Levymallien optimointi meren lämmönsiirtoon

Tukettu 5 000 neliömetrin valmistustehdolla Nantongissa ja yli 100 sähkö- ja mekaniikkoinsinöörillä varustetulla SME-ryhmällä on palvellut merenkulun ja meritekniikan alaa yli 20 vuoden ajan, ja se tarjoaa edelleen korkealaatuista ja ajan tasalla olevaa palvelua tällä alalla. Suoritamme vuosittain yli 500 tehtävää ja toimitamme yli 1 000 alusta vuodessa. Tässä blogissa käsitellään optimaalista piirilevyä levyvaihtimelle, joka muodostaa merijärjestelmän ytimen ja ohjaa, miten nämä optimaaliset piirit saavuttavat lämmön- ja taloudellisen tehokkuutensa paremman nesteen kitkan ja lämpövirran hallinnan avulla jäähdytys-, lämmitys- ja hukkalämmön vaihtojärjestelmissämme.

Saharakulma ja sen kompromissi lämmönsiirron ja painehäviön välillä

Tärkein geometrinen parametri PHE:n suunnittelussa on kala- tai nuolimuotoisen pinnan kulma (chevron angle eli herringbone angle). Aina kun kulma kasvaa (esim. 60°–75°), turbulenssia syntyy enemmän, lämmönsiirtokerroin kasvaa, mutta samalla painehäviö ja pumppausteho kasvavat merkittävästi. Toisaalta pienemmät kulmat (30°–45°) aiheuttavat vähemmän vastusta, mutta niiden lämpötehokkuus on heikompi. Kun viskoosia nesteitä, kuten voiteluöljyä, käytetään merenkulun sovelluksissa, SME ei yleensä käytä yksittäistä levyä. SME:n tähän mennessä käyttämiin sovelluksiin kuuluu esimerkiksi sekoitettujen levyjen käyttö: korkeakulmaisia vesikäytäviä ja alhaisemman kulman öljykäytäviä tai vastaavia yhdistelmiä, jotta saavutetaan hyvä lämpötehokkuus ilman liiallista painehäviötä. Tämä hybridiratkaisu edustaa kokonaisvaltaista, lämpöhydrauliikkaan optimaalista ratkaisua, mikä on erityisen tärkeää niissä SME:n toteuttamissa uusissa rakennusprojekteissa ja uudelleenvarustusprojekteissa.

Aaltoutumisen syvyys, aaltoutumisen välimatka ja suhteellinen leveys

Lisäksi kulman lisäksi aaltoutumisen syvyys (h), aaltoutumisen välimatka (P) ja suhteellinen leveys (2b/λ) vaikuttavat suoraan suorituskykyyn. Mitä syvempiä aaltoutumat ovat, sitä suurempi lämmönsiirtopinta-ala on ja sitä enemmän ne aiheuttavat virtausvirtojen erottumisen, jolloin paikallisessa alueessa tapahtuvaa lämmönsiirtoa voidaan parantaa toissijaisella sekoittumisella. Kuitenkin ne myös kasvattavat kitkakerrointa, mikä johtaa suurempaan painehäviöön. Merenkulun kaasukuumenninten osalta Taguchin menetelmään perustuvat tutkimukset ovat kehittäneet optimaalisen suhteen, esimerkiksi tapauksessa, jossa aaltoutumisen halkaisija on 6 mm, aaltoutumisen syvyys 1 mm ja aaltoutumisen kaltevuuskulma 45°, jolloin yleiskokonaisuuden suorituskykyindeksi (TP) parani 37,41 % verrattuna perinteiseen suunnitteluun. Näitä dataperusteisia optimointimenetelmiä käytetään SME:ssä laivan erityisiä käyttöolosuhteita varten määritettävän levygeometrian määrittämiseen, jotta lämmönsiirtohyöttyjä ei menetettäisi liiallisten pumpun kulutusten vuoksi.

