångstalet för det kokande köldmediet tas fram. Resultatet som erhölls från undersökningen är inte helt entydigt utan det råder en viss osäkerhet kring detta då storleken på värmeövergångstalet varierar mellan 6 kW/m2K och 18 kW/m2K vilket kan ses som mycket. Ett samband som framkom från undersökningen är dock att värmeövergångstalet tycktes öka för en ånghalt större än 45 % och en ökande yteffekt. Ett liknande resultat påvisade även Yan och Lin (1999) i en annan likartad undersökning. I slutet av projektet togs ett ytdiagram fram för vattnets temperaturprofil i värmeväxlaren och resultatet av detta visade att vattentemperaturen inte avtar jämt i horisontalled längs med värmeväxlaren som det tidigare antagits i den framtagna beräkningsmodellen. Temperaturprofilen följde snarare ett sorts v-mönster likt det för Chevronvinkeln på plattorna. Detta resultat var intressant men har samtidigt påverkat den använda beräkningsmodellen negativt vilket kan vara en förklaring till det spretiga resultatet som erhölls från studien. Segmentindelningen borde snarare följa det påfunna v-mönstret för vattentemperaturprofilen istället för den rektangulära segmentindelningen. Då skulle troligtvis ett tydligare och mer jämnt resultat fås. Plate heat exchangers play an important role in today's society where they are used as evaporators and condensers in household heat pumps. By increasing the efficiency of plate heat exchanger large energy savings can be made which is beneficial from a sustainability perspective. This report presents a Bachelor Thesis at the Royal Institute of Technology. The aim has been to investigate the local heat transfer coefficient of a boiling refrigerant and how this varies depending on current level of vapor quality, heat flux and mass flow rate in a plate heat exchanger from SWEP. By dividing the brazed plate heat exchange (BPHE) into smaller segments which overlap each other slightly, it was possible to investigate the local heat transfer coefficient with respect to the current level of steam quality and heat flux. A test device was run under different operating conditions similar to those of ordinary residential heat pumps with different refrigerant mass flow and heat flux to obtain a result that is as complete as possible. In addition to this, an infrared camera was used to extensively study the water temperature profile inside the BPHE to make it possible to obtain the heat flux from the water side to the refrigerant side for each specified segment of the BPHE. The applied calculation method was the method for calculating the overall heat transfer coefficient. A known correlation from the manufacturer behind the BPHE was used to find the local heat transfer coefficient on the water side. With the previous heat transfer numbers known it was possible to find the local heat transfer coefficient on the refrigerant side. The results obtained from the investigation are not entirely clear. There is some uncertainty surrounding these results because the size of the heat transfer coefficient varies between 6 kW/m2K and 18 kW/m2K which can be regarded as high. A connection that was found from the study is that the heat transfer coefficient appeared to increase for a vapor quality greater than 45 % and with an increasing heat flux. Yan and Lin (1999) also showed a similar result in another study. At the end of the project a surface diagram for the water temperature profile in the plate heat exchanger is discovered and the result showed that the water temperature does not decrease evenly horizontally along the plate heat exchanger as supposed in the calculation method. The temperature profile followed a sort of v-pattern similar to the Chevron angle patterns. This result was interesting but has also affected the used calculation model negative which could be an explanation of the sprawling results obtained in the study. Segmentation should rather follow the v-pattern of the water temperature profile instead of the rectangular segmentation. That would probably give a clearer and more consistent result.