Multivariate analysis of heat transfer in ice rinks with carbon dioxide as a refrigerant

Abstract

This thesis aims to build a tool which can be used to design and optimize CO_2-based ice rinks. The topic is approached by the introduction of a direct-controlled refrigeration system, the definition of heat load on the ice, and a detailed description of the structure of the ice rink.

The tool and the thesis are divided into three modules, which describe the conduction of heat in the 2D plane, the behavior of carbon dioxide and brines in pipes, and the thermodynamic properties of materials. The work presents a comprehensive theoretical framework for building the modules constructed on Microsoft EXCEL® and COMSOL Multiphysics® platforms using the VBA programming language. The implementation of the work contains more than 2,700 lines of code. However, the work presents only the main features of the implementation.

Heat conduction is modeled by thermal resistance networks (TRN) and a numerical simulation through two different configurations. Besides, the behavior of fluids is examined using multivariate analysis utilizing efficient functions and a constant heat approach. Finally, a material library constructed by the definitions of the thermodynamic properties is critically examined from alternate perspectives.

The results show that the tool can be used to design ice rinks with high accuracy. The variable and fixed costs can be significantly reduced, and the solutions can be justified through a robust theoretical framework. For example, the results of the numerical simulation and thermal resistance networks deviate only 0.068 K on top of the ice with the heat flux of 112.7 W/m^2. Moreover, the tool is capable of minimizing the required heat of the heating pipes to 5.43 kW. The presented results are dependent on other parameters. Therefore, this paper does not give direct answers to the ideal solutions but tells in which direction the development should continue.

Tämän diplomityön tavoitteena on rakentaa työkalu, jolla voidaan optimoida hiilidioksidia jäähdytysfluidina käytettäviä luistinratoja. Aihetta lähestytään pumppukiertoisen jäädytysjärjestelmän tarkastelulla, jäähän kohdistuvan lämpörasitteen määrittelyllä sekä yksityiskohtaisella jääkentän rakenteen kuvailulla.

Työkalu ja diplomityö on jaettu kolmeen osioon, jotka kuvaavat lämmön johtumista 2D-tasossa, märkähöyrysteisen hiilidioksidin sekä glykoliseoksen käyttäytymistä putkissa, ja materiaalien termodynaamisia ominaisuuksia. Työ esittelee kattavan teoreettisen pohjan, joiden avulla osiot rakennetaan Microsoft EXCEL® ja COMSOL Multiphysics® alustoille VBA-ohjelmointikielen avulla. Työn toteutusosio sisältää yli 2700 riviä ohjelmointikoodia, mutta työ esittelee vain pääpiirteet työkalun toteutuksesta.

Lämmön johtuminen 2D-tasossa mallinnetaan lämpövastusverkkoja (TRN) sekä numeerista simulaatiota hyödyntäen kahden eri konfiguraation kautta. Lisäksi nesteiden käyttäytymistä putkissa tarkastellaan monimuuttuja-analyysin avulla tehokkaita iteratiivisia funktioita käyttäen. Lopuksi materiaalien termodynaamisten ominaisuuksien määritelmistä rakennettua materiaalikirjastoa arvioidaan kriittisesti eri näkökulmista.

Tuloksista ilmenee, että työkalua voidaan käyttää jäähallien suunnittelussa erittäin tarkasti. Toteutusvaiheen muuttuvia sekä kiinteitä kustannuksia voidaan vähentää merkittävästi ja niiden ratkaisut voidaan perustella teoreettisen viitekehyksen kautta. Esimerkiksi numeerisen simulaation ja lämpövastusverkkojen tulos poikkeaa 0.068 K jään pinnalla, jos lämpövuo jäähän on 112.7 W/m^2. Lisäksi työkalu kykenee minimoimaan routasulatusputkien tarvittavan lämpötehon 5.43 kilowattiin. Tulokset riippuvat voimakkaasti muiden parametrien arvoista ja siksi tämä diplomityön kirjallinen osio ei anna suoria vastauksia ihanteellisiin ratkaisuihin mutta kertoo, minkälaiset ratkaisut olisivat tulevaisuudessa eduksi.