Epäsymmetriset ja muokatut mallit muuttuvien virtausvaatimusten täyttämiseen

Kuumapuolen virtaus Merijärjestelmän kuumapuolen virtausprosessissa voidaan hyödyntää sitä tosiasiaa, että sen massavirtaus voi olla merkittävästi erilainen kuin muiden järjestelmien massavirtaus; esimerkiksi lämmitysveden virtausnopeus voi olla useita kertoja suurempi kuin asumustilojen hanan virtausnopeus. Kun tämä tehdään symmetrisesti kaikkien virtauskanavien yli, tuloksena on kokonaistuloksena korkeavirtaisen piirin painehäviön kasvu, mutta mekaanisen lujuuden tai lämpötehokkuuden muutoksia ei tapahdu. Epätasaiset virtauskanavalevyt – yksi kanava, jonka poikkipinta-ala on suurempi, voi olla valmistettu pienemmällä puristussyvyydellä tai vaihtelevilla rihmoilla kyseisessä kanavassa – vähentävät painehäviötä tällä suuremmalla kanavalla niin paljon kuin mekaaniset rajat sallivat ja säilyttävät hyvän lämmönsiirtokyvyn. Lisäksi viimeaikaiset tutkimukset ovat saavuttaneet paremman termohydrauliikan suorituskyvyn vinokuvioisissa levyissä (erillinen herringbonen levy, jossa chevron-kulma > 1), jolloin turbulenssin tehostamisen vaikutus virtausvastukseen ylittää muut hyödyt. Tämä erinomainen optimointi arvioidaan SME:n insinöörien toimesta aluksille, joilla on erilaisia käyttötilanteita, ja ehdotetut lisäarvoluodut ratkaisut mahdollistavat laivanomistajien energiankulutuksen vähentämisen.

Kuplatut ja uudet pinnan geometriat

Viime vuosina tehtyjen tutkimusten kohteena on ollut mahdollisuus korvata perinteiset kalaeväkuvioiset levyt kuplatuilla (aalto-piste) levyillä, joiden ympyränmuotoiset kuperat osat ovat pyöreitä. Numeerisen optimoinnin ja vastauspintamenetelmän avulla löydettiin parhaat parametrit (aalto-pisteen halkaisija noin 5,2 mm, syvyys 0,9 mm ja kulma 42°), joilla saavutetaan enimmäissuorituskyky (JF-kerroin), joka on 11,92 % suurempi kuin perinteisillä kalaeväkuvioisilla ratkaisuilla. Tässä uudessa suunnittelussa geometrioita on kehitetty edistämään turbulenssia ja lämmön siirtymisrajakerrosta, mutta säilyttäen silti hyväksyttävän painehäviön. SME seuraa tarkkaan tällaisia uusia kehityksiä ja ottaa käyttöön todistetusti toimivia innovaatioita tarpeen mukaan sekä uusien rakennusten että uudelleenrakentamisen ratkaisuissa auttaakseen asiakkaita noudattamaan viimeisimpiä tehokkuus- ja päästöstandardeja.

Johtopäätös: Tarkka levyjen suunnittelu merikäytön tehokkuuden parantamiseksi

Levymallien optimointi ei ole standardimenetelmä, vaan se edellyttää tarkkaa tutkimusta nesteominaisuuksista, virtausnopeuksista, sallituista painehäviöistä ja lämmönvaihtotehosta. SME Group on sertifioitu ISO 9001/14001/45001 -standardien mukaisesti ja tarjoaa yli kaksikymmentä vuotta merenkulun lämmönsiirtoalan kokemusta jokaiseen projektiin. Paikallisverkkomme mahdollistaa nopean vastauksen telakoille ympäri maailmaa, erityisesti Kiinan kiinteällä mantereella, mikä takaa, että lämmönvaihtimet toimivat parhaalla mahdollisella tasolla. SME tarjoaa sinulle 12 kuukauden takuun sekä halun tehdä enemmän kuin vain täyttää ja ylittää huolestuneisuutesi – halun säästää sinulta vielä enemmän energiaa optimoidulla levymallilla, joka tuottaa mitattavia energiansäästöjä. Soita teknisiin asiantuntijoihimme jo tänään keskustellaksesi aluksesi erityisistä lämmitystarpeista